Hintergrund | 27.11.2012 | Drucken | Teilen

Biotechnologie

Organe aus dem Labor

Die "einfach" gebauten Organe unseres Körpers züchten Mediziningenieure schon heute in Gewebekulturen. Für die Zukunft setzen sie auf die Regenerationskraft des Körpers.
Gerüststruktur
© iStockphoto / cm1

Die Bereitschaft zur Organspende nach dem Tod ist in Deutschland noch immer eher mau: Zwar konnten in diesem Jahr schon 2912 Organe von toten Spendern übertragen werden – rund 12 000 schwer kranke Menschen warten aber immer noch auf einen passenden Ersatz, wie die Deutsche Stiftung Organtransplantation schätzt. Zum Ausweg aus dieser misslichen Lage soll daher das "Tissue Engineering" (TE) werden, die maßgeschneiderte Herstellung wichtiger Körperteile und Organe im Labor. Aber wie weit sind die Forscher dabei wirklich? Könnten sie durch TE die Medizin unabhängig von der Spendenbereitschaft der Bevölkerung machen?

In einigen Bereichen der regenerativen Medizin gibt es deutliche Fortschritte. So lassen sich aus kleinen Hautproben von Patienten im Labor größere, allerdings einfach gebaute Hautteile züchten. Bei der Knorpelzelltransplantation werden Zellen des Patienten im Labor vermehrt und danach mit einigem Erfolg in das defekte Gelenk verpflanzt. In den USA leben Menschen mit einer im Labor gezüchteten Harnblase, europäische Ärzte transplantierten erfolgreich einige künstlich hergestellte Luftröhren, und in Japan leben Kinder seit mehreren Jahren mit Herzblutgefäßen, die im Labor gezüchtet wurden [1].

Was auffällt: Bei den Erfolgsgeschichten handelt es sich in der Regel um einfach gebaute, dünne (Hohl-)Organe, die kaum von Blutgefäßen durchzogen sind und auch überleben können, wenn das Nachbargewebe sie mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt. Komplexe Organe dagegen wie Niere, Herz oder Leber sind auf eigene Blutgefäße angewiesen. Die Blutbahnen wie auch Nervenzellen im Organ künstlich wachsen zu lassen, gelingt bisher nicht. "Nerven und Blutgefäße müssen vorhanden sein, damit ein Gewebe überlebt. Ist das nicht der Fall, wird alles im Körper absterben, was größer ist als der Radiergummi am Ende eines Bleistifts", sagt Daniel Eberli, Facharzt für Urologie am Universitätsspital Zürich.

Kein komplettes neues Organ

In Eberlis Forschungsteam ist man von dem Gedanken abgekommen, ein komplettes neues Organ im Labor herzustellen. "Wir zielen lieber auf ein kleines, etwa daumennagelgroßes Stückchen Harnblase ab, das in das defekte Organ eingebaut werden kann und hier schließlich mitwächst", sagt Eberli. Zwar gelang es einem Team von der US-amerikanischen Wake Forest University School of Medicine in Winston-Salem schon vor sechs Jahren, komplette Harnblasen mit Hilfe des TE zu fertigen. Wand- und Muskelzellen der Patientenblase aus entnommenen Gewebeproben wurden im Labor vermehrt und auf eine blasenförmige Struktur aufgebracht, die aus Kollagen und einem abbaubaren Kunststoff bestand. Sieben Wochen später war das Gerüst mit Zellen bewachsen und konnte den Patienten eingesetzt werden [2].

Doch diese Pionierleistung hatte zwei große Haken. Zum einen gelang es nicht, die Organe mit einer eigenen Blutversorgung auszurüsten. Dennoch überdauerten die Harnblasen einige Jahre, weil sie vom umliegenden Gewebe mit dem Lebensnotwendigen versorgt wurden. Zum anderen aber funktionierten die Muskulatur und die Nerven vor Ort nicht. "Keine der gezüchteten Harnblasen konnte aktiv geleert werden, bei allen musste dies mit Hilfe der Bauchpresse geschehen", sagt Daniel Eberli.

Verschiedene Zellen, verschiedene Gerüstmaterialien

Um die Resultate zu verbessern, geht Eberli jetzt einen Schritt weiter. Inzwischen wisse man, dass ein einziges Gerüstmaterial nicht für die Herstellung eines komplexen Organs ausreiche. Damit die Blase Harn zuverlässig speichern kann – dabei aber gleichzeitig kontraktionsfähig und somit entleerbar bleibt –, sind funktionierende Nerven-, Muskel- und auch Blutgefäßzellen nötig. Jede dieser Zellarten hat ganz eigene Ansprüche an die Nische, in der sie heranwächst. Eberli hat deshalb ein neues Biomaterial entwickelt. Es besteht aus Kollagen, das die Züricher aus Schweineblasen gewinnen. Auf dieses Grundgerüst werden mit einem Elektrospinning-Verfahren mikroskopisch feine Fäden aus einem Material gesponnen, das die Chirurgen zum Nähen von Wunden benutzen: Polylactid-co-Glycolid, kurz PLGA.

Der Faden könne dabei so ausgerichtet auf das poröse Untergerüst aufgebracht werden, dass sich nicht nur Zellen der glatten Muskulatur, sondern auch Nervenzellen dort niederließen, berichtet Eberli. Dem Ziel, ein kleines Stückchen Harnblase herzustellen, das sich im Zuge der Blasenentleerung zusammenziehen kann, ist das Züricher Team schon näher gekommen. Im Versuch hatte sich vier Wochen nach dem Einnähen des neuen Biomaterials in die Harnblase von Ratten ein funktionstüchtiges, mehrschichtiges Wandgewebe ausgebildet, in das Blutgefäße und Muskelzellen einwuchsen.

Der beste Baumeister ist der Körper selbst

Die Züricher verfolgen eine Strategie, die sich beim TE immer stärker durchzusetzen scheint: Nicht jeder Schritt auf dem Weg zum neuen Organ muss im Labor geschehen, der Körper selbst soll mit der eigenen Regenerationsfähigkeit helfen, aus einem passenden Gerüst ein Organ zu konstruieren – besser, als dies je ein Bioreaktor könnte. So fügt Eberlis Team der Gerüststruktur im Labor zwar vor dem Einsetzen noch Muskelzellen zu, die aus Blasenbiopsien oder Fettstammzellen gezüchtet werden. "Doch die innere Wandschicht, das Urothel, wächst ohne weiteres Zutun im Menschen sofort von allein zu", erklärt der Zürcher Arzt.

Ähnliches hat Payam Akhyari vom Universitätsklinikum Düsseldorf beobachtet, der dort die Forschungsgruppe "Experimentelle Chirurgie" leitet und Herzklappen mit Hilfe des TE herstellt. Dazu werden tierische oder menschliche Spenderklappen von Zellen befreit und die nackten Gerüste direkt in den Empfänger transplantiert, eine Methode, die bereits in der Klinik angewendet wird. "Die Klappengerüste im Labor mit den Zellen des Patienten zu besiedeln, ist sehr aufwändig und in der Klinikroutine nur schwer durchführbar", sagt Akhyari.

Pflanzt man das Gerüst in den Körper ein, wird es innerhalb weniger Wochen rasch von den richtigen Zellen bewachsen. Offenbar kommt es darauf an, dass das in den Körper eingesetzte Ersatzteil die richtigen Signale aussendet, um köpereigene Regenerationsprozesse anzukurbeln. In Düsseldorf versucht man diesen Vorgang zu fördern, indem man die Klappengerüste vor dem Einsetzen mit Stoffen wie etwa dem Protein Fibronektin beschichtet [3].

Auch das Team von Paolo Macchiarini vom Zentrum für Regenerative Medizin am schwedischen Karolinska-Institut setzt beim Organbau auf zusätzliche Signalstoffe. Die Luftröhre, die es einem 36-Jährigen im Sommer des letzten Jahres einpflanzte, bestand nicht nur aus einem maßgeschneiderten Kunststoffgerüst, das für eineinhalb Tage mit Zellen aus dem Knochenmark des Patienten besiedelt worden war. Zusätzlich brachte man Signalstoffe auf, die der Körper sonst nach größeren Verletzungen oder Brandwunden ausschüttet, um etwa Stammzellen zu mobilisieren, am Ort des Geschehens die Heilung zu fördern.

Diese Botenstoffe, wie der Wachstumsfaktor G-CSF oder das Erythropoetin, wurden dem Patienten im Anschluss an die Übertragung der Luftröhre zusätzlich für weitere 14 Tage verabreicht. Der Patient, dessen eigene Luftröhre wegen eines großen Tumors zuvor entfernt werden musste, war fünf Monate nach der Transplantation komplett symptomfrei, berichten die Forscher aus Schweden [4]. Das Luftröhrengewebe war normal ausgebildet und nach wenigen Wochen sogar von einem feinen Netz aus Blutgefäßen durchzogen.

Ein Flicken für die kaputte Leber

Auf solch ein Erfolgserlebnis hofft auch Jeanette Bierwolf vom Universitätsklinikum Bonn. Im "Team Transplantation" wollen Bierwolf und ihr Chef, der Chirurg Jörg-Matthias Pollok, geschädigten Lebern mit Hilfe des TE wieder auf die Beine helfen. "Wir gehen davon aus, dass es im Fall eines Leberversagens gar kein komplettes Organ braucht, um die fehlende Funktion wieder auszugleichen", sagt die Wissenschaftlerin. So reiche es bei akutem Leberversagen (etwa nach einer Pilzvergiftung oder Tablettenüberdosis) aus, ein bis fünf Prozent, bei chronischen Leberstoffwechselerkrankungen fünf bis zehn Prozent der Zellmasse zu ersetzen.

Doch bei einer 1600 Gramm schweren Leber eines Erwachsenen, mit 139 Millionen Leberzellen je Gramm, sind auch wenige Prozent schon eine ganze Menge. Die seit einigen Jahren versuchsmäßig an einigen Kliniken durchgeführte Leberzelltransplantation, bei der Spenderzellen in den Blutkreislauf gegeben werden, scheint nicht wirklich zu helfen. Die wenigsten der Leberzellen, die den Defekt ausgleichen sollen, kommen überhaupt am Ziel an. "Die Zellen können sich nicht anheften und werden mit dem Blutstrom weggetragen", sagt Bierwolf.

Die Bonner wollen dies verhindern, indem sie die gespendeten Leberzellen im Labor einige Tage auf einer porösen Trägermatrix kultivieren. "Nach einiger Zeit lagern sich hunderte Leberzellen zu Zellhaufen, so genannten Sphäroiden, zusammen. Ein Gewebe entsteht, in dem sich sogar Gallenkanälchen ausbilden", sagt Bierwolf. Demnächst wollen die Bonner versuchen, ihre auf dem Trägermaterial angereicherten Leberzellen in Tiere zu übertragen. Dabei wird der Flicken gar nicht auf oder in die Leber eingenäht, sondern in eine Art Tasche in der Nähe des Dünndarms angebracht [5].

"Wichtig ist, dass das Stückchen in einen gut durchbluteten Bereich eingepflanzt wird, damit Blutgefäße einwachsen können und die von der Leber gebildeten lebensnotwendigen Stoffe rasch in den Kreislauf gelangen", sagt Bierwolf. Der Vorteil dieser Variante: Die erkrankte Leber bleibt unangetastet im Körper und erhält die Chance, sich zu regenerieren. Dies sei eine durchaus realistische Hoffnung nach akuten Lebervergiftungen, finden die Forscher – und würde die lange Transplantationswarteliste um einen Patienten verkürzen.

© Spektrum.de