3D-Biodrucker lösen Tierversuche ab

Menschliches Gewebe und Organe aus dem Drucker? Medikamente testen ohne Tierversuche? Schon bald soll das möglich sein. Mit Hilfe des sogenannten 3D-Bioprinting. Das Verbundprojekt 3D-Bio-Net hilft, die Anwendungen in Zukunft einfacher zu machen. 

3D Biodrucker
3D Biodrucker © Jonas Neugebauer für microTEC Südwest

3D-Drucker, mit denen aus Kunststoffen Schicht für Schicht dreidimensionale Gegenstände gedruckt werden können kennt man. Aber geht das auch mit lebenden Zellen? Welche Anforderungen müsste ein Drucker erfüllen und wo könnte dieser überall eingesetzt werden?

Diesen Fragen widmete sich das Verbundprojekt 3D-Bio-Net im Rahmen der Fördermaßnahme KMU-NetC. Die Partner aus Industrie und Forschung haben Materialien, Prozesse und einen 3D-Bioprinter entwickelt, der verschiedenste Drucktechnologien vereint und in der Lage ist, eine Vielzahl von Ausgangsstoffen zu verarbeiten. Hierzu zählen Stützstrukturen aus bioresorbierbaren Kunststoffen ebenso wie lebende menschliche Zellen und spezielle „Biotinten“, in diese die Zellen eingebettet werden. 

Anwendungsfeld „Ersatz von Tierversuchen durch Organ-on-Chip-Systeme“

Allein in Deutschland wurden laut Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft 2018 rund 3 Millionen Tiere für Tierversuche eingesetzt. Die Reduzierung oder sogar fast vollständige Vermeidung von Tierversuchen sollte daher ein essentielles Ziel sein. Eine vielversprechende Alternative bieten hier sogenannte Organ-on-Chip-Systeme. Dabei werden im Reagenzglas vermehrte lebende menschliche Zellen, z.B. Nierenzellen, zu dreidimensionalen Geweben gedruckt, die nicht größer als eine Fingerkuppe sind. Diese Mini-Organe bilden einen Teil eines echten menschlichen Organs nach, können mit Nährlösung „durchblutet“ werden und reagieren z.B. auf Medikamente vergleichbar wie das jeweilige Organ im menschlichen Körper. 

An diesen Mini-Organ-Systemen können dann neue Wirkstoffe und Medikamente getestet werden. Im Rahmen des Projektes konnten Organ-on-Chip-Systeme für die Niere, die Haut und die Blut-Hirn-Schranke entwickelt werden. Und diese Systeme haben noch weitere Vorteile: Neben der Vermeidung von Tierversuchen können Organ-on-Chip-Systeme zukünftig zu einer schnelleren und kostengünstigeren Entwicklung von Medikamenten beitragen. Weiterhin sind die Ergebnisse verlässlicher als diejenigen aus Tierversuchen, da durch die Nachbildung menschlicher Organe mit menschlichen Zellen eine bessere Übertragbarkeit auf den Menschen gewährleistet wird.

Anwendungsfeld „menschliches Knochen- und Knorpelgewebe für die regenerative Medizin“

Jedes Jahr werden in Deutschland ca. 225.000 Operationen infolge von schweren Knochenbrüchen in Gelenkbereichen durchgeführt (quelle: www.destatis.de). Bei derartigen Verletzungen nach Unfällen aber auch nach der Entfernung von Tumoren an Knochen, muss Knochen- und teilweise auch Knorpelgewebe ersetzt werden. Die bisherigen Therapien setzen auf die Überbrückung der Fehlstellen durch Schrauben oder plattenförmige Implantate aus künstlichen Materialien wie Kunststoff oder Titan. 

Ein innovativer Ansatz ist das Drucken und Implantieren von speziell behandelten, körpereigenen Zellen, sogenannten Knochenvorläuferzellen. Diese lebenden Implantate werden dann in die Defekte eingebracht und sollen im Laufe des Heilungsprozesses zu echten Knochen werden. Gerade die ausreichende Durchblutung von künstlichen Geweben ist ein kritischer Faktor. Gelingt diese nicht, kann kein gedrucktes Organ längere Zeit überleben. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Projekt ist es gelungen solche dreidimensionalen Vorläufer von Knochengewebe zu drucken, die vital und durchblutet sind.  Auch für komplexere Gewebe wie Niere, Leber oder Herz ist der Einsatz des 3D-Bioprintings denkbar. Weitere Forschungsaktivitäten in dieser Richtung sind in Planung. 

Hintergrund Bioprinting

Das 3D-Bioprinting ist eine der Zukunfts-Technologien, die Medizin und pharmazeutische Forschung fundamental verändern können. Eine große Herausforderung besteht in der hohen Komplexität dieser Methode: Beim Drucken von lebendem Gewebe und (Mikro-) Organmodellen müssen eine große Vielfalt von lebenden Zellen, verschiedene Biomaterialien wie z.B. Hydrogele oder Biopolymere sowie eine Vielzahl verschiedener Verarbeitungs- und Druckverfahren verwendet und beherrscht werden. Ein wesentlicher Bestandteil im Prozess ist auch die Berücksichtigung strenger regulatorischer Anforderungen für klinische Anwendungen. Das Projekt 3D-Bio-Net befasste sich mit der Gesamtheit dieser Herausforderungen.

Was ist das Verbundprojekt 3D-Bio-Net?

Das Verbundprojekt 3D-Bio-Net (FKZ 03VNE1034) wurde von 2017-2020 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Förderlinie KMU-NetC gefördert. In dem Projekt arbeiteten sowohl innovative KMU und Start-Ups als auch Forschungsinstitute, Universitäten und Klinik zusammen. Das Projekt wurde durch den Spitzencluster microTEC Südwest koordiniert und wird als offener Verbund auch über die Projektlaufzeit hinaus fortgeführt.

An dem Verbundprojekt 3D-Bio-Net waren folgende Partner beteiligt: Biofluidix GmbH, Freiburg (Hardwareentwicklung), Cellgenix GmbH, Freiburg (regulatorische Anforderungen), ibidi GmbH, Gräfelfing (Perfusionsplattform und mikrofluidische Chips), infoteam Software AG, Bubenreuth (Softwareentwicklung), Kunststoff-Institut Südwest GmbH & Co. KG, Villingen-Schwenningen (Charakterisierung von Kunststoffen), vasQlab am Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe (Biotinten). Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK (Prozessentwicklung), Klinik für Plastische und Handchirurgie am Universitätsklinikum Freiburg (Gewebekonstrukte Knochen und Knorpel), Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen NMI (“Organ-on-Chip”-Anwendungen). Der Spitzencluster microTEC Südwest koordinierte das Projekt über die gesamte Projektlaufzeit.