6 Spannende 3D-gedruckte Organe und 3D-Bioprinting-Projekte

Wenn Menschen sterben, liegt dies normalerweise nicht daran, dass ihr Körper heruntergefahren wird, sondern daran, dass ein Schlüsselorgan versagt, ohne das der Körper nicht überleben kann. Patienten mit schwerem Herz- oder Nierenversagen benötigen sofortige Organtransplantationen, um zu überleben. Hier kommen 3D-gedruckte Organe wie 3D-gedruckte Herzen ins Spiel.

Derzeit warten über 120.000 Menschen mit angehaltenem Atem auf Wartelisten für Organe in den USA. Die durchschnittliche Wartezeit für eine Transplantation beträgt 1.085 Tage für ein Herz in Großbritannien und 3,6 Jahre für eine Nierentransplantation in den USA. Sie können eine Niere spenden, aber Sie können kein Herz spenden – normalerweise von hirntoten Patienten.

Es ist nicht garantiert, dass Sie die Wartezeit überleben. Daher ist die Fähigkeit zum 3D-Druck von Bioprint-Organen von unschätzbarem Wert.

Was ist 3D-Bioprinting?

Beim 3D-Bioprinting werden Bioinks – biokompatible Materialien und menschliche Zellen – verwendet, um lebende Gewebe und Organstrukturen auf die gleiche Weise zu erzeugen, wie Kunststoffteile Schicht für Schicht in 3D gedruckt werden.

Biokompatible Kunststoffe werden manchmal als Gerüste verwendet, wodurch Strukturen entstehen, in die menschliche Zellen eingeführt werden. Sie werden dann in voll funktionsfähigen menschlichen Geweben kultiviert.

Diese lebenden 3D-gedruckten Gewebe werden derzeit zur Untersuchung der Organfunktion des Menschen sowie zum Testen von Arzneimitteln verwendet, ohne dass Menschen oder Tiere verwendet werden müssen. Viele Wissenschaftler glauben, dass wir kurz davor stehen, mit neuen 3D-Bioprinting-Technologien voll funktionsfähige, transplantierbare 3D-gedruckte Organe zu schaffen.

Geschichte des 3D-Bioprintings und des 3D-Organdrucks

Die erste Instanz eines 3D-gedruckten Organs wurde 1999 im Wake Forrest Institute for Regenerative Medicine erzielt. Die Forscher stellten ein künstliches Gerüst für eine menschliche Blase her – und 10 Jahre später stellten Nachuntersuchungen fest, dass der Patient keine Komplikationen hatte. Drei Jahre später, im Jahr 2002, druckten Wake Forrest-Forscher eine voll funktionsfähige Niere in 3D.

Der erste im Handel erhältliche 3D-Bioprinter wurde 2009 von Organovo entwickelt, mit dem erstmals lebende menschliche Zellen in 3D gedruckt werden können, ohne zuvor ein Gerüst bauen zu müssen. Bald darauf schuf dieser Bioprinter ein biologisch abbaubares Blutgefäß ohne Gerüst.

In jüngerer Zeit haben israelische Forscher 2019 ein Miniaturherz in 3D bioprinted, das sich wie echte Herzen zusammenziehen kann, mit einem Blutgefäßnetzwerk, das sich wie unsere Herzen zusammenzieht, und anatomisch wie menschliche Herzen gebaut. Dieses kaninchengroße Herz wird wahrscheinlich die Grundlage für zukünftige Forschungen zum 3D-Druck menschlicher Organe bilden.

Weitere Forschungsarbeiten umfassen auch Arbeiten polnischer Forscher zum Drucken von Prototypen künstlicher Bauchspeicheldrüsen.

Daher finden Sie hier einige der aufregendsten und hoffnungsvollsten Projekte im 3D-Bioprinting-Bereich für viele unserer Schlüsselorgane.

3D gedruckte Haut

Ihre Haut ist das größte Organ Ihres Körpers. Es schützt Ihre Innereien, hält Sie zusammen und reguliert die Körpertemperatur. Da die Haut jedoch keine komplexen chemischen Sortier- oder Blutpumpaktivitäten ausführt, ist die Haut eines der am einfachsten zu replizierenden Organe. Theoretisch sollte dies das einfachste Organ für 3D-Bioprint sein.

3D gedruckte Haut, die Hauttransplantate ersetzt

Hauttransplantate sind derzeit die effektivste Behandlungsmethode für Verbrennungsopfer, aber alles andere als perfekt. Sie können infiziert werden, Narben bekommen, stark bluten und die Erholungszeiten sind lang. Sie müssen auch aus anderen Körperteilen entnommen werden, üblicherweise aus dem Oberschenkel oder dem Gesäß – was viele gerne vermeiden würden.

Hier kommt 3D-gedruckte Haut ins Spiel. Bereits 2017 haben Forscher der Universidad Carlos III de Madrid in Zusammenarbeit mit BioDan einen Prototyp für einen 3D-Bioprinter erstellt, mit dem vollständig funktionierende menschliche Haut gedruckt werden kann. Da 3D-gedruckte Haut schnell erstellt und direkt auf die Wunde aufgetragen werden kann, können sich Wunden deutlich besser erholen als bei Hauttransplantationen, die länger dauern.

In jüngerer Zeit haben Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute in New York eine neue Form von 3D-Bioprint-Haut mit funktionierenden Blutgefäßen entwickelt. Dies ist wichtig, da aktuelle Transplantate schließlich „einfach abfallen; es integriert sich nie wirklich “, so Forschungsleiter Pankaj Karande, da derzeitige Hauttransplantate keine funktionierenden Gefäßsysteme aufweisen.

Aktuelle Hauttransplantationen wirken eher wie „ein schickes Pflaster“, sagt Karande. Diese neue Forschung könnte die Grundlage für zukünftige wirksame 3D-gedruckte Hautbehandlungen bilden, um die langfristigen und dauerhaften Schäden bei Verbrennungsopfern zu minimieren.

Tests an Mäusen zeigten, dass transplantierte 3D-gedruckte Haut mit den vorhandenen Gefäßen der Maus zu kommunizieren und sich mit ihnen zu verbinden begann. Dies ist äußerst ermutigend, was darauf hindeutet, dass dies auch beim Menschen der Fall sein würde.

Das Team selbst erkennt jedoch die aktuellen Einschränkungen an. Die Gefäßsysteme der Haut von Verbrennungsopfern werden häufig zerstört, so dass kein 3D-System für diese bioprinted 3D-Haut vorhanden ist, an dem sie haften und mit dem sie arbeiten kann. Es sind noch ernsthafte Verbesserungen vorzunehmen.

Das Team versucht stattdessen, Hauttransplantationen gegen Diabetes und Druckgeschwüre in Angriff zu nehmen, hofft jedoch, dass die Technologie schließlich für schwere Verbrennungsverletzungen und bioprinted Hauttransplantationen angepasst werden kann.

Bioprinted Haut für medizinische Tests

Unternehmen wie L’Oréal investieren beträchtliche Summen in Forschung und Entwicklung, um Wege zur Erstellung von 3D-gedruckter Haut zu finden. Bioprinted 3D-Haut ist nicht nur für Menschen direkt nützlich, sondern bietet auch echte, lebende Haut und bietet Hautpflege- und anderen medizinischen Unternehmen neue Möglichkeiten, Produkte zu testen, ohne dass lebende Menschen oder Tiere benötigt werden.

Neue Produkte wie Sonnencremes und andere Salben könnten schneller und effektiver entwickelt werden, um die Prävalenz von Hautkrebs zu senken. Darüber hinaus sorgt authentischere Kunsthaut für eine bessere Ausbildung zum Tätowierer, bevor die Designs auf echte Menschen gekratzt werden – und möglicherweise die Tätowierungen der Zukunft verbessert werden.

Bioprinted & Silicone 3D Printed Hearts

In den USA warten an einem bestimmten Tag rund 3.000 Menschen auf eine Herztransplantation. Da jedes Jahr etwa 2.000 Herzen verfügbar sind, können die Wartezeiten Jahre betragen.

Im Gegensatz zu dem, was Sie vielleicht denken, ist das Herz eines der biologisch einfachsten Organe im Körper. Es hat nur eine Funktion – Blut durch den Körper zu pumpen. Dies sollte es zu einem der am einfachsten zu bedruckenden 3D-gedruckten Organe für Bioprint und Transplantation machen.

Für weitere Informationen haben wir eine ausführliche, separate Feature-Story zu 3D-gedruckten Herzen geschrieben.
Aktuelle Überlegungen legen nahe, dass der beste Weg zur Erstellung eines 3D-gedruckten Herzens das Bioprinting von Zellgerüsten ist. Anstatt Zellen Schicht für Schicht zu drucken, bieten diese biologisch abbaubaren Gerüste strukturelle Unterstützung für Zellen und leiten sie dorthin, wo sie sein sollten. Wenn sich die Zellen dann zu einer reifen, fertigen 3D-gedruckten Herzstruktur entwickeln, kann das Gerüst abgebaut und entfernt werden.

Es wurde bereits gezeigt, dass dies im Mikromaßstab mit einem Stück funktionierenden Herzgewebes funktioniert. Das 3D-gedruckte Herzgewebe wurde erfolgreich zur Reparatur eines beschädigten Mausherzens eingesetzt.

Es gibt jedoch immer noch Hindernisse und Schwierigkeiten. Herzen verwenden extrem kleine, einzellige Strukturen – Kapillaren -, deren Bioprint äußerst schwierig zu präzisieren ist. Sie sind einfach zu klein.

3D gedruckter Kapillardurchbruch

Prellis Biologics, der kürzlich eine Investition in Höhe von 3 Mio. USD in 3D-Druckkapillaren erhalten hat, behauptet, in der Lage zu sein, einzellige Kapillaren mit Bioprint zu drucken, durch die Sauerstoff und Nährstoffe gelangen können.

3D-Organdruck ist ohne Kapillaren nicht möglich. Im Jahr 2018 kündigte Dr. Melanie Matheu, Gründerin und CEO von Prellis, Entwicklungen an, die mit der Geschwindigkeit und den Auflösungen gedruckt werden sollen, die zur Bildung tragfähiger Kapillaren erforderlich sind. Geschwindigkeit und nicht nur Genauigkeit sind entscheidend, da Zellen ohne Blutversorgung nicht lange überleben können – weniger als 30 Minuten.

Kapillaren haben einen Durchmesser von ungefähr 5 bis 10 Mikrometern, aber Prellis behauptet, 3D-Bioprinting-Strukturen bis zu 0,5 Mikrometer zu können und diese Strukturen 1000-mal schneller als bestehende Methoden zu drucken. (Früher konnte 1 cm3 bioprinted Gewebe mit Mikrovaskulatur Wochen dauern.) Prellis ‘neues Ziel ist es, ein gesamtes Nierengefäßsystem innerhalb von 12 Stunden in 3D bioprint zu drucken.

Diese Erfolge bedeuten nicht, dass 3D-gedruckte Organe unmittelbar bevorstehen, da die Technologie ernsthaft verfeinert und verbessert werden muss. Prellis Biologics entwickelt Gewebe für Drogentests, bevor es um vollständig transplantierbare Organe und Gewebe geht, sodass lebensrettende Transplantationen noch eine Weile dauern.

Andere Forschungen zielen stattdessen darauf ab, die Rolle des Herzens künstlich nachzuahmen, anstatt echte 3D-Herzen mit Bioprint zu erstellen.

3D gedruckte künstliche Silikonherzen

Im Juli 2017 schuf die ETH Zürich unter der Leitung des Doktoranden Nicholas Cohrs das erste 3D-gedruckte Herz, das vollständig aus weichem Silikon besteht. Sein Pumpmechanismus funktioniert sehr ähnlich wie ein echtes menschliches Herz und wurde in einer großen Struktur gedruckt. Dies bedeutet, dass außer den Eingangs- und Ausgangspumpen keine Teile zusammengesetzt werden müssen.

Wir haben auch eine ausführliche Anleitung zum 3D-Druck von Silikonen.
Dieses künstliche 3D-gedruckte Herz hielt ungefähr 30 Minuten, bevor die Materialien die Belastung nicht bewältigen konnten und zusammenbrachen. Dies stellt einen guten Fortschritt dar, zeigt jedoch, wie weit wir noch von einer Alternative zu echten menschlichen Herztransplantationen entfernt sind.

3D gedruckte Lunge

Im Mai 2019 druckten Forscher der Rice University, USA, 3D einen künstlichen Luftsack, der sich wie echte menschliche Lungen zusammenzieht und ausdehnt. Diese Luftsäcke atmen ohne zu platzen und könnten der Schlüssel zur Überwindung aktueller 3D-Bioprinting-Probleme bei der Schaffung funktionierender komplexer Gefäßnetzwerke sein.

Die lungenähnlichen Luftsäcke verwendeten SLATE-Bioprinting-Technologien (Stereolithography Apparatus for Tissue Engineering), wobei ein Bioprinter verwendet wurde, um ein flüssiges Vorhydrogel unter Verwendung von blauem Licht zu verfestigen, wobei das Ergebnis Atemwege und Blutgefäße aufwies.

CollPlant & United Therapeutics Kollagenlungen

Weitere Projekte sind CollPlant Biotechnologies und die Zusammenarbeit von United Therapeutics bei der Erstellung transplantierbarer 3D-gedruckter Lungen. Die Zusammenarbeit zielt darauf ab, die rhCollagen-Technologien (rekombinantes menschliches Kollagen) von CollPlant mit den Organherstellungssystemen von United Therapeutics zu kombinieren.

Die Technologie von CollPlant verwendet Tabakpflanzen, die zuvor eher mit Lungenschäden als mit Lungenrettung und -verbesserung in Verbindung gebracht wurden, um Kollagen zu erzeugen. Kollagen wird verwendet, um ihre kollagenbasierten Bioinks zu erstellen, die zum 3D-Druck von Lungen verwendet werden.

United Therapeutics plant, Kollagenlungen als Skelett zu verwenden, um echte menschliche Zellen einzufügen. Leider funktionieren diese Lungen niemals für die Transplantation beim Menschen, aber sie können als Struktur dienen, aus der zukünftige bioprinted 3D-Lungen und -Organe aufgebaut werden können.

Die Partnerschaft zielt auch darauf ab, in Zusammenarbeit mit dem 3D-Druckgiganten 3D Systems unter Verwendung seiner UV-Laserdrucker einen Kollagenpool zu verwenden, um einen Lungenumriss in 3D zu drucken. Sie zielen darauf ab, dass diese Gliederung innerhalb weniger Jahre alle Atemwegszweige, einschließlich Alveolen und Kapillaren, erfasst. Bereits 2018 haben sie eine Luftröhre mit zwei Bronchien in 3D bioprint.

United Therapeutics prognostizierte bereits 2018, dass sie 12 Jahre von den hergestellten Organen entfernt waren. Wir hoffen, dass sie 2030 ihr Ziel erreichen.

3D gedruckte Därme

Unser Darm ist der Schlüssel zur Aufnahme von Wasser, Nährstoffen und Medikamenten sowie zur Vorbeugung tödlicher Krankheiten, die unseren Körper betreffen.

Forscher der New Yorker Cornell University versuchen, synthetische bioprinted Därme für tierfreie und medizinische Tests herzustellen. Mithilfe des PolyJet-3D-Drucks erstellte das Team einen mikroskopisch kleinen Bioreaktor, der den peristaltischen Fluss in den Lumenzellen induziert, die den Darm auskleiden und für die Kontraktion der Darmmuskulatur verantwortlich sind.

Das Lumen wurde mit einem Gerüst gestützt, dem Darmzellen hinzugefügt wurden, bevor es im 3D-gedruckten Bioreaktor kultiviert wurde. Follow-ups zeigten, dass Zellen im Bioreaktor gezüchtet wurden und nachweislich definierter, gleichmäßiger und wirksamer waren und mehr Glucose absorbierten als solche ohne induzierte peristaltische Flüssigkeit.

Diese Fortschritte könnten sich als Schlüssel für Patienten mit Darmversagen erweisen und Probleme vermeiden, die zu Transplantationen und Abstoßungsproblemen führen.

3D gedruckte Leber

Organovo 3D-gedrucktes Lebergewebe

Organovo hat eine lange Geschichte im 3D-Druck von Lebergewebe. Das Unternehmen wurde 2007 gegründet und lizenziert 3D-Bioprinting-Technologie von der University of Missouri. Es wurde von Gabor Forgacs entwickelt.

Das ExVive-Nieren- und Lungengewebe von Organovo ist ein Durchbruch, da es in 3D bioprinted werden kann, um sowohl Gewebe als auch separate kapillare Blutzellnetzwerke zu erzeugen, die die realen Systeme des Körpers nachahmen. Merck & Astella haben Daten veröffentlicht, die bestätigen, dass Organovos Gewebe besser abschneiden als herkömmliche Drogentestmethoden.

Organovo arbeitet derzeit an klinischen Studien zur direkten Transplantation von 3D-gedruckten Lebergewebepflastern. Diese Pflaster haben ungefähr die Größe und Dicke einer Dollarnote und können daher nicht dazu beitragen, dass sich die Patienten vollständig erholen. Bei Patienten, die auf der Liste der Lebertransplantationen stehen, können sie jedoch weitere 1-2 Jahre lang in Betrieb bleiben und so ihr Leben retten.

Ziel ist es, diese Lebergewebe ab 2020 in Patienten zu transplantieren. Organovo behauptet, der Markt für therapeutische Lebertransplantationen sei allein in den USA mehr als 3 Mrd. USD wert.

Durchbrüche beim Bioprinting der kalifornischen Leber

Bereits 2016 kündigte Dr. Shaochen Chen von der University of California in San Diego 3D-gedruckte Entwicklungen von Lebergewebe an, die die Struktur und Funktion der menschlichen Leber imitieren. Stammzellen wurden aus der Haut des Patienten entnommen und mit zwei anderen Zelltypen kombiniert, bevor sie in Leberzellen umgewandelt wurden. Stammzellen sind insofern besonders, als sie sich in andere Zelltypen verwandeln und teilen können, um mehr davon zu produzieren. Dies macht sie für Forschung und Behandlungen äußerst wertvoll.

Die 3D-gedruckten Leber-Bioinks wurden dann in 3 × 3 mm-Quadraten abgeschieden. Die Quadrate wurden 3 Wochen in vitro kultiviert, als sie sich in Gewebe verwandelten. Nach dem Testen wurde festgestellt, dass das 3D-gedruckte Lebergewebe die wichtigsten Leberfunktionen länger als bestehende Lebermodelle erfolgreich aufrechterhält.

Sao Paulo, Brasilien, Miniatur-3D-gedruckte Lebern

In jüngerer Zeit, Ende 2019, haben Forscher in Sao Paulo, Brasilien, Miniaturleber aus menschlichen Blutgefäßen bioprinted. Trotz ihrer geringen Statur können diese 3D-gedruckten Lebern alle täglichen Aufgaben der Leber erfüllen, von der Produktion lebenswichtiger Proteine ​​über die Speicherung wichtiger Vitamine bis hin zur Sekretion von Galle zur Aufnahme von Fetten.

Der Inkredible 3D-Bioprinter von Cellink produzierte die Lebern in einem 90-Tage-Prozess. Dies umfasste die Entnahme des Bluts eines Patienten zur Gewinnung von Stammzellen, die Neuprogrammierung dieser Stammzellen in Leberzellen, die Integration in die 3D-Biotinte und das anschließende Bioprinting, um die Leber zu erzeugen. Die bioprinted Zellstrukturen wurden dann 18 Tage lang kultiviert.

Obwohl diese Entwicklungen nicht groß genug sind, bewegen sie das 3D-Bioprinting gegen Ende der Kindheit und bauen auf lebensverändernde zukünftige Fortschritte auf.

3D gedruckte Gehirne

Als komplexestes und unbekanntes Organ des Körpers wurden im Gehirn die geringsten Fortschritte bei 3D-gedruckten Organen erzielt.

Erst in jüngster Zeit haben Wissenschaftler sogar die ersten Gewebe, die so weich wie Hirngewebe sind, in 3D bioprintet. Es ist äußerst schwierig, solche weichen Materialien in 3D zu drucken, da beim Aufbau Schicht für Schicht die vorherigen Schichten unter dem Druck einfach zusammenfallen.

Es wurden jedoch Fortschritte erzielt. Zhengchu Tan, ein Forscher am Imperial College London, testete das Bioprinting eines extrem weichen Hydrogels durch kryogenes Einfrieren zuvor gedruckter Schichten. Nach dem Einfrieren waren diese Schichten stabiler, so dass mehr Schichten darauf gedruckt werden konnten. Das Einfrieren wird dann wiederholt, bis das Hydrogelgewebe vollständig ist.

Sobald das Gewebe fertig ist, wird es langsam aufgetaut, so dass es seine Form und Gestalt beibehält und als ein Gewebe zusammenarbeitet.

Nachdem es gelungen ist, diese ersten weichen Hydrogelgewebe herzustellen, sind komplexere Objekte in Arbeit, deren Struktur viel schwieriger zu erhalten und über das Teil gleichmäßig abzukühlen ist.

3D gedruckte Organe: Fazit

Insgesamt werden wir beim 3D-Druck von Taschentüchern immer erfolgreicher. Mit einfacheren Organen wie der Haut wurden bereits bedeutende Fortschritte erzielt. Bei 3D-gedruckten Organen wie Herzen, Lebern und Nieren bedeutet die mikroskopische Größe der Kapillaren jedoch, dass wir wahrscheinlich Jahrzehnte von transplantierbaren Organen entfernt sind.

Wir können eine Gesellschaft schließen, in der der 3D-Druck neuer Organe üblich ist, was unsere Lebensdauer erheblich verlängert. Wissenschaftliche Durchbrüche treten ständig auf, und wenn sich der 3D-Druck verbessert und präziser wird, können wir möglicherweise den Organmangel mit 3D-gedruckten Organen beheben.

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• 3D-Druck in der Stomatologie
• Anwendung des 3D-Drucks für medizinische Zwecke