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Stammzellen Wie Forscher Organe züchten wollen

Der Mangel an Spenderorganen und Geweben spitzt sich immer weiter zu. Forscher versuchen deshalb Herz, Niere und Lunge im Labor zu züchten. Lange schien das unmöglich. Nun sind ihnen spektakuläre Fortschritte gelungen – bald wollen sie Organe sogar drucken.

Gruh Quelle: Stefan Kröger für WirtschaftsWoche

Es ist ein herrliches Hochzeitsfest, das Osman Tektas mit über 850 Gästen in der Bad Homburger Kongresshalle feiert. Was ihn besonders freut: Auch sein kurz zuvor operierter Vater Faruk ist dabei. Der tanzt ausgelassen mit Freunden, Verwandten – und seinem Ehrengast, dem Chirurgen Christoph Strey von der Universitätsklinik Frankfurt.

Dem ist das Aufheben, das Faruk Tektas um ihn macht, fast peinlich. Doch der von ihm operierte Mann lässt es sich nicht nehmen, seine Dankbarkeit zu zeigen. Schließlich hatte Strey dem türkischen Familienvater nicht nur Gesundheit und Lebensfreude zurückgegeben, sondern ihm auch die Teilnahme an diesem Familienfest ermöglicht. Dazu hatte Strey bei dem Mittfünfziger, der unheilbar krank schien, eine ganz neue Methode der Gewebe-Rekonstruktion gewagt: Er hatte zunächst die zerstörte Bauchdecke mithilfe eines Stücks Schweinehaut stabilisiert. Anschließend bauten Tektas’ eigene Zellen das Gewebe wieder komplett neu auf.

Ersatzgewebe und Organe wie Herz, Niere, Leber oder Lunge nachwachsen zu lassen oder sie gar im Labor zu züchten ist nicht nur ein Menschheitstraum – es ist eine dringende medizinische Notwendigkeit. Denn in einer alternden Gesellschaft steigt die Zahl der Menschen, bei denen einzelne Organe ausfallen. So warteten nach Angaben der Organvermittlungsagentur Eurotransplant in Deutschland derzeit 11 570 Menschen auf ein Spenderorgan. Im gesamten Vorjahr wurden aber nur 4115 Organe verpflanzt.

Organe gedeihen in Laboren

Die Unterversorgung hat tödliche Folgen: Täglich sterben in Deutschland drei Menschen, weil sie nicht rechtzeitig an ein neues, gesundes Organ gelangen. Zurzeit versucht die Bundesregierung zwar mit massiven Aufklärungskampagnen, die Menschen zu mehr Organspenden zu bewegen. Doch viele Experten schätzen, dass sich an der akuten Notlage dadurch wenig ändern wird.

Forscher versuchen daher, die benötigten Organe und Gewebe selbst herzustellen. Und dabei machen sie riesige Fortschritte. Ganze Herzen, Lebern, Nieren, Bauchspeicheldrüsen, Hüft- oder Kniegelenke im Labor nachwachsen zu lassen ist zwar auch nach 30 Jahren Forschung noch nicht gelungen. Möglich aber ist die Rekonstruktion von Haut, Knorpeln, Adern, der Harnröhre und sogar der Blase. Auch Stränge von Herzmuskeln gedeihen bereits in den Laboren.

Nun machen Forscher auch mit noch weit größeren und komplexeren Körperteilen Fortschritte: Sie experimentieren dafür mit einer Kombination aus tierischen, menschlichen oder synthetischen Unterlagen und Stammzellen. Mit dieser Kombination konnten etwa Forscher in Barcelona und Stockholm bereits Luftröhren im Labor herstellen und Patienten einsetzen.

Körper als Bioreaktor

Tissue-Engineering-Chef Hilfiker Quelle: Stefan Kröger für WirtschaftsWoche

Die größten Erfolge haben derzeit Forschergruppen, die den menschlichen Körper selbst als Bioreaktor nutzen, wie auch bei dem Vater des Bad Homburger Bräutigams Tektas. Seine Bauchdecke war durch mehrere Darmoperationen so schwer beschädigt, dass sie mit den üblichen synthetischen Netzen, wie sie bei überschaubaren Nabel- oder Leistenbrüchen eingesetzt werden, nicht zu stabilisieren war. Da kam sein Arzt Strey auf die Idee, die speziell aufbereitete Schweinehaut namens Strattice des US-Unternehmens KCI Lifecell zu verwenden.

Bislang kommt Strattice vor allem bei Brustkrebspatientinnen zum Einsatz, deren Busen nach der Entfernung des Tumors wieder aufgebaut werden soll. Dazu wird die Schweinehaut mit einer rabiaten Waschprozedur von jeglichen Zellen befreit, um eine Abstoßungsreaktion zu verhindern. Auch ein noch in der Schweineschwarte steckender, störender Zucker namens Alphagalaktose wird biochemisch abgelöst. Auch auf ihn würde der Körper mit Abstoßung reagieren.

Der derartig traktierte Schweinehautlappen ist anschließend ungesund kalkweiß. Er besteht fast nur noch aus Kollagen, dem Bindegewebsprotein, das Knorpel und Knochen aufbaut. Er ist zugleich elastisch und stabil. Damit gibt ein 15 mal 15 Zentimeter großes Reparaturstück einer restaurierten Bauchdecke Halt. Der Hauptvorteil aber ist: Alle Hohlräume für Adern sind noch vorhanden. Damit weist das Implantat den körpereigenen Stammzellen, die vom Körper zur Reparatur der Wunde entsandt werden, den Weg und gibt ihnen eine klare Form vor.

Abstoßungsreaktion gilt es zu verhindern

Strey war dennoch skeptisch – zum einen wegen der notwendigen siebenstündigen Operation. Zudem fürchtete er, dass sein Patient wegen seines Glaubens mit der Herkunft des Ersatzgewebes Probleme hätte. Doch der gab ihm zu verstehen: Solange er das Schwein nicht esse, sei es in Ordnung. Tatsächlich ist im Islam die medizinische Nutzung von Schweineprodukten legitim, von der Gelatine-Kapsel rund um Medikamente bis zum Bauchersatz.

Als Strey immer noch zögerte, drängte Tektas ihn, es doch zu versuchen. Schließlich wünschte er sich nichts sehnlicher, als auf der Hochzeit seine Sohnes fit zu sein. Der Eingriff gelang. Und der Erfolg war so groß, dass die Bauchdecke auch anderthalb Jahre später keine Probleme bereitet. Inzwischen hat Strey die Operation fünf weitere Male durchgeführt. Er sagt: „So können wir Menschen helfen, die sonst ans Bett gefesselt sind oder sich kaum bewegen können.“

Was im Bauchraum gute Erfolge zeigt, funktioniert an anderer Stelle im Körper nicht ganz so optimal, etwa im Herzen. Auch dort werden zum Beispiel defekte Herzklappen durch menschliche Spenderklappen ersetzt. In diesem Fall wird das Gewebe aber mithilfe von Chemikalien regelrecht abgetötet, um eine Abstoßungsreaktion zu verhindern. Das hat gravierende Nachteile: Die Klappen erstarren nach und nach und funktionieren dann nicht mehr. Außerdem lagern sich Fett- und Kalkreste auf ihnen ab, die tödliche Infarkte auslösen können.

Lebendes Gewebe von Vorteil

Forscher schaut durch ein Gefäß Quelle: dpa/dpaweb

All diese Probleme ließen sich vermeiden, wenn das Gewebe wirklich leben würde, sagt Andres Hilfiker. Er leitet in Hannover den Bereich Tissue Engineering an den Leibniz Laboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe (Lebao). Gegründet hat diese international renommierte Ideenschmiede der Organzuchtpionier und Herzchirurg Axel Haverich. Seit 2006 ist das Lebao auch Teil eines 130 Forscher starken Spitzenforschungsclusters namens Rebirth.

Die Wiedergeburt ist zwar noch nicht endgültig geglückt. Doch einen Teilerfolg kann die Lebao-Ausgründung Corlife schon verbuchen: Sie stellte im Frühjahr Herzklappen vor, die nicht erstarren und zudem mitwachsen. Gerade für herzkranke Kinder sei das ideal, sagt Hilfiker: „Sie müssen bisher immer wieder operiert werden.“ Auch Erwachsene müssen die erstarrten Klappen alle paar Jahre wechseln lassen. Bei den neuen Klappen aus Hannover handelt es sich um menschliche Spenderklappen. Sie werden wie das Schweinehautpräparat Strattice von allen Zellen befreit, um eine Abstoßung zu verhindern. 70 Mal wurden sie schon eingesetzt.

Ganz unabhängig sind die Entwickler damit noch nicht von den gespendeten Klappen von Verstorbenen. Eine Alternative dazu könnte mithilfe des Schweins gelingen, dessen Herz in Größe und Bauweise dem des Menschen sehr ähnlich ist. Der Vorteil wäre offensichtlich: Die Tiere werden als Fleischlieferanten ohnehin zigtausendfach geschlachtet. Ließen sich ihre Herzklappen nutzen, wären die gut 18 000 Patienten, die pro Jahr in Deutschland eine neue Herzklappe bekommen, schnell mit einem optimal einwachsenden Reparatur-Set versorgt.

Genetische Tricks

Anders als die Entwickler von Lifecell hat der Entwicklungsbiologe Hilfiker aber die Erfahrung gemacht, dass neben den Schweinezellen und dem Zucker Alphagalaktose noch andere schweinetypische Erkennungsmoleküle auf dem Gewebe sitzen: „Wenn wir Schweineklappen in Schafe einsetzten, gab es Abstoßungsreaktionen.“ Deshalb versucht der Forscher nun, diese störenden Strukturen zu identifizieren und sie von den schweinischen Klappengerüsten abzulösen.

Über einen gentechnischen Trick versucht er zudem, Schweine dem Menschen ein bisschen ähnlicher zu machen. Dazu schaltet er alle Gene aus, die die Alphagalaktose und weitere schweinetypischen Strukturen auf dem Kollagen verankern. Knock-out-Schweine heißen solche Tiere, die Heiner Niemann vom Institut für Nutztiergenetik in Mariensee bei Hannover für Hilfiker entwickelt. Rein äußerlich sind sie nicht von normalen Schweinen zu unterscheiden.

Ideal indes ist erst die Zucht von komplett menschlichen Klappen oder Herzmuskelgewebe im Labor. Auch daran arbeitet Hilfiker – gemeinsam mit seiner Kollegin Ina Gruh und deren achtköpfigem Team.

Zuckender Muskelstrang

Eine Mitarbeiterin der Deutschen Stiftung für Organtransplantation trägt eine spezielle Kühlbox für Spenderorgane. Quelle: dpa

Gruh leitet eine Art Fitnesscenter für Herzmuskeln im neuen Lebao-Forschungsgebäude am Rande des Geländes der Medizinischen Hochschule Hannover. Wenn sie sich am Mikroskop niederlässt, schaltet sie erst einmal die Heizplatte darunter an. Denn die halbfingernagellangen Muskelstränge, die ihr Team hier im Brutschrank aufpäppelt, lieben es warm.

Sobald die Heizplatte 37 Grad Celsius erreicht hat, stellt Gruh die etwa fünf mal fünf Zentimeter großen Glasschälchen mit den Muskelpräparaten unter das Mikroskop. Erst vor wenigen Tagen hatten ihre Forscherkollegen eine Mixtour aus einigen Hunderttausend Stammzellen von Versuchsmäusen mit dem Gerüststoff Kollagen, bestimmten Wachstumsfaktoren und einer Nährlösung in diese Mini-Bioreaktoren geschüttet.

Inzwischen haben sich die Zellen nicht nur stark vermehrt, sondern dank der Wachstumsfaktoren auch zu Herzmuskelzellen ausdifferenziert und zu einem Muskelstrang zusammengetan. Das Ganze ist ebenmäßig organisiert wie ein natürlich gewachsener Muskel. Ganz ähnlich, wie ein echter Skelettmuskel am Knochen festgewachsen ist, klammert sich auch der künstliche Strang an den oben und unten im Bioreaktor dafür vorgesehenen Haltestangen fest. Tatsächlich arbeitet der Zuchtmuskel genau wie ein echter Herzmuskel: Die Zellen ziehen sich im Gleichtakt zusammen und entspannen sich wieder, wie Ruderer auf einem Boot. Ganz ohne Training geht das allerdings nicht. Und deshalb ist seitlich am Bioreaktor eine Art Miniexpander angebracht, der die Zellen wie in einem Fitnessstudio auf ihre spätere Aufgabe vorbereitet. Auf der anderen Seite ist eine Messapparatur angebracht, die feststellt, wie oft der Muskel sich anspannt und wie kräftig er dabei ist.

Kein Weg an ethisch unproblematischen Zellen vorbei

Zwar sind es bisher nur Mäusezellen, mit denen Biochemikerin Gruh arbeitet. Das Erreichte wäre jedoch vor wenigen Jahren noch undenkbar gewesen. Damals feierten Forscher es als Sensation, dass sie einzelne embryonale Stammzellen zu Herzmuskelzellen machen konnten, die zuckten. Nun zuckt der ganze Muskelstrang – und Gruh ist zufrieden. Immerhin könnten sich so bestimmte von einem Infarkt geschädigte Bereiche eines Patientenherzens reparieren lassen, wenn sie eines Tages aus menschlichen Zellen gezüchtet würden.

Dabei sind sich Gruh und Hilfiker absolut einig: Für Präparate, die später am Menschen eingesetzt werden, führt kein Weg an den ethisch unproblematischen Zellen vorbei. Sie müssten aus den Zellen eines erwachsenen Menschen gewonnen und anschließend in ein quasi-embryonales Stadium zurückversetzt werden. Aus Embryonen gewonnene Zellen, die der Europäische Gerichtshof gerade mit einem Patent-Bann belegt hat, würden sie nicht benutzen.

Der Weg vom Minimäusemuskel zum Herzen ist noch weit, das wissen auch Gruh, Hilfiker und ihr Chef Haverich. Deshalb arbeiten sie zunächst an einem Zuchtorgan, das vielleicht nicht genauso leistungsstark ist wie das ganze Herz. Es wird auch nur eine Herzkammer haben statt vier wie das Original. Es könnte als eine Art Hilfspumpe in den Bauchraum oder in den Brustkorb implantiert werden. Haverich ist überzeugt: „In fünf Jahren können wir so ein Herz züchten.“

Mühsamer Aufbau von Organstrukturen

Insgesamt warten 11570 Menschen in Deutschland auf ein Spenderorgan. Quelle: dpa/dpaweb

Um solch einen Gewebekomplex wachsen zu lassen, hat Hilfiker gerade die nächste Bioreaktoren-Generation geliefert bekommen. Generell haben die Forscher das Problem, dass ihre Gewebeschnipsel nur so lange gedeihen, wie sie dünn und klein sind. Dann können sie sich noch durch reine Diffusion mit Nährstoffen versorgen. Ab einem gewissen Volumen funktioniert das nur noch mithilfe von Adern.

Der Trick an dem neuen Bioreaktor ist deshalb ein mehrschichtiger Aufbau: In die untere Etage legen die Forscher eine Gewebeschicht, die wie der Versorgungstrakt für die darauf wachsenden Schichten funktioniert. In etwa wie die Zentralheizung im Keller eines Gebäudes, die über Rohre das warme Wasser in sämtliche darüberliegenden Etagen schickt. Auf der Versorgungsschicht soll bald ein viel dickerer Muskelstrang aus Stammzellen wachsen können als bisher.

Zusammen mit Corlife haben die Forscher ein solches Gewebe namens Biovam schon entwickelt und patentiert. Sie gewinnen es aus Schweinedarm, wobei die Blutgefäße erhalten bleiben. Diese müssen an den künstlichen Blutstrom im Bioreaktor angeschlossen und wie in einer echten Operation miteinander vernäht werden. „Auch im Körper muss so ein Stück Herzmuskel sofort richtig an das Blutgefäßsystem angeschlossen werden“, sagt Hilfiker. Sonst drohe ihm genau dasselbe Schicksal wie dem zuvor durch einen Infarkt geschädigten Herzmuskel: Nach vier bis sechs Stunden wäre er tot.

Noch scheint der Aufbau von komplexen Organstrukturen extrem mühsam. Doch schon haben hannoversche Wissenschaftler gemeinsam mit Laserforschern eine neue Idee entwickelt, wie sie mithilfe von Laserstrahlen die Zellen in einer gelartigen Masse genau dorthin leiten, wo sie später im Organ auch sitzen sollen. Der Laserstrahl druckt dabei eine Art dreidimensionalen Lageplan ins Gel. In ersten Tests ließen sich verschiedene Zelltypen so tatsächlich mithilfe des Laserstrahls an ihren Bestimmungsort dirigieren, ohne dabei Schaden zu nehmen.

Organe drucken

Auch wenn es noch futuristisch klingt: Frank Luyten ist überzeugt davon, dass Ersatzorgane eines Tages aus dem Drucker kommen werden. Der Rheumatologe, der an der katholischen Universität Leuven in Belgien lehrt und forscht, ist einer der Pioniere, wenn es um die Zucht von Knorpeln, Knochen und Gelenken geht. So ist er Mitgründer des Startups Tigenix, ein inzwischen börsennotiertes Unternehmen, das sich auf die Zucht von patienteneigenem Knieknorpel spezialisiert hat.

Luyten selbst ist schon in der nächsten Entwicklungsstufe angelangt, der dritten Dimension: Er wird nicht nur zum Ende des Jahres ein neues Unternehmen gründen. Er will auch in zehn Jahren das erste künstliche Gelenk aus dem Labor vorstellen.

Dabei ist der Chef der belgischen Tissue-Engineering-Plattform Prometheus überzeug, dass der Zucht von Geweben und Organen ein gigantischer Entwicklungsschub bevorsteht: Es sei wie zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als Chemiker gerade begriffen hatten, wie chemische Reaktionen ablaufen. „Sie konnten noch nicht gleich Kunststoffbecher oder Plastikstühle machen“, sagt Luyten. Das habe noch ein paar Jahre gedauert.

Die Situation in der Gewebezucht sei absolut vergleichbar, denn die Forschung hätte in den vergangenen 20 Jahren enorm viel Wissen darüber gewonnen, wie die Biologie Organe und Gewebe wachsen lässt, meint der Forscher: „Leider sind wir noch nicht in der Lage, es korrekt nachzumachen, aber wir sind kurz davor.“

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