Jedes Jahr sterben Tausende von Menschen, die auf eine Organtransplantation warten, und weitaus mehr werden von kranken Organen geplagt. Menschen mit Rückenmarksverletzungen leiden unter vielen anderen gesundheitlichen Problemen, weil sie sich nicht mehr bewegen und gehen können. Und während wir die Fähigkeiten von Chirurgen bewundern, die ein Gesicht oder eine Hand transplantieren können, sind die Ergebnisse bei weitem nicht perfekt.
Tissue Engineering vereint mehrere Disziplinen, um lebendes Gewebe zu schaffen, das Haut, ein versagendes Organ oder ein beschädigtes oder fehlendes Körperteil ersetzt oder repariert.
Jay Vacanti und Robert Langer sind weithin als Pioniere des Tissue Engineering anerkannt. Dr. Vacanti, Leiter des Zentrums für Regenerative Medizin am Massachusetts General Hospital, ist auch Leiter der pädiatrischen Transplantation am MGH. Nachdem er beobachtet hatte, wie viel zu viele Kinder beim Warten auf eine Lebertransplantation starben, suchte er nach einer Möglichkeit, Lebergewebe zu züchten. Also tat er sich mit dem Langer Lab am MIT zusammen. Durch die Implantation eines mit Leberzellen besetzten Polymergerüsts in kranke Ratten können sie nun neues Lebergewebe innerhalb von Wochen wachsen und funktionieren lassen.
Bis vor kurzem schien es unmöglich, sich vorzustellen, dass Menschen mit geschädigten Wirbelsäulen oder Stimmbändern eines Tages wieder gehen oder singen könnten. Biomedizintechniker sehen darin jedoch nur eine Herausforderung, die es zu bewältigen gilt.
In Zusammenarbeit mit Dr. Vacanti schnitten Wissenschaftler des Langer Labors die Wirbelsäule von Ratten ab und machten sie dadurch querschnittsgelähmt. Anschließend verwendeten sie Stammzellen von anderen Ratten, um das fehlende Stück Rückenmark auf Polymergerüsten wachsen zu lassen. Nachdem die gelähmten Ratten das künstliche Rückenmark erhalten hatten, konnten sie wieder laufen, wenn auch mit einem leichten Hinken.
Gerüste
Zellkulturen werden seit langem in Petrischalen gezüchtet, aber diese Methoden erzeugen Klumpen von Zellen, die im menschlichen Körper keinen funktionellen Zweck erfüllen. Gerüste bieten sowohl Form als auch Halt für wachsendes Gewebe. Diese Gerüste, die aus biokompatiblen, biologisch abbaubaren Polymeren bestehen, müssen die räumliche Ausrichtung bestimmter Zelltypen aufnehmen und lenken.
Diese Methode ist relativ einfach, wenn wir einfach nur Knorpel erzeugen wollen, der kein Gefäßsystem benötigt. Wenn wir jedoch hoffen, eines Tages „Ersatzteile“ zu erzeugen, müssen wir in der Lage sein, komplexe, natürlich vorkommende Strukturen zu schaffen, die mehrere Zelltypen beherbergen und sich selbst mit Nährstoffen versorgen können.
Um ein Gerüst zu konstruieren, das eine voll funktionsfähige 3D-Zellmatrix tragen kann, werden Bionanotechnologien eingesetzt. Einzelne 2D-Platten werden konstruiert und geschichtet, um das Zusammenspiel eines Organs und seines Gefäßsystems nachzuahmen.
Aussaat
Die Gerüste werden dann mit Zellen besiedelt, die in Petrischalen gewachsen sind. Diese Zellen können entweder von einer Stammzelllinie oder einem Spender – im Idealfall dem Empfänger des Transplantats – stammen. Das Zell-Gerüst-Konstrukt wird dann in ein Medium getaucht, das die Zellen zum Wachstum und zur Vermehrung anregt. Während sich die Zellen vermehren, nehmen sie die Form des Gerüsts an, das sich schließlich auflöst und vom Gewebe absorbiert wird.
Stammzellen
Erwachsene Stammzellen können aus verschiedenen Zelltypen gewonnen werden, darunter Blut-, Knochen-, Muskel-, Haut-, Gehirn- und Leberzellen sowie Haarfollikel. Die Isolierung und Kultivierung dieser Zellen ist jedoch schwierig. Und es ist nicht klar, ob sich adulte Stammzellen wirklich differenzieren können. Embryonale Stammzellen hingegen können sich sogar noch auf dem Gerüst differenzieren. Aber Zellen, die sich zum Zeitpunkt der Transplantation noch nicht differenziert haben, könnten sich zu Tumoren entwickeln.
Abstoßung
Einige Gewebetypen werden vor der Implantation im Labor gezüchtet, während andere die Hilfe des Körpers benötigen, um zu gedeihen. Und wenn das Gewebe einmal eingepflanzt ist, besteht immer die Sorge, dass es abgestoßen wird. Das Langer-Labor arbeitet auch an einer Methode zur zeitlich abgestimmten Verabreichung von Immunsuppressiva, die nur an der Transplantationsstelle eingesetzt werden, um eine Beeinträchtigung des Immunsystems des Patienten zu vermeiden.
Herausforderungen
Neben der Blutversorgung, der richtigen Differenzierung der Stammzellen und der Vermeidung von Abstoßungsreaktionen gibt es noch weitere Herausforderungen, die bewältigt werden müssen. Um die Blutversorgung sicherzustellen, muss das Gerüst mit verschiedenen Zelltypen besiedelt werden – und nicht alle diese Zelltypen wachsen gleich schnell. Vaskuläres Gewebe wächst tendenziell langsamer und muss daher innerhalb des Gesamtgerüsts vorgefertigt werden. Und das Endprodukt muss so aussehen und funktionieren, wie es die Natur vorgesehen hat. Außerdem muss das Produkt so aussehen und funktionieren, wie es die Natur vorgesehen hat.
Reale Anwendungen
Neben dem Ersatz fehlender oder geschädigter Organe und Gewebe könnten künstliche Gewebe auch dazu verwendet werden, die Wirkung von Medikamenten zu testen. Und einige Schönheitschirurgen beobachten die Entwicklungen in der Gewebezüchtung mit dem Ziel, die Möglichkeiten der rekonstruktiven Chirurgie zu erweitern.
Forscher haben bereits Gewebe aus allen möglichen Organen hergestellt. Durch die Anwendung technischer Prinzipien könnten wir bald lebendes Fleisch sehen, das genauso aussieht wie das echte – weil es das echte ist.
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