Tissue Engineering: Menschliche Gewebe aus dem Labor

  • Abb. 1: Zyklus des Tissue EngineeringAbb. 1: Zyklus des Tissue Engineering
  • Abb. 1: Zyklus des Tissue Engineering
  • Abb. 2: Schema zur Herstellung eines Implantats zur Rekonstruktion der Luftröhre

Tissue Engineering - Menschliche Gewebe aus dem Labor

Herzklappe, Knochen, Luftröhre, Niere - der Bedarf an menschlichen Geweben für den Ersatz, die Rekonstruktion oder die Unterstützung ausgefallener oder beschädigter Organe ist groß. Das Tissue Engineering, die Entwicklung von funktionellen Implantaten im Labor, kann hier als Alternative zu der knappen Ressource der menschlichen Spenderorgane dienen.

Einführung

Für die Herstellung von menschlichen Geweben außerhalb des Körpers wird dem Patienten ein kleines Gewebebiopsat entnommen und für die Isolation von Zellen genutzt. Diese Zellen lassen sich mithilfe von Zellkulturtechniken vermehren und anschließend für die Besiedlung einer biologischen oder synthetischen Trägerstruktur oder direkt für eine Zelltherapie nutzen (Abb. 1). Diese Methode hat gegenüber der Allotransplantation, also der Transplantation von Gewebe eines Menschen in einen anderen Menschen, den Vorteil, dass durch die Verwendung patienteneigene Zellen auf eine lebenslange Immunsuppression verzichtet werden kann.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für menschliche Gewebe aus dem Labor ist der Einsatz als Testsystem in der pharmakologischen, toxikologischen, kosmetischen oder auch der Grundlagenforschung. Alle neuen Medikamente und Substanzen sind vor der Zulassung für die Anwendung am Menschen hinsichtlich ihrer Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit zu testen. Mangels gleichwertiger Alternativ­methoden sind Tierversuche hierzu ein wichtiges Standardinstrument. Aufgrund artspezifischer Unterschiede sind die Ergebnisse jedoch nicht in jedem Fall eins zu eins auf den Menschen übertragbar, was das unentdeckt bleiben von Nebenwirkungen einerseits oder auch Ausbleiben von Wirkungen andrerseits zur Folge haben kann. Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart in der Abteilung Zellsysteme unter der Leitung von Frau Prof. Walles wird deshalb intensiv an der Entwicklung von humanen Testsystemen gearbeitet.

Einige Gewebemodelle, wie das der Haut oder des Darms, sind bereits für Biokompatibiltäts- und Bioverfügbarkeitstests zugelassen.

Andere Testsysteme, z. B. Leber, Niere, Knochen oder Luftröhre befinden sich noch in unterschiedlichen Stufen der Entwicklung.

Aufbau künstlicher Organe

Doch wie entsteht ein menschliches Gewebe im Labor? Welche Bausteine werden benötigt, wie sind sie zusammenzusetzen und wie reift daraus zum Beispiel ein Stück Knochen oder Luftröhre? Das sind Fragen, die sich die Wissenschaftler weltweit stellen müssen und für die sie mögliche Antworten erforschen.

Biologisches vaskularisiertes Scaffold (Biovasc) mit Gefäßanschlüssen im Glasbioreaktor

Die wichtigsten funktionellen Komponenten der meisten Organe im Körper sind die Zellen. Deshalb ist die Wahl einer funktionellen Zellquelle die Basis für den Aufbau künstlicher Organe. Obwohl viele Zelltypen im Körper hochregenerativ sind, teilen sie sich zum Teil (z. B. Leberepithelzellen) in vitro kaum noch und verlieren bereits innerhalb weniger Tage wichtige Funktionen. Für den Erhalt der in vitro Zellfunktionalität ist deshalb die Nachbildung einer möglichst körperähnlichen Mikroumgebung wichtig. Das beinhaltet eine geeignete Trägerstruktur (Matrix) für die Zellen genauso wie eine ausreichende Versorgung und den Kontakt bzw. die Co-Kultur mit anderen Zelltypen.

Ein entscheidender Forschungsschwerpunkt liegt deshalb auf der Untersuchung von Zell-Matrix-Wechselwirkungen. Dabei wird sowohl der Einsatz natürlicher Matrices, z. B. von Kollagenhydrogelen oder azellularisierten Matrices tierischen Ursprungs, als auch die Synthese künstlicher Matrices aus natürlichen oder synthetischen Komponenten und deren Modifikation durch Anhaftung von Bindungsgruppen oder Wachstumsfaktoren erforscht. Aktuelle Projekte in diesem Bereich beschäftigen sich besonders mit der Testung neuartiger und modifizierter Materialien für den Knochenersatz, den Herzklappenersatz und den Blutgefäßersatz. Die Trägerstrukturen sollten dabei biokompatibel, gegebenenfalls bioabbaubar und nicht immunogen sein. Im Idealfall sollten sie daneben in der Lage sein, eine Blutgefäßeinsprossung zu induzieren und das Zellwachstum zu unterstützen. Des Weiteren sind ganz unterschiedliche organspezifische Anforderungen zu erfüllen: ein Material für Knochenersatz muss beispielsweise eine besondere Festigkeit und Porosität aufweisen, während ein künstliches Blutgefäß elastisch, durchlässig und formstabil sein sollte.

Die Natur macht es vor

Die Nachbildung eines Blutgefäßsystems spielt insbesondere beim Aufbau größerer Gewebe eine wichtige Rolle für die Zellversorgung. In stoffwechselaktiven Organen grenzt in vivo nahezu jede Zelle direkt an eine Kapillare. Das minimiert die Diffusionsstrecken von Nährstoffen und Sauerstoff aus dem Blut und von Abbauprodukten ins Blut. So sichert der Körper die optimale Versorgung seiner Zellen.

Das Blutgefäßsystem mit seinem zahlreichen Verästelungen, dem arteriellen und venösen System, den Adern und Äderchen, die in ihrer Größe von 3,5 cm - 6 µm variieren, gehört zu den herausragenden Entwicklungen in der Evolution und hat nicht nur die Grenzen des Größenwachstums im Tierreich entscheidend erweitert. Sein Nachbau ist gleichzeitig eine der größten Herausforderungen für die Wissenschaftler im Bereich des Tissue Engineering und keiner der bisher entwickelten Ansätze kann die Komplexität des Vorbildes erreichen. Dieser Umstand hat Frau Prof. Walles schon vor über 10 Jahren auf eine Idee gebracht. Wieso ein funktionseingeschränktes Gefäßsystem nutzen, wenn die Natur ein Perfektes vorgibt? Die Grundidee für die „Biological vascularized scaffold" (Biologische Trägerstruktur mit Gefäßsystem) kurz Biovasc war geboren. Sie besteht aus einem 10-15 cm langen Stück Schweinedünndarm mit intaktem Gefäßsystem, einer Zuflussarterie und einer Abflussvene. Von diesem Stück Darm lassen sich alle Schweinezellen chemisch entfernen. Zurück bleibt das formgebende Bindegewebe einschließlich der Gefäßstrukturen.

Da das vaskuläre System der Ausgangsmatrix bei der Präparation erhalten bleibt, steht es zur Nährstoff- und Hormonzufuhr, zum Abtransport von Stoffwechselprodukten und für den Gasaustausch im Gewebe zur Verfügung. Bei der Entwicklung von Implantaten kann das ehemalige Darmlumen ebenso wie die Blutgefäßstrukturen mit entsprechenden Zellen besiedelt und im Zuge der Implantation gegebenenfalls auch an den Blutkreislauf des Patienten angeschlossen werden. Auf diese Weise können auch Gewebestücke implantiert werden, die sonst, ohne eine von Anfang an ausreichende Versorgung, auf Grund ihrer Größe nicht einheilen würden. Für die Wiederbesiedlung der Biomatrix mit Gewebezellen wurde ein automatisierter Bioreaktor entwickelt, in dem die Perfusion der Matrix mit frischem Nährmedium als Blutersatz über den arteriellen Zufluss erfolgt und der Abfluss von verbrauchtem Medium und Abbauprodukten über den venösen Rückfluss geschieht.

Eine mit patienteneigenen Endothelzellen, Muskelzellen und Fibroblasten besiedelte Biovasc konnte 2009 erfolgreich in einem Heilversuch als Implantat zur Rekonstruktion der Luftröhre eingesetzt werden (Abb. 2), wofür Prof. Thorsten Walles 2010 den renommierten Von-Langenbeck-Preis erhielt. Mithilfe einer Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wird deshalb derzeit intensiv an der Etablierung eines GMP-Prozesses zur Herstellung eines auf der Biovasc basierenden Implantates und dessen Zulassung für den Einsatz in weiterführenden klinischen Studien gearbeitet.

Auch bei der Verwendung dieser Trägerstruktur für den Aufbau eines Leber- und eines Darmtestsystems ließ sich ein positiver Effekt der Matrix auf die Anhaftung, Vitalität und Funktionalität der kultivierten Epithelzellen nachweisen. Bei der Verwendung als Testsystem bietet das integrierte Gefäßsystem wiederum die Möglichkeit, (pharmakologische) Testsubstanzen den Zellen wie im Körper über das Gefäßsystem zuzuführen und auch im venösen Abfluss zu messen, um eine bessere Annäherung an die in vivo Situation zu erreichen.

Zusammenfassung

Eine alternde Gesellschaft, ein wachsender Mangel an Spenderorganen und neue Gesetze, die eine Reduktion des Einsatzes von Tierversuchen zum Ziel haben, führen zu einem stetig wachsenden Bedarf an Tissue-Engineering-Produkten für den Einsatz als Transplantat oder Alternativmethode zu Tierversuchen.

Um diesen Bedarf zu decken, ist für Forscher weltweit noch viel Forschungs- und Optimierungsarbeit zu leisten. Die bisher erzielten Erfolge motivieren und machen Mut die eingeschlagenen Wege weiterzugehen und immer wieder neue Pfade aufzutun.

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Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
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70569 Stuttgart
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Telefon: +49 711 9704 001
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