Haut und Knochen aus dem 3D-Biodrucker

Ersatzteile für den Menschen

OHB Redaktionsteam
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von OHB Redaktionsteam, OHB SE

Welches ist das komplexeste menschliche Organ? Wenn man über diese Frage nachdenkt, wird man wahrscheinlich recht bald auf genau das Organ kommen, das man gerade zum Nachdenken benutzt: das Gehirn. Das Gehirn ist unvorstellbar komplex, aber auch die übrigen menschlichen Organe haben es in sich. Der Mensch bewegt sich, wächst, tauscht Stoffe mit der Umgebung aus, pflanzt sich fort und interagiert mit seiner Umwelt. Kurz: Er lebt. Und dafür braucht er spezialisierte Organe. Im Verlauf der Evolution haben diese Organe einen hohen Grad an Effizienz und Anpassungsfähigkeit entwickelt und somit das Überleben der Spezies Mensch gesichert. In ihrer Funktionalität sind sie dabei eng an die spezifischen Umweltbedingungen auf dem Planeten Erde geknüpft: Der Mensch ist ein irdisches Lebewesen, das sich im Verlauf der Evolution an die Lebensbedingungen auf der Erde angepasst hat. Auf allen bisher erreichbaren außerirdischen Reisezielen, dazu zählen in erster Linie Mond, Mars und die ISS, herrschen andere Bedingungen, die den menschlichen Organismus vor besondere Herausforderungen stellen.

Das irdische Leben wurde von der Schwerkraft geformt

Erde, Mond und Mars sind natürliche Himmelskörper, die eine ihrer Masse entsprechende Schwerkraft besitzen. Die ISS ist hingegen ein künstlicher Trabant der Erde, der sich dauerhaft im freien Fall um die Erde herum befindet und auf dem aus diesem Grund Schwerelosigkeit herrscht.

Für das irdische Leben ist die Schwerkraft der Erde seit seinen Anfängen vor etwa 3,8 Milliarden Jahren konstant und damit ein maßgeblicher Designfaktor gewesen. Auch wenn wir es im Alltag nicht merken, wird unser Körper ständig von der Schwerkraft beeinflusst. Bei veränderter Schwerkraft und insbesondere in Schwerelosigkeit treten aus diesem Grund bereits nach kurzer Zeit gesundheitliche Beeinträchtigungen auf.

Ein Faktor ist dabei die veränderte Belastung von Knochen und Muskulatur. Da es sich im Verlauf der Evolution als Vorteil erwiesen hat, sparsam mit den vorhandenen Ressourcen umzugehen, werden nicht belastete Strukturen bereits nach kurzer Zeit vom Körper abgebaut. In Schwerelosigkeit treten deshalb bereits nach kurzer Zeit Muskelschwund und eine Abnahme der Knochendichte auf.

Auch ist das Herz-Kreislauf-System darauf ausgelegt, das Blut aus den Beinen gegen die Schwerkraft zurück zum Herzen zu pumpen. In Schwerelosigkeit führt dieser Mechanismus dazu, dass sich das Blut im Kopf sammelt. Kopf und Gesicht schwellen dadurch an, was von den Astronauten als unangenehm empfunden wird.

Ein ähnlicher Effekt betrifft das Gehirn: In Schwerelosigkeit kann die Cerebrospinalflüssigkeit, das Gehirnwasser, nicht ungehindert abfließen. Dadurch wird Druck auf das Gehirn ausgeübt, was mit Kopfschmerzen, Sehstörungen und einer Abnahme der kognitiven Fähigkeiten einhergeht.

Darüber hinaus hat eine veränderte Schwerkraft auch Auswirkungen auf den Gleichgewichtssinn. In Schwerelosigkeit können unten und oben nicht mehr unterschieden werden, was dazu führt, das Astronauten nach einiger Zeit die Fähigkeit zum aufrechten Stand verlieren. Zudem verursachen die fehlenden Lageinformationen häufig vorübergehende Übelkeit und Koordinationsprobleme. Koordinationsstörungen treten auch in verminderter Schwerkraft auf. So kam es aufgrund der fehlenden Bodenhaftung bei den Apollo-Missionen auf dem Mond häufig zu Stürzen der Astronauten.

Ein weiteres Problem ist das „Weltraumfieber“, ein Anstieg der Körpertemperatur in Schwerelosigkeit aufgrund von fehlender Verdunstungskälte: Schweiß verbleibt auf der Haut und bildet sehr große Schweißtropfen, die aufgrund des ungünstigen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses kaum verdunsten. Das bedeutet, dass die Körpertemperatur von Astronauten bei körperlicher Belastung leicht auf über 40 °C ansteigen kann.

Schwerwiegend sind auch die Auswirkungen der Kombination von fehlender Schwerkraft und erhöhter Strahlungsbelastung auf das Immunsystem und die Fähigkeit zur Wundheilung. Astronauten sind anfällig für Infekte und leiden unter Wundheilungsstörungen. Gleichzeitig verringert sich während langer Aufenthalte im Weltraum die Vielfalt der Mikroorganismen, mit denen die Astronauten in Kontakt kommen. Das Immunsystem passt sich an den geringeren Infektionsdruck an, was dazu führt, dass bei Rückkehr zur Erde die Anfälligkeit für Infektionen deutlich erhöht ist.

Kurz: Der Aufenthalt im All macht krank. Und dieser Effekt gewinnt mit zunehmender Missionsdauer immer weiter an Bedeutung. Insbesondere bei der Planung von Flügen zum Mars oder gar Siedlungsprojekten auf fremden Planeten müssen die gesundheitlichen Gefahren von Weltraumreisen berücksichtigt werden und sind kritisch für den Missionserfolg.

Im All gibt es keinen Rettungsdienst

Von der ISS ist die Erde in wenigen Stunden erreichbar. Ein Rückflug vom Mond dauert bereits mehrere Tage und die Reise Erde - Mars - Erde nimmt mit der bisher verfügbaren Antriebstechnologie noch ungefähr 3 Jahre in Anspruch. Auch die Kommunikation zwischen Erde und Mars wird durch die Entfernung verzögert: Nachrichten brauchen in jede Richtung etwa 20 Minuten, bis sie beim Empfänger ankommen. Das bedeutet, dass bei medizinischen Notfällen auf Mond oder Mars von der Erde aus keine rechtzeitige Hilfe geleistet werden kann.

Bisher erhalten alle Astronauten lediglich ein medizinisches Basistraining. Dieses umfasst die Diagnose häufig auftretender Krankheiten und die Erstversorgung von Wunden, reicht zur Behandlung schwerwiegenderer Verletzungen aber nicht aus. Da aus Platz- und Kostengründen zudem nur begrenzt Ausrüstung ins All gebracht werden kann, ist es kaum möglich, auf alle Eventualitäten vorbereitet zu sein. Aus diesem Grund ist die bisher im All verfügbare medizinische Ausstattung eher rudimentär.

Bauteile und Implantate aus dem 3D-Drucker

Abhilfe für dieses Problem könnte die additive Fertigung schaffen. Mit dem auch als 3D-Druck bezeichneten Verfahren lassen sich mit verschiedenen Fertigungstechniken Bauteile aus unterschiedlichsten Materialien im Bedarfsfall auf Knopfdruck herstellen. Dazu benötigt werden lediglich der passende 3D-Drucker, das Rohmaterial und eine entsprechende digitale Skizze. Dadurch können auch kompliziert geformte Bauteile mit hoher Präzision und im Vergleich zu den klassischen Methoden der Zerspanung geringem Materialverbrauch erzeugt werden.

Während die Verarbeitung „klassischer“ Materialien wie Kunststoff, Metall oder Keramik mit einem neuartigen Fertigungsverfahren naheliegend erscheint, klingt die Vorstellung, lebendes Material zu drucken und ganze Organe aus dem 3D-Drucker zu ziehen, erst einmal weit hergeholt. Nichtsdestotrotz haben verschiedene wissenschaftliche Arbeitsgruppen Möglichkeiten gefunden, genau das zu tun.

Eine Herausforderung stellt dabei der komplexe Aufbau der meisten Organe aus vielen verschiedenen Zelltypen dar. Zudem kommunizieren die Zellen in funktionsfähigen Geweben ständig miteinander, sind über Nervenfasern mit anderen Organen verbunden und werden durch ein fein verästeltes Blutgefäßsystem versorgt. Einfacher zu drucken sind Gewebe, die nur aus wenigen Zelltypen bestehen und relativ homogen aufgebaut sind. Dazu zählen beispielsweise Knorpel, Haut und bestimmte Knochentypen. Während bis zum ersten voll funktionsfähigen 3D-gedruckten Herzen noch ein langer Weg zu beschreiten ist, können Knorpel, Haut und Knochen bereits in transplantierbarer Qualität erzeugt werden.

3D-Biodruck bei OHB

In der Life-Science-Abteilung von OHB wird das Thema unter dem Titel „3D-Druck von lebendem Gewebe für die Weltraumforschung“ seit 2018 bearbeitet. Gefördert durch das Discovery-and-Preparation-Programm der ESA wurden in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und der OHB-Tochterfirma Blue Horizon Verfahren entwickelt, um Haut und Knochen unter Weltraumbedingungen zu drucken.

Als Ausgangsmaterial zur Erzeugung von druckbarem lebendem Material dienen dabei kleinste Gewebeproben, aus denen dann die passenden Zellen gewonnen werden. Zellen aus der Lederhaut, der Dermis, werden zum Beispiel als Ausgangsmaterial für den Druck von Haut verwendet. Als flüssige Grundlage für die Herstellung der für den Druck benötigten „Biotinte“ kommt Blutplasma zum Einsatz. Da dieses für den Druck unter veränderten Gravitationsbedingungen jedoch eine zu flüssige Konsistenz aufweist, werden zur Erhöhung der Viskosität Methylcellulose (Cellulosederivat) und Alginat (Strukturelement der Zellwände von Braunalgen) hinzugegeben. Aus dieser nährstoffreichen Mischung kann anschließend Schicht für Schicht das Hautgewebe aufgebaut werden. Bislang können auf diese Weise Hautstücke bis zur Größe eines DIN-A4-Blattes gedruckt werden. Frisch aus dem Drucker benötigen diese noch eine Inkubationsphase von wenigen Stunden, um heranzureifen und intrazelluläre Verbindungen aufzubauen. Ist auch diese Phase abgeschlossen, ist die Haut bereit zur Transplantation. Die zeitlichen Abläufe sind dabei so kurz, dass auch ein Patient mit frischen Verletzungen mit aus eigenen Zellen hergestellter Haut behandelt werden kann.

Ein Vorteil der gedruckten Haut im Vergleich zu autologen, das heißt, aus gesunden Hautarealen des Patienten entnommenen Transplantaten, ist, dass dem Patienten keine weitere Wunde zugefügt werden muss. Dies ist insbesondere unter Weltraumbedingungen, unter denen Wunden schlechter verheilen, von Bedeutung. Dadurch, dass das Transplantat aus körpereigenen Zellen generiert wird, besteht trotzdem nur eine geringe Abstoßungsgefahr.

Für den Druck von Knochen wird als Nähr- und Trägermedium wiederum Blutplasma verwendet, in das zum Beispiel aus Fettgewebe gewonnene mesenchymale Stammzellen eingebracht werden. Diese sind multipotent, das bedeutet, dass sie sich zu verschiedenen Gewebetypen differenzieren können. Als strukturgebendes Element wird Calciumphosphat-Knochenzement verwendet. Die lebenden Zellen werden in das Gitter aus Knochenzement eingedruckt und bauen dieses nach und nach in vitales Knochengewebe um. Der Vorgang entspricht der auch in gesundem Knochen permanent ablaufenden Knochengeweberemodellierung. Auf diese Weise wurde bereits ein funktionstüchtiger Mittelhandknochen gedruckt. Dabei ist es von Vorteil, dass Datensätze aus bildgebenden Verfahren, zum Beispiel CT oder MRT, in die Erstellung der 3D-Modelle miteinfließen können und dadurch individuell auf den Patienten zugeschnittene Implantate gefertigt werden können.

Um zu zeigen, dass die entwickelten 3D-Biodruck-Verfahren weltraumtauglich sind, wurden sowohl die Haut- als auch die Knochenproben auch auf dem Kopf stehend gedruckt. Dieser Test beweist, dass der Druck von Transplantaten auch bei veränderten Gravitationsbedingungen möglich ist und somit theoretisch auch an Bord von Raumschiffen oder auf fremden Planeten eingesetzt werden kann.

Dies würde vor allem auf Langzeitmissionen eine flexible Reaktion auf medizinische Notfälle ermöglichen. Blutplasma und lebende Zellen können dem Patienten im Bedarfsfall oder bereits vorab entnommen und auf Vorrat gehalten werden. Auf Langzeitmissionen ist die Mitnahme von biologischem Material zur Gewinnung von nachwachsenden Ressourcen ohnehin unabdingbar, sodass auch die für die Biotinte benötigten Zusatzstoffe im All gewonnen werden können. 3D-Biodrucker können bereits zum jetzigen Zeitpunkt in handlichem Format gebaut werden. Dies erlaubt die Benutzung auch unter den beengten Verhältnissen einer Weltraummission.

Der 3D-Biodruck als Spielart der regenerativen Medizin stellt somit eine Technologie dar, die sowohl für Explorationsmissionen zu fremden Planeten als auch für die Anwendung auf der Erde großes Potenzial birgt. Bis zum Aufbruch der Menschheit in Richtung Mars hat die Technologie noch einige Jahre Zeit, weiter auszureifen. Dr. Klaus Slenzka, Leiter der Abteilung Life Sciences bei OHB, ist davon überzeugt, dass es in der näheren Zukunft gelingen wird, auch komplexere Organe, zum Beispiel Leber, Niere oder Herz, zu drucken.

Und ein menschliches Gehirn? Da ist Slenzkas Prognose vorsichtiger: „Das menschliche Gehirn ist eine extrem komplexe Struktur basierend auf wiederum extrem komplexen Nervenzellen. Nervenzellen differenzieren sich, lassen Kontakte zu anderen Zellen wachsen, lösen diese wieder und stellen anschließend einen Kontakt zu einer anderen benachbarten Zelle her. Zudem besitzt das Gehirn mit der Blut-Hirn-Schranke einen besonderen Schutzmechanismus, der gleichzeitig die Nährstoffversorgung der Gehirnzellen sicherstellt. EIN Gehirn irgendwann in der Zukunft zu drucken, ja, das wird wohl gehen. Aber wie verschalten sich die Zellen und was passiert dann? Darauf gibt es keine Antwort. Und was nützt uns ein gedrucktes Gehirn, von dem wir nicht wissen, wie es sich nach dem Druck verhält?“

EIN Gehirn irgendwann in der Zukunft zu drucken, ja, das wird wohl gehen. Aber wie verschalten sich die Zellen und was passiert dann? Darauf gibt es keine Antwort.

Klaus Slenzka, Leiter der Abteilung Life Sciences bei OHB