Bioprinting: Wie 3D-Druck die Medizin verändert
Selbst mit einer Pinzette ist die künstliche Baby-Herzklappe kaum zu fassen – so winzig ist sie. Und doch sei alles vorhanden, was ein Arzt zum Einnähen brauche, erklärt Ute Schepers vom Institut für Funktionelle Grenzflächen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Gedruckt wurde die Herzklappe in einem modernen 3D-Drucker. Das Ausgangsmaterial stammt von Kollagen produzierenden Bakterien. "Eigentlich war das mal als Lippenfüller gedacht", sagt die Abteilungsleiterin Chemische Biologie. In künftigen Anwendungen werde dies mit patienteneigenen Zellen ergänzt.
Hoffnungsträger Bioprinting: Ein Werkzeug für die Zukunft?
In das sogenannte 3D-Bioprinting setzen viele große Hoffnungen. Nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) könnte es dabei helfen, Herausforderungen wie die Reparatur oder den Ersatz menschlicher Organe und Gewebe zu bewältigen.
Wie genau funktioniert Bioprinting?
Bioprinting entwickelte sich vor rund 20 Jahren als Forschungsfeld. Mit 3D-Druckverfahren werden lebende Zellen zusammen mit Hilfsstoffen, die ein Gerüst bilden, zu größeren Gewebestrukturen "gedruckt". Dafür existieren verschiedene Verfahren. Beim Inkjetverfahren etwa werden sogenannte Biotinten als winzige Tröpfchen über mehrere Druckköpfe schichtweise auf ein Substrat aufgetragen.
Was bedeutet das konkret in der Praxis?
Am KIT forscht man unter anderem an der Hornhaut des Auges, der sogenannten Cornea. Ziel ist es, maßgeschneiderte, funktionstüchtige Hornhäute zu entwickeln, die für Menschen mit Cornea-Erkrankungen ein minimales Risiko einer Abstoßungsreaktion darstellen.
Laut Schepers liegt das daran, dass die verwendeten Zellen vom Patienten selbst stammen. Aus einem kleinen Hautstück könnten innerhalb von etwa vier Wochen sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen gewonnen werden. Daraus könnten sich unterschiedliche Zelltypen bilden – etwa für die Cornea.
Organe aus dem Drucker: Wie realistisch ist das?
Nein. Auch wenn 3D-gedruckte Organteile wie Haut oder Knorpel teilweise schon erfolgreich eingesetzt wurden, reichen die derzeitigen Materialien und Methoden bei weitem nicht aus, wie es in einer Publikation vom Oktober 2023 des damaligen Bundesforschungsministeriums (BMBF) heißt. "Zu komplex und im Detail noch zu wenig verstanden sind der Aufbau und die Funktion menschlicher Organe."
Komplexität im Körper: Wo liegen die Hürden?
Im Labor herrschen sterile Bedingungen, Zellen lassen sich mit Nährlösungen gewissermaßen düngen, wie Niels Grabow erklärt. "Aber nach einer Transplantation muss das Konstrukt im Organismus funktionieren", sagt der Sprecher des Fachausschusses Biomaterialien und medizinische Implantate der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik. "Auf der einen Seite ist das Transplantat im Körper möglicherweise mit Blut in Kontakt, während es auf der anderen mit Gewebszellen interagiert."
Die Cornea sei mehr oder weniger zweidimensional, sagt Grabow, der ebenfalls am Institut für Biomedizinische Technik der Universitätsmedizin Rostock zur Hornhaut forscht. "Da hat man gute Chancen, die Versorgung vergleichsweise gut sicherzustellen."
Je tiefer man jedoch in den Körper vordringe und je größer die Organe seien, desto schwieriger werde etwa die Einbindung in Blutgefäße, erklärt er und nennt als Beispiel die Leber. "Da sprechen wir von einem Kilogramm-schweren Organ und nicht von einer dünnen Zellschicht."
Einheitliche Standards: Woran es technisch noch fehlt
Das neue Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) betont, dass Materialien und Prozesse standardisiert und reproduzierbar sein müssten, damit jeder Druckvorgang ein vergleichbares Ergebnis liefert. Im Mai wurde dazu nach zwei Pilotprojekten eine Richtlinie des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) veröffentlicht. "Auf diese Weise wurde ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur standardisierten Anwendung des Bioprintings erreicht."
Einsatz am Menschen: Erste Studien und Anwendungen
Bislang beschränkt sich dies laut Grabow auf Einzelstudien – etwa zur Hornhaut. "Hier sind die Hürden vergleichsweise niedrig, um an Patienten zu gehen, da das Transplantat von außen zugänglich bleibt." Meist umfassen die Studien daher nur wenige Betroffene.
"Ein großer Teil aktueller Studien befasst sich mit der Herstellung spezifischer Gewebe wie Knochen, Knorpel, Haut oder anderer Organe", heißt es in der BMBF-Broschüre. Erste Anwendungen wie die Transplantation einer 3D-gedruckten Ohrmuschel aus patienteneigenen Zellen seien bereits umgesetzt.
Weitere Chancen: Forschung ohne Tierversuche?
Das Bundesgesundheitsministerium nennt die Untersuchung von Krankheiten wie Krebs im Labor als Beispiel. "Hierbei werden geeignete Gewebemodelle gedruckt, um spezifische Wirkstoffe und neue Behandlungsmethoden beispielsweise zur Krebstherapie zu testen."
Forscherin Schepers sieht in dem sogenannten veganen Kollagen, mit dem das KIT arbeitet, zudem eine vielversprechende Alternative zu Tierversuchen.
Auch für Tiere: Neue Perspektiven in der Tiermedizin
Grabow sieht hier großes Potenzial – sowohl für die Forschung als auch für die Anwendung: "Man kann nicht alles in Zellkulturen studieren", sagt er. Da auch Haustiere unter Cornea-Erkrankungen leiden können, ließen sie sich in Studien integrieren – und im besten Fall direkt behandeln, ohne zusätzliche Tierversuche.
Regulierungsrahmen: Was ist erlaubt, was nicht?
Viele Fragen sind laut Grabow noch offen. Dabei gehe es etwa um die Herkunft der Zellen: Müssen sie vom Patienten selbst stammen, kommen Spenderzellen infrage, lassen sich Stammzellen einsetzen? Die EU sei dabei, das stärker zu regulieren. "Hier muss man schauen, welche Brücken man gehen kann", sagt er. Gibt es beispielsweise Ausnahmen für Heilversuche bei Schwerstkranken, bei denen etablierte Therapien versagen?
Die WHO schreibt in einem Bericht, die Regulierung sei herausfordernd wegen der neuartigen Kombinationen und Formen medizinischer Eingriffe, die diese Technologie ermögliche. Das Bundesgesundheitsministerium erklärt: "In Anbetracht des frühen Entwicklungsstadiums von Bioprinting-Produkten ist ein Bedarf für regulatorische Anpassungen derzeit nicht erkennbar."
Bioprinting als Trend: Forschung, Geld, Patente
Trotz aller Herausforderungen hat das Forschungsfeld deutlich an Fahrt aufgenommen. "Die Anzahl der jährlichen wissenschaftlichen Publikationen zum Thema hat sich weltweit in den letzten zehn Jahren auf derzeit rund 1.000 verdreißigfacht", heißt es im BMBF-Bericht. Das neue BMFTR verweist auf ein Anfang 2025 veröffentlichtes Materialforschungsprogramm. Bei den dazu geplanten Fördermodulen solle der Fokus voraussichtlich noch stärker auf Aspekte des Bioprintings gelegt werden.
Grabow berichtet von sehr vielen Bewerbungen für Forschungsgelder. Bei einer Ausschreibung der EU im vergangenen Jahr seien selbst Projekte mit bester Bewertung nicht berücksichtigt worden.
Auch das wirtschaftliche Interesse belege den Trend: Firmen investierten viel Kapital in die Forschung. "Da stecken viele Hoffnungen drin", sagt Grabow. Zudem würden zahlreiche Patente in dem Bereich angemeldet.
