Insulinproduzierende Zellen aus dem 3D-Drucker

Der 3D-Druck eröffnet unendliche Möglichkeiten – nicht nur für die Industrie, sondern auch für die Medizin. In einem länderübergreifenden Projekt wurde nun Gewebe produziert, das Insulin produziert und Diabetespatienten und -patientinnen Hoffnung geben könnte.

Gabriel Salg war an dem Projekt beteiligt und erläutert im MEDICA.de-Interview, welche Herausforderungen das Forscherteam bewältigen musste und warum gedrucktes Gewebe nicht mit gedruckten Organen gleichzusetzen ist.

Herr Salg, worum ging es bei dem Eurostars-Projekt 3D-PIVOT?

Gabriel Salg: Projektziel von 3D-PIVOT war die Entwicklung und Validierung eines Konzepts zur Herstellung von funktionalem insulinproduzierendem Gewebe mittels 3D-Biodruck. Obwohl die experimentellen Arbeiten nur in vitro durchgeführt wurden, sollte von Beginn an ein skalierbares Herstellungs- und Applikationskonzept für eine perspektivische Anwendung im Menschen bedacht werden.

Gemeinsam mit den Projektpartnern aus Deutschland (ASD Advanced Simulation and Design, Rostock und INOVE DE, Heidelberg) wurden verschiedene Software-Module entwickelt, die es erlauben, ein 3D-Modell für den Biodruck bereits vor der Fertigung durch komplexe Simulationen in silico auf seine Eignung hin zu evaluieren. Dadurch konnte ein Konzept für ein hybrides Insulin-produzierendes Device erstellt werden. Der rumänische Technologiepartner LTHD Ltd., Timisoara, entwickelte einen neuartigen 3D-Biodrucker.

Welche Erfolge konnten Sie verzeichnen?

Salg: Es konnte erfolgreich ein Bottom-Up Tissue Engineering-Konzept für insulinproduzierendes Gewebe erstellt werden. Insulin-produzierende Zellen wurden in ein Hydrogel integriert und mit Hilfe eines 3D-Biodruckers reproduzierbar und präzise gedruckt. In der nachfolgenden Kultivierung der Zellen konnten wir beobachten, wie sich aus den ursprünglichen Einzelzellen im Gel Zellcluster formten. Dies kann nicht durch konventionelle 2D-Zellkultur erzielt werden, sondern ist auf die spezifische 3D-Umgebung des Hydrogels zurückzuführen.

Die Zellcluster produzieren Insulin, analog zu den Langerhans’schen Inseln in der menschlichen Bauchspeicheldrüse. Wachstum, Überleben und Funktion der Zellcluster konnte experimentell bewiesen werden – auch durch Stimulation mit Glukose. In weiteren Versuchen in befruchteten Hühnereiern konnte untersucht werden, inwiefern neue Gefäße in die 3D-biogedruckten Strukturen einwachsen und ob die Zellen über einen längeren Zeitraum hinweg ohne Zufuhr von Kulturmedium und Nährstoffe überleben. Ein extensives Gefäßwachstum beziehungsweise die Neubildung von Gefäßen konnte festgestellt werden.

Die erfolgreichen Ergebnisse, die wir in den vergangenen Jahren erreichen konnten, müssen in kommenden Projekten in vivo, also im Tierversuch reproduziert werden, um entsprechend guter wissenschaftlicher Praxis belastbare Aussagen treffen zu können.

Wie funktioniert der 3D-Druck von Organen?

Salg: In dem von uns entwickelten und verwendeten 'Bauklotz'-System werden einzelne modulare Bestandteile mit 3D-Biodruck gefertigt. Diese sollen perspektivisch zu einem funktionalen Organersatz zusammengesetzt werden. Dabei steht die Funktion des Organersatzes über seiner Form, der Ersatz sieht also möglicherweise nicht wie sein natürliches Vorbild aus.

Prinzipiell kann man sich 3D-Biodruck vorstellen wie eine automatisierte Pipette, die im dreidimensionalen Raum hochpräzise bewegt werden kann und an bestimmten Stellen definierte Volumina einer Biotinte abgibt. Biotinte bezeichnet man die Mischung aus lebendigen Zellen und einer Gel-Komponente.

Vor welchen Herausforderungen standen Sie während des Projekts?

Salg: Eine Methodik zu etablieren, in welcher die doch sehr fragilen Insulin-produzierenden Zellen in eine Biotinte integriert und gedruckt werden konnten ohne bei diesem Prozess zu versterben, war nicht einfach.

Die Wahl der Biotinte und das Aushärtungsverfahren dieses zunächst flüssigen Materials stehen in einem dauerhaften Spannungsfeld. Wird ein zu 'dichtes' oder zu stark vernetztes beziehungsweise ausgehärtetes Gel verwendet, gelangen zu wenig Sauerstoff und Nährstoffe zu den Zellen. Wird ein zu durchlässiges Gel gewählt oder nicht ausreichend ausgehärtet, so geht der für die zelluläre Entwicklung hochrelevante Effekt der 3D-Umgebung verloren. Auch das kann relevante Folgen für die Zellen haben und in einer besonderen Form des Zelltods münden. Wenn das Gel zu flüssig ist, kann ein Formerhalt der 3D-gedruckten Struktur nicht mehr gewährleistet werden.

Wann wird so eine Bauchspeicheldrüse wirklich für den Menschen nutzbar sein?

Salg: Im 3D-PIVOT Projekt wurde nur der endokrine Anteil des Organs betrachtet. Genauer wurde eigentlich nur die insulinproduzierende Funktion des Pankreas' zu reproduzieren versucht. Die Bauchspeicheldrüse als Ganzes ist ein komplexes Organ mit einer Vielzahl an Funktionen. In der wissenschaftlichen Fachwelt herrscht kein Konsens, ob ein biogedrucktes Organ jemals im Menschen verwendet werden wird. Daher wäre eine Abschätzung des Zeithorizonts reine Spekulation und damit unwissenschaftlich.

Was denken Sie, wann der 3D-Druck von Organen flächendeckend eingesetzt wird?

Salg: Ob der 3D-Biodruck zur Herstellung von Organen jemals flächendeckend eingesetzt werden wird, ist Spekulation. Die plakative Darstellung des 3D-Drucks von Organen sollte immer mit Vorsicht betrachtet und beurteilt werden. In seinen Abstufungen gibt es bereits heute Anwendungen aus dem Fachgebiet des Tissue Engineering, die kurz vor der Marktreife stehen oder dies bereits sind. Von der Herstellung von funktionalen Geweben, die der Größe eines soliden Organs wie etwa Bauchspeicheldrüse oder Leber entsprechen und darüber hinaus noch durchblutet sind, ist die Wissenschaft aber noch weit entfernt. Neben biologischen und medizinischen Aspekten werden auch ethische, rechtliche und wirtschaftliche Fragen für eine Anwendung im Menschen von Bedeutung sein. Sie sollten uns bereits heute beschäftigen.