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Gewebezüchtung: Hilfsarbeiter für die Leber

Bioreaktoren mit speziellen Mikromodulen sollen einmal beim Ausfall der Leber vorübergehend die vielfältigen Funktionen dieses zentralen Stoffwechselorgans übernehmen. Der am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte Prototyp enthält zwar erst 250 Millionen Leberzellen, aber das in einem Volumen von nur drei Kubikzentimetern.


Akutes Leberversagen ist eine der gefährlichsten Situationen für den Organismus. Daran sterben allein in den USA jährlich 2000 bis 3000 Patienten, in Deutschland um die 300. Immerhin etwa zehn Prozent der Krankheitsfälle wären jedoch reversibel – theoretisch: Ist das dramatische Geschehen zum Beispiel durch eine Virusinfektion oder durch die Überdosierung von Medikamenten verursacht, könnte sich das Organ erholen, wenn es zeitweilig entlastet würde.

Dafür geeignete Systeme sind allerdings sehr viel schwieriger zu entwickeln als Dialysegeräte, wie sie seit langem zur Blutwäsche dienen, wenn die Nieren zu versagen beginnen. Eine rein technische Apparatur könnte nie sämtliche Funktionen der Leber übernehmen, allenfalls einige entgiftende kurzfristig unterstützen. Als zentrales Stoffwechselorgan erfüllt die größte Drüse unseres Körpers vielfältige Aufgaben:

- Sie verwertet aufgenommene Nahrungsstoffe,

- produziert Cholesterin, Gallenflüssigkeit sowie Proteine des Blutplasmas wie Albumine und Blutgerinnungsfaktoren,

- speichert Eiweiße, Fette, Vitamine und das von ihr gebildete Kohlenhydrat Glykogen,

- wirkt entgiftend, indem sie das aus dem Eiweißstoffwechsel und von Darmbakterien stammende Ammoniak vor allem in Harnstoff umsetzt,

- macht aus dem Verdauungstrakt aufgenommene Fremdsubstanzen unschädlich,

- dient als Blutreservoir.

Für diese und weitere Aufgaben nutzt das Organ allein rund 600 Enzyme als Biokatalysatoren. Auch das gibt eine Vorstellung davon, wie steinig der Weg zur künstlichen Leber ist.

Die derzeit einzige wirksame Hilfe, was das langfristige Überleben anbelangt, bietet eine teilweise oder vollständige Transplantation. Da jedoch ein eklatanter Mangel an Spenderorganen besteht, sterben viele Patienten noch während der Wartezeit. Die rechtzeitig operierten Empfänger wiederum sind in ihrer Lebensqualität eingeschränkt, weil ihre Immunabwehr medikamentös abgeschwächt werden muss, damit der Körper das fremde Gewebe nicht abstößt.

Deshalb arbeiten Naturwissenschaftler, Mediziner und Ingenieure schon geraume Zeit an Apparaturen und Verfahren, die bei mutmaßlich reversiblen Formen des Leberversagens so lange die eingeschränkten Funktionen zumindest unterstützen oder im Idealfall gänzlich übernehmen könnten, bis das geschädigte Organ sich wieder regeneriert hat. Ihr Design soll Abstoßungsreaktionen weit gehend ausschließen.

Die bislang entwickelten Vorrichtungen und Verfahren, die man etwas irreführend alle unter dem Begriff "künstliche" Leber zusammenfasst, gliedern sich im Wesentlichen in drei Gruppen:

- Für biologische Systeme nutzt man ausschließlich die Stoffwechselleistung tierischer oder menschlicher Leberzellen.

- Nicht-biologische Systeme greifen entweder pharmazeutisch ein oder funktionieren nach Filterprinzipien.

- Hybridsysteme kombinieren technische Filtration mit den Leistungen von lebenden Leberzellen, meist solchen tierischen Ursprungs. Implantierbare Systeme dieser Art befinden sich zwar in der Entwicklung. Ich konzentriere mich im Folgenden jedoch auf solche, die außerhalb des Körpers – extrakorporal – einzusetzen sind; denn sie dürften entscheidend für die Routinebehandlung von akutem Leberversagen werden.

Noch keines dieser Systeme ist derzeit bereits standardmäßig einsetzbar. Allesamt sind sie noch so weit von einem wirklichen künstlichen Organ entfernt wie eine Buschtrommel von einem Handy. Ein Organ ist eben mehr als die Summe seiner Bestandteile, in diesem Falle der verwendeten zellulären und extrazellulären Komponenten. Auch liegen klinische Erfahrungen bislang zumeist nur aus Einzelversuchen vor oder aus Studien an wenigen Patienten. Aber jeder Fortschritt zählt.

Die Idee zu technischen Hybridsystemen für den Menschen, in denen gesunde isolierte Zellen von Säugetieren wenigstens einige der Leberfunktionen übernehmen sollten, kam schon Anfang der sechziger Jahre auf. Die frühen Ansätze waren aber nicht oder nur bedingt erfolgreich. Erst 1987 konnte Kenneth Matsumura vom Immunforschungslabor in Berkeley (Kalifornien) überhaupt den ersten klinischen Einsatz eines Hybridsystems vermelden. Bis dahin waren die Ansprüche an ein ideales, klinisch nutzbares System bereits klar und legten zugleich das Grundkonzept für einen bioartifiziellen Leberersatz fest: Die ausgewählten Leberzellen müssen über längere Zeit vital bleiben und ihre spezifischen Funktionen beibehalten; außerdem sollen sie möglichst auch eingefroren gelagert und sogar notfalls wiederholt verwendet werden können. Im Gerät muss ihnen ein wie auch immer geartetes Gerüst Halt bieten, wobei eine möglichst organtypische Umgebung zu gewährleisten ist.

Verantwortlich für die Stoffwechselvorgänge der Leber sind die häufigsten Zellen darin: die so genannten Hepatocyten. Sie lassen sich aus intakten Organen gewinnen und im Labor weiter kultivieren. Dabei kommt es insbesondere da-rauf an, sie in ihrem ausgereiften, differenzierten Zustand zu erhalten, um ihre organspezifischen Funktionen möglichst lange zu bewahren. Fehlt nämlich Hepatocyten etwa die Möglichkeit, wie in der Leber engen Kontakt untereinander aufzunehmen und dreidimensional zu wachsen, so verlieren sie einige ihrer typischen Funktionen.

Für eine minimale Organfunktion braucht ein extrakorporales System schätzungsweise mindestens zehn Prozent der normalerweise im Körper aktiven Zellmasse. Die Leber eines 75 Kilogramm schweren Menschen wiegt ungefähr 1,5 Kilogramm, was rund 250 Milliarden Zellen entspricht; demnach müssen pro System 25 Milliarden Zellen kultiviert werden. Da aber Spenderorgane als Quelle, wie erwähnt, knapp sind, verwenden Wissenschaftler meist tierische Zellen, häufig solche des Schweins.

Eine interessante ältere Entwicklung stellen die Hohlfaser-Reaktoren dar. Wie schon der Name besagt, bestehen sie aus einer Vielzahl feiner Röhrchen; deren Material ist halbdurchlässig, was den Stoffaustausch gewährleistet. Entweder sind die hohlen Fasern mit Leberzellen gefüllt und werden von dem zu reinigenden Blut oder Plasma umspült; oder die Zellen sitzen zwischen den Fasern, die dann das Blut oder Plasma durchströmt. Mit solchen Reaktoren wurde schon Anfang der siebziger Jahre experimentiert. Bei ihnen ist die Zahl der Zellen im Verhältnis zum durchströmten Volumen relativ hoch. Dies ist dann von Vorteil, wenn entweder das zellfreie Blutplasma oder sogar das volle Blut des Patienten direkt durch das System geleitet wird. Im ersten Fall muss allerdings eine eigene Maschine die Blutflüssigkeit von den Blutkörperchen trennen. Diese Prozedur wird Plasmapherese genannt. Infolge des Flüssigkeitsentzuges dickt aber das Blut im Körper ein, deshalb braucht der Patient so genannte Plasmaexpander-Infusionen als Ersatz.

Jörg Gerlach und seine Mitarbeiter an der Charité in Berlin haben mit Beginn der neunziger Jahre eine Variante dieser Reaktoren entwickelt: Sie ermöglicht es, eine ausreichende Menge Schweine-Hepatocyten in einer Art Kartusche zu kultivieren. Darin versorgen semipermeable Hohlfaserbündel die dazwischen angesiedelten Zellen mit Nährstoffen und Sauerstoff. Das System wurde bereits an einigen Patienten erprobt. Zumindest für 46 Stunden – die bislang längste Testzeit – verspricht es eine ausreichende Leberfunktion. Die Bewertung solcher Systeme ist zwar schwierig, weil Patienten mit akutem Leberversagen auch ohne Behandlung ein bis fünf Tage überleben; doch ist dieser Ansatz zweifellos sehr viel versprechend.

Neben Hohlfaserreaktoren versuchten Forscher noch andere organnahe Kulturen mit effizientem Leber-Stoffwechsel zu verwirklichen. Das Team von Shinichi Kasai vom Medical College in Asahikawa auf Hokkaido erprobte dazu so genannte Mikrocarrier aus Cellulose, das sind im Prinzip watteartige Kügelchen. Je mehr Zellen aber zusammengeballt auf kleinstem Raum wachsen, desto schwieriger wird es, sie gleichmäßig ausreichend zu versorgen. Kompromisse sind unausweichlich. Besser versorgen lassen sich die Zellen, wenn man sie in nur einschichtiger Lage auf größerer Fläche kultiviert. Als Trägermaterial für solche "Monolayer" dienten 1988 zunächst Platten aus Borosilikatglas, die in jeweils geringem Abstand übereinander gestapelt wurden. Bei diesem System ist jedoch das Verhältnis von Zellzahl zu Volumen ungünstiger. Die Tests damit verliefen auch weniger erfolgreich als erwartet, deshalb wurde dieses Konzept ebenfalls in verschiedener Weise modifiziert.

Bereits im folgenden Jahr versuchte es eine von James Dunn geleitete Gruppe am Massachusetts General Hospital der Harvard-Universität in Boston mit einer Sandwich-Technik: eine Lage Zellen zwischen zwei Gelschichten aus dem Faserprotein Kollagen. In dieser organähnlicheren Umgebung behielten die Zellen länger ihre gewünschte Funktion.

Zellen im Sandwich

Augustinus Bader und seine Mitarbeiter an der Medizinischen Hochschule Hannover verwendeten für ähnliche Sandwiches so genannte Flachmembranreaktoren mit zwei verschiedenen Typen von synthetischen Membranen. Diese versorgen die beidseitig in Kollagen eingebetteten Zellen getrennt mit Sauerstoff und mit Nährstoffen aus dem Kulturmedium. Aus solchen Einheiten lassen sich stapelbare Module herstellen, die jeweils rund 200 Millionen Zellen beherbergen; auf diese Weise können derzeit insgesamt etwa zehn Milliarden Zellen gemeinsam kultiviert werden. Zur Erinnerung: angestrebt werden mindestens 25 Milliarden. Funktionstests über zwanzig Tage zeigten, dass damit typische Leberfunktionen wie die Synthese des Blutproteins Albumin sowie die Entgiftung von Ammoniak aufrechtzuerhalten sind; klinische Untersuchungen stehen aber noch aus.

Ebenfalls noch nicht klinisch erprobt sind Modelle, bei denen man die Zellen auf Netzen oder Schwämmen aus Kunststoff kultiviert. Günstig ist, dass solche Reaktoren von vornherein dreidimensional konfiguriert sind. Zudem kann man das Gerüst wieder mit bestimmten Substanzen wie Kollagen beschichten, um das Anheften der Zellen zu unterstützen.

Vor allem aber erbringen Hepatocyten in dreidimensionaler Kultur bessere Stoffwechselleistungen als in Monolayern. Das zeigten auch entsprechende eigene Versuche. Uns war deswegen am Forschungszentrum Karlsruhe schnell klar, wie ein aus unserer Sicht ideales System beschaffen sein müsste – ideal zumindest in wesentlichen Merkmalen. Zum einen wollten wir die Hepatocyten in definierter Zahl beziehungsweise Schichtdicke kultivieren; zum anderen sollte die Schicht bei kurzen Versorgungswegen mit Nährflüssigkeit aktiv über- oder durchströmt werden können, damit die Diffusion von Stoffen nicht beschränkt wäre. Diesen Anforderungen entsprechend entwarfen wir ein Raster von Mikrocontainern, wobei wir uns an physiologischen Werten orientierten: Die mittlere freie Weglänge zwischen zwei Blutkapillaren beträgt rund einen drittel Millimeter; folglich kann eine halb so dicke Gewebeschicht noch durch Diffusion von einer Seite aus versorgt werden. Damit stand das Grundmaß für ein einzelnes Rasterelement fest.

Ein Chip für die Kultur

Bei der Materialauswahl entschieden wir uns für Polymethylmethacrylat und Polycarbonat, also Polymere, die sich in Heißpräge- und Mikrospritzgussverfahren gut verarbeiten lassen. Mit diesen Techniken werden bei uns am Forschungszentrum Karlsruhe routinemäßig Mikrostruktur-Komponenten für unterschiedliche Anwendungen produziert. So brauchten wir sie nur für unseren Zweck zu adaptieren: Rechnergesteuerte Präzisionsmaschinen mit Diamantfräsen fertigen das Abformwerkzeug aus Messing, das zur Herstellung der Kunststoffrohlinge dient. Die für die Zellkultivierung konstruierte Rasterplatte besteht aus kubischen Abteilen mit jeweils einer Kantenlänge von 300 Mikrometern und einer Wandstärke von fünfzig Mikrometern. Auf eine Fläche von rund einem Quadratzentimeter passen also 900 solcher Mikrocontainer – je dreißig pro Reihe und Spalte.

Die Böden der Mikrocontainer wollten wir mit Poren versehen, damit sich das Kulturmedium hindurchpumpen, perfundieren lässt. Im Mikrospritzguss ist dies allerdings nicht zu bewerkstelligen. Da-rum sahen wir Rohlinge mit pyramidenförmig strukturierten Böden vor, die wir punktuell öffneten, indem wir den Kunststoff von der Gegenseite her bis zu den Pyramidenspitzen abfrästen. Das war jedoch sehr zeitaufwendig, somit für größere Stückzahlen ungeeignet. Viel schneller konnten wir mit dem Strahl eines Excimer-Lasers die Spitzen durchlöchern: zwischen 10000 und 100000 Stück pro Minute. Die feinen, etwa zweieinhalb Mikrometer weiten Perfusionskanäle gewährleisten eine sehr gute Versorgung der Zellen.

Eine weitere Möglichkeit, Kanäle definierter Weite zu erzeugen, ist ein Beschuss mit Schwerionen, gefolgt von einem Ätzvorgang. Die schnellen Ionen können aber nicht gezielt auf so feine Details wie die Pyramidenspitzen gelenkt werden. Die Öffnungen verteilen sich hier deshalb zufällig über die Bodenfläche.

Die lebenden Zellen, die wir auf solchen Strukturen kultivieren wollten, reagieren freilich recht unterschiedlich auf die künstlichen Materialien. Fibroblasten von Mäusen etwa – das sind Bindegewebszellen – heften sich problemlos an die gewählten Polymer-Kunststoffe an. Andere Zellarten hingegen, insbesondere frisch isolierte Hepatocyten, sind da anspruchsvoller. Deswegen mussten wir die Polymeroberflächen noch modifizieren.

Konventionell lassen sich beispiels-weise mit wässrigen Lösungen Schichten von Kollagen, Fibronectin, Laminin und ähnlichen biologischen Substanzen aufbringen, die für Leberzellen attraktiv sind. Ein weiteres Verfahren – Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition genannt – bringt durch kalte Gasentladungen Prozessgase in einen sehr reaktiven Zustand. Mit Stickstoff als Gas können so Amino- und Imino-Gruppen als zellfreundlicher Haftgrund angela-gert werden. Bei Sauerstoff werden die Oberflächen geätzt, gesäubert und sterilisiert.

Interessant ist auch der Einsatz von Prozessgasen, die beim Abscheiden auf den Mikrostrukturen polymerisieren – etwa Oligoethylenglycol zu Polyethylenglycol. Diese Glycole wirken zellabweisend. Wir können mit ihnen ausgewählte Stellen freihalten und die umliegenden Zellen zwingen, statt in die Breite in die Höhe zu wachsen. Ferner können wir mit einer speziellen Technik sogar kurze Ketten aus drei bestimmten Aminosäuren auf die vorbehandelte Oberflächenschicht aufbringen. Daran verankern sich dann die Zellen mit besonderen Haft-molekülen.

Unsere ersten Kulturversuche stellten wir probeweise mit Mäusezell-Linien an, denn diese schon lange im Labor gezüchteten Zellen jeweils einer Sorte sind in der Regel weniger anspruchsvoll als frisch aus Organen gewonnene Pendants. Das Ergebnis war erfreulich: Mäuse-Fibroblasten hefteten sich problemlos an die Oberfläche unserer Gitter-Prototypen. Die beimpften Strukturen legten wir anfangs einfach in Schalen mit Nährflüssigkeit; dennoch wurden die Zellen offenbar allein durch Diffusion hinreichend versorgt: Sie besiedelten zunächst die Wände und Böden der Abteile und füllten dann durch weitere Teilungen nach und nach deren ganzen Hohlraum aus. Jeder vollständig bewachsene "CellChip" beherbergte schließlich ungefähr vier Millionen Fibroblasten.

Als günstig erwies sich, dass manche Zell-Linien an den Oberkanten der Ge-fache die Teilung einstellten. Dies ermöglicht uns, Gewebeschichten begrenzter Dicke zu kultivieren. Bei zu dicken Lagen würden Zellen im Inneren infolge Nährstoff- und Sauerstoffmangels absterben.

Mikroskopische Untersuchungen zeigten allerdings, dass die durch Abfräsen geschaffenen, etwa fünf Mikrometer weiten Poren im Boden der Prototyp-Container zu groß waren; denn etliche Fibroblasten hatten sich, obwohl ihr Durchmesser immerhin etwa 15 Mikrometer beträgt, hindurchgezwängt und auf der Außenseite einen dünnen Teppich gebildet. Dieser Effekt war zwar nicht erwünscht, ermöglicht aber eventuell andere als von uns beabsichtigte Anwendungen: etwa eine zweidimensionale Kultur einer Zell- sorte außen und eine dreidimensionale Kultur einer anderen Sorte innen. Für unsere Zwecke stellten wir jedoch fortan die Rasterplatten mit engeren, gelaserten Perfusionskanälen her.

Mit diesen Erfahrungen gingen wir daran, die apparative Peripherie aufzubauen. Vorrangig dabei war, das heranwachsende Gewebe in seinen Mikrocontainern gezielt mit Nährmedium zu versorgen. Prinzipiell bestehen dafür zwei Möglichkeiten: das Durchströmen (Perfusion) und das Überströmen (Superfusion). Im einfachsten Fall kann die Peripherie aus einer Art Kapsel, einem Mediumspeicher und einer Umwälzpumpe, bestehen.

Wir entwickelten ein Gehäuse mit je zwei alternativen Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr der Nährlösung. Es ist mit Mikroskopie-Deckgläsern verschlossen, damit wir die Zellen jederzeit mikroskopisch beobachten können. Der Innenraum ist so konstruiert, dass ihn die eingeschobene mikrostrukturierte "Kulturplattform" unterteilt wie ein Backblech den Ofen. Wahlweise kann das Gewebe horizontal überströmt oder durch die Kanäle im Boden der Platte vertikal versorgt – also perfundiert – werden. Vorgesehen haben wir außerdem Messfühler für Sauerstoff, Kohlendioxid, Druck und weitere Parameter. Dass die Kulturbedingungen in dieser Art von Mini-Bioreaktor genau einzustellen sind, macht ihn vielfältig einsetzbar.

Raffinierte Reaktoren für Ratten

In dem einfachen System unterzogen wir nun unsere Rasterplatten mit den feineren, den "gelaserten" Perfusionskanälen ersten Tests. Kultiviert wurden diesmal menschliche Hepatocyten einer HepG2 genannten Zell-Linie. Erfreu-licherweise wuchsen sie ausgeprägt dreidimensional, ohne die Mikrocontainer durch die engen Bodenöffnungen zu verlassen. Die Poren, deren Zahl wir noch vergrößert hatten, verstopften auch nicht, da das Nährmedium von unten her einströmte. Zugleich haftete das neugebildete Gewebe so fest am Untergrund, dass die einströmende Flüssigkeit es nicht ausschwemmte.

Auf Grund dieses Erfolges gingen wir zu noch etwas anspruchsvolleren Zellen über: zu frisch isolierten und gereinigten Hepatocyten, vorerst aus Ratten. Zunächst stellten wir Versuche mit einer unbeschichteten Kulturplattform aus Polymethylmethacrylat an. Wir füllten diesmal die Mikrocontainer vollständig mit losen Zellen und kultivierten diese dann noch einige Tage. Der interessante Effekt war, dass die Zellen sich zwar untereinander verbanden, aber ihren Kunststoffkubus als Ankerplatz verschmähten. Vielmehr bildeten sie entsprechend seiner Form würfelige Aggregate. Mit einem Strahl Nährflüssigkeit konnten wir diese Kuboide, wie wir sie nannten, sogar unbeschädigt ausschwemmen. Solche Zellaggregate von gleichmäßiger Gestalt und Größe lassen sich mit herkömmlichen Methoden kaum herstellen. Möglicher-weise sind sie für die Pharmaforschung interessant.

Uns ging es aber um Zellen, die gut an den Flächen hafteten. Als wir das Kunststoffmaterial mit adhäsionsfördernden Substanzen wie Kollagen beschichteten, fanden die primären Hepatocyten dann auch an den Containerwänden Halt.

Zur extrakorporalen Leberunterstützung benötigt man freilich, wie erwähnt, mindestens zehn Prozent des Organgewichts an Zellmaterial. Um zu sehen, ob ein erweitertes System an kleinen Labortieren funktioniert, bedarf es zunächst eines Reaktors, der gerade so viel Zellen fasst, dass er beispielsweise für Laborratten eingesetzt werden kann. In einem ersten Schritt hin zu praxistauglichen Geräten konstruierten wir deshalb einen Prototyp eines Bioreaktors mit wenigen Modulen; in ihm können bis zu vierzig unserer Mikrostrukturen übereinander gestapelt werden. Er enthält damit in weniger als drei Kubikzentimetern 200 bis 250 Millionen Zellen; dies ist ein sehr viel günstigeres Verhältnis als bei unseren ersten Modellen, zumal auch geringere Mengen an Nährmedium gebraucht werden. Mehr noch: Je kompakter das Ganze, desto weniger Blutplasma wird sich jeweils außerhalb des Körpers durch das Gerät bewegen müssen. Dies reduziert zugleich den Bedarf an Plasmaexpandern. Die Gesamtzahl an Zellen im 40-Modul-Bioreaktor sollte ausreichen, zumindest die Leberfunktion einer Ratte zu gewährleisten.

Ein Bioreaktor dieses Typs, noch ohne die einmal anzukoppelnden Filtereinheiten für das Blutplasma, befindet sich gerade in der technischen Erprobung. Funktionstests mit Ratten-Hepatocyten in einem ähnlichen älteren System haben wir bereits durchgeführt. Wenn der Reaktor das leistet, was wir uns von ihm versprechen, wollen wir Ratten experimentell behandeln, deren Leber zuvor entfernt wird. Zu prüfen ist dabei unter anderem, in welchem Maße die kultivierten Zellen Plasmaproteine – vor allem Albumin – produzieren und wie aktiv bestimmte entgiftende Enzymsysteme sind. Vorläufigen Befunden zufolge bleiben die Mikrocontainer-Kulturen sehr viel länger enzymatisch aktiv als Monolayer – und mindestens ebenso lange wie so genannte Sphäroide, kugelige Klümpchen aus solchen Zellen, mit denen unter anderem auch unsere Arbeitsgruppe langjährige Erfahrung besitzt.

Noch ein weiter Weg bis zur Kunstleber

Diese Ergebnisse gilt es in nächster Zeit zu untermauern, um schließlich mit der Entwicklung größerer Geräte für den Menschen beginnen zu können. Für eine klinische Anwendung wären rund 5000 unserer Mikrostrukturen im derzeitigen Design erforderlich. Diese enorme Zahl würde aber die Logistik am Institut überfordern, da sowohl personell als auch maschinell solche Stückzahlen in der Produktion nicht vorgesehen sind. Wir brauchen daher externe Partner.

Neben reinen Hepatocyten-Kulturen wollen wir Mischkulturen erproben, zum Beispiel Hepatocyten kombiniert mit Zellen, die gewöhnlich die Blutgefäße in der Leber auskleiden. Orientierende ältere Versuche am Institut zeigten, dass diese Zellen durch Selbstorganisation erstaunlich geordnete Strukturen zu bilden vermögen. Könnten wir diese Fähigkeit nutzen, um in bioartifiziellen Systemen im Idealfall Blutkapillaren entstehen zu lassen, dann hätten wir quasi natürliche Versorgungswege mitten durch die Gewebeblöckchen – eine Perfusion durch biologische Kanäle. Damit wäre man auf dem Wege zur künstlichen Leber einen großen Schritt weiter. Vorerst streben wir aber mit den Mischkulturen nur organähnlichere Verhältnisse an.

Die zeitweilige Unterstützung bei akutem Leberversagen ist zwar unser primäres Ziel. Doch lassen sich auch andere klinische Anwendungen biohybrider Systeme vorstellen. Dazu gehören etwa die Vermehrung von Knochenmarkszellen und die Züchtung von Dünndarm- oder Hautgewebe. Die Möglichkeit, Zellaggregate von vorgegebener Schichtdicke und Form zu gewinnen, dürfte ferner für die pharmazeutische Forschung und für Toxizitätstests mit unterschiedlichsten Wirkstoffen interessant werden. Rasterplatten wie unser "CellChip" – mit 900 Mikrocontainern pro Quadratzentimeter – kommen dem Bestreben zur Miniaturisierung entgegen, weil sich damit Wirkstoffe in kleineren Mengen bei höherem Durchsatz prüfen lassen. Vielleicht sind sie künftig sogar in der medizinischen Diagnostik zu verwenden: zur automatisierten Untersuchung von jeweils einzelnen Zellen.

Unseren Mikrostrukturen für die Zellkultur werden sich also hoffentlich vielfältige Einsatzgebiete erschließen, zumal das Design höchst variabel ist. Zum Beispiel werden derzeit von uns schon Mikrocontainer mit glattem perforiertem Boden genutzt. Diese können für solche Zellen verwendet werden, die im Körper als einzellige Schicht wachsen. Dazu gehören auch die Zellen, welche die Blutgefäße als so genanntes Endothel auskleiden. Damit ließen sich komplexere Gewebe züchten: als erste Lage ein einschichtiges Endothel und darüber ein dreidimensionales Aggregat von spezifischen Funktionszellen eines bestimmten Organs, etwa der Leber, des Dünndarms, des Knochens oder der Haut. Das flächige Endothel dient dann als selektive Barriere zwischen Blutplasma und Gewebe, wobei eine künstliche Membran beide trennt.

Literaturhinweise


Biohybrid-Systeme mit körperfremden Zellen. Von M. J. Lysaght und P. Aebischer in: Der High-Tech-Körper, Spektrum der Wissenschaft, Spezial 4, 1999.

Ein in vitro Gewebemodell in mechanisch gefertigten Mikrostrukturen. Von K.-F. Weibezahn et al. in: Bioforum, Band 17, S. 49, 1994.



Heroische Rettungsversuche am Menschen


Eine Lebertransplantation – erstmals 1963 durchgeführt – ist noch immer die bestmögliche Therapie bei akutem Leberversagen. Den schweren Eingriff – mittlerweile eine Routineoperation – überleben etwa 60 Prozent der Patienten mindestens fünf Jahre lang. Wegen des Mangels an Spenderlebern wird jedoch intensiv nach alternativen Methoden gesucht.

Schon 1959 hatte Seiji Kimoto von der Universität Tokio ein anderes Verfahren beschrieben, wie eine fremde Leber vorübergehend Funktionen der geschädigten übernehmen könnte: Bei dieser Kreuz-Hämodialyse soll das Blut des Erkrankten ein System mit semipermeabler Membran durchlaufen, auf deren Gegenseite der Kreislauf eines gesunden Organismus angeschlossen ist. Ein 20-jähriger Patient, der auf diese Weise fast eine Stunde lang indirekt mit einem Hund verbunden war, starb sieben Tage später. Desgleichen endeten 1967 zwei Fälle tödlich, obgleich sich Menschen als "Stoffwechsel-Partner" zur Verfügung gestellt hatten. Eine dritte Patientin jedoch überlebte, nachdem ihr Blut mit einem Durchsatz von insgesamt 190 Litern das Gerät passiert hatte; dies war der erste dokumentierte langfristige Erfolg der Kreuz-Hämodialyse. Sie war jedoch nie sonderlich akzeptiert, weil der Kreislauf des gesunden Partners sehr stark belastet wird; bei einem virus-bedingten Leberversagen besteht zudem Infektionsgefahr.

Im Jahr 1965 testete Ben Eiseman an der Kentucky Medical School in Lexington ein weiteres Verfahren: die extrakorporale Leberperfusion. Dabei wird arterielles Blut des Erkrankten direkt durch eine isolierte fremde Leber – die eines Schweins oder eines frisch verstorbenen Menschen – gepumpt und wieder rückgeführt. Alle acht Patienten starben jedoch acht Tage nach der Behandlung. In einem besonders spektakulären Therapieversuch ließ man das Blut eines Patienten mit Leber- und Nierenversagen nacheinander die Lebern von zehn Schweinen, drei Pavianen, einem Kalb, einem Menschenaffen und schließlich die eines Menschen durchlaufen; trotzdem starb er 76 Tage nach der Prozedur. Der Fall legt aber auch nahe, dass Leberversagen das Immunsystem schwächt; denn unter normalen Umständen wären innerhalb kürzester Zeit so viele Antikörper gegen die fremden – überdies zumeist artfremden – Organe gebildet worden, dass die Ärzten nicht einmal mehrere Perfusionen von Schweine-lebern hätten durchführen können.

Die extrakorporale Perfusion sollten Systeme vereinfachen, in denen man Scheiben oder Würfel von Lebergewebe beziehungsweise so genannte Sphäroide – Aggregate kultivierter Leberzellen – verwendete, jeweils durch eine technische Membran vom Blut oder Plasma getrennt.

Erstaunlicherweise arbeiteten frisch entnommene Zellen nicht besser als vorher eingefrorene. Wie sich herausstellte, waren die meisten aufgetauten Zellen tot; die beobachteten positiven Effekte beruhten also auf der noch verbliebenen Aktivität der Leberenzyme. Umgekehrt hieß das, dass frische Zellen bereits einen wesentlichen Teil ihrer ursprünglichen Aktivität verloren haben, wenn sie nach der Isolierung in Kultur genommen werden. Wie unsere Forschungsarbeiten zeigten, gewinnen die Zellen einen Teil ihrer Leistungskraft zurück, wenn man sie langfristig in 3-D-Kultur züchtet – und das umso mehr, je organnäher die Kultur ist.




Anleihen bei der Blutwäsche


Eines der ältesten Verfahren zur Entlastung der Leber ist die so genannte Hämodialyse, wie sie ähnlich auch bei Nierenversagen angewandt wird. Dabei treten abzubauende Stoffe aus dem Blut durch eine semipermeable Membran in eine Elektrolytlösung über, größere Proteinmoleküle jedoch nicht. Schon Mitte der fünfziger Jahre wurden damit Patienten behandelt, die infolge teilweisen Ausfalls der Leber an Ammoniakvergiftung litten. Die dafür typischen Störungen der Hirnfunktion besserten sich zwar, doch überlebte keiner der Erkrankten längere Zeit.

Bei der so genannten Hämoperfusion wird das Blut hingegen durch Aktivkohle gefiltert, deren große interne Oberfläche begierig Moleküle adsorbiert. Dabei gehen jedoch auch zahlreiche Blutplättchen verloren. Zudem sinkt der Blutdruck beträchtlich – wahrscheinlich weil regulierende Substanzen aus dem Blut entfernt werden. Bei der Behandlung des Leberversagens darf das Blut deshalb nicht in direkten Kontakt mit den Filtern kommen. Am Londoner King?s College Hospital haben Ärzte 1972 ein System getestet, bei dem die Kohle in das Blutprotein Albumin eingehüllt war. Von 22 Patienten mit rapidem Leberversagen konnten daraufhin zehn entlassen werden. Im Vergleich zu der zehnprozentigen Überlebensrate ohne Behandlung erschien dies ein ermutigendes Ergebnis. Ein anderes Team derselben Klinik erzielte aber 1988 in einer Studie an 137 Patienten keine signifikante Verbesserung; darum ist auch diese Methode nie in großem Maßstab angewendet worden.

Amerikanische Fachärzte vom St. Elizabeth Hospital in Lafayette (Indiana) berichteten 1991 von Erfolgen mit der Hämodiadsorption, einer Kombination von Hämodialyse und Aktivkohle-Adsorption, bei acht von 15 Patienten. Jan Stange und seine Kollegen vom Universitätsklinikum Rostock setzen auf eine Kombination von Nieren- und Leberdialyse. Das System besteht aus drei gekoppelten Kreisläufen. Bei neun von 13 Patienten ihrer Studie von 1997 besserte sich der Zustand deutlich.

Schließlich haben 1982 Zhi-Qing Shi und Thomas Zhang an der Mc-Gill-Universität in Montreal (Kanada) eine Blutreinigung mit isolierten Leberenzymen im Labor erprobt, die entweder an unlösliche Träger gebunden oder in "künstliche Zellen" verpackt waren. Die Anwendung ist aber begrenzt, weil nur sehr wenige der erforderlichen Enzyme zur Verfügung stehen. Außerdem entgiften diese Systeme nur, stellen aber keine nötigen Proteine wie Albumin her.

Für alle jemals publizierten Systeme gilt: Nur ein Teil gab immerhin so viel Anlass zu Hoffnung, dass weitere klinische Tests mit ihnen durchgeführt werden. Manche verwendet man inzwischen als Komponenten in biologischen "Kombisystemen".

Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2002, Seite 44
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

1 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2002

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