Noch ist das Herz etwa so groß wie eine Kirsche. Aber alles ist da: Blutgefäße, Gewebe, Zellen, Kammern. Ein israelischer Forscher zeigt den Prototyp.
Foto: Ilia Yefimovich/dpa

Tel AvivWenn Assaf und sein Kollege Paolo gleichzeitig im Raum sind, ist das Labor proppenvoll. Viel Platz haben die beiden Wissenschaftler nicht. Das kleine Zimmer teilen sie sich mit Reagenzgläsern, Kühlschränken, Petrischalen, Kabeln in jeder Form und Farbe und zwei großen 3D-Druckern. „So ein Ding kostet um einiges mehr als ein Auto“, sagt Paolo, der in der Forschergruppe der George S. Wise Faculty of Life Sciences an der Universität Tel Aviv für die beiden Maschinen verantwortlich ist. Mit ihnen ist den israelischen Wissenschaftlern so etwas wie eine Revolution gelungen: In diesem vollgestopften Laborraum wurde das erste von Menschenhand gemachte Herz geboren.

Zellen müssen zusammenarbeiten

Vorsichtig dreht Laborleiter Assaf Shapira einen Prototyp, der in Glas eingefasst wurde, zwischen Daumen und Zeigefinger. Noch ist das Organ etwa so groß wie eine Kirsche. Aber alles ist da: Blutgefäße, Gewebe, Zellen, Kammern, Pumpe. „Nur eben bisher ganz klein“, sagt Assaf Shapira.

Per Biopsie wurde Patienten zunächst eine Schicht Fettgewebe entnommen und in zelluläre und nicht zelluläre Bestandteile getrennt. Die Fettzellen wurden zu Stammzellen umprogrammiert, diese differenzierten sich wiederum in Herzzellen. Der Rest – das sogenannte extrazelluläre Material – wird dann zu einem sogenannten Hydrogel verarbeitet. „Das Ganze nennt man auch Biotinte“, erklärt Paolo und hält ein grünes Ventil ins Neonlicht: „Und die kommt dann hier raus“.

Mit diesem 3D-Drucker wird das Herz aus menschlichem Gewebe hergestellt.
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Bereits seit neun Jahren gibt es das Labor um Tal Dvrir und Assaf Shapira. Mit dem Boom um 3D-Drucker vor etwa fünf Jahren änderte sich jedoch einiges. „Wissenschaft und Technik entwickeln sich ja nicht linear, sondern exponentiell“, sagt Assaf Shapira. „Das heißt, eine Erfindung baut auf der nächsten auf und das Tempo beschleunigt sich damit zusehends.“ Aber er äußert sich vorsichtig, was die möglichen Ergebnisse betrifft. Er glaube zwar an das Projekt, wisse aber auch, dass noch einige Hürden zu überwinden seien, bis man wirklich von funktionierenden Organen aus dem 3D-Drucker sprechen könne.

Eine wissenschaftliche Revolution

3D-Drucker in der Medizin: Bereits heute entstehen in der Medizin in großem Stil genau an Patienten angepasste Zahnkronen, Hörgeräte und Knochenimplantate per 3D-Druck. Auch chirurgische Instrumente und sogar Tabletten werden auf diese Weise hergestellt. 

Bioprinter: Hierbei handelt es sich um 3D-Drucker für organische Substanzen. Das Forschungsfeld heißt Tissue Engineering. Forscher können erste Erfolge an Patienten vorweisen. Schottische Forscher stellten etwa für ein junges Mädchen, das an einer Fehlbildung litt, ein neues Ohr her.

Organe aus dem Drucker: US-Forscher stellten in diesem Jahr ein 3D-Organ vor, das die Lunge nachahmt und tatsächlich in der Lage wäre, das Blut mit Sauerstoff zu versorgen. Indische und US-Forscher entwickeln Lebergewebe, das Patienten mit Leberversagen implantiert werden könnte.

„Wir haben lediglich auf dem aufgebaut, was unsere Kollegen überall in der Welt schon erforscht haben“, sagt Assaf Shapira. Denn Versuche, Organe und Gewebe per 3D-Drucker herzustellen, gibt es an verschiedenen Orten der Welt. Erst jüngst zeigten Wissenschaftler der University of Washington und der Rice University in Texas, dass sich auch eine Lunge gut ausdrucken lässt.

In Israel konzentriert sich der Großteil der Forschung auf Haut und Knorpelgewebe. „Das liegt vor allem daran, dass wir nicht gerade ein friedlicher Ort sind. Die Nachfrage an kosmetischer Chirurgie nach Militäreinsätzen ist sehr hoch“, sagt Assaf Shapira.

Größtes Problem ist nicht der Druck des Herzens

In puncto Herz ist das größte Problem jedoch nicht die Drucktechnik, wie er erklärt. Es reicht leider nicht, die Zellen an der richtigen Stelle zu positionieren. Sie müssen auch so zusammenarbeiten, dass sie Organfunktionen übernehmen können. Denn auch wenn das Mini-Herz eigentlich über alles verfügt, was es zum Schlagen braucht, können sich die Zellen noch nicht synchron zusammenziehen.

Außerdem muss das Herz noch um einiges an Größe zulegen. Es soll wachsen und Proteine bilden, die Blutgefäße müssen sich verdichten, damit auch genug Sauerstoff ins Gewebe vordringen kann. „Hohle oder flache Strukturen wie etwa die Haut, die Blase oder eine Vene besitzen lediglich eine dünne Oberfläche, die versorgt werden muss“, sagt Assaf Shapira. „Organe wie Herz und Leber hingegen sind voluminös, und wir haben noch nicht genau verstanden, wie wir in die Mitte des Herzens vordringen und sie konstant mit genügend Sauerstoff versorgen können.“ Gelingt das aber nicht, sterben die Zellen im Inneren des Gewebes ab. „Oh, es sind hier schon einige Herzen gestorben“, fügt Assaf hinzu. „Bestimmt an die hundert.“

In Bioreaktor aus Deutschland soll Herz reifen

Um das zu verhindern, muss ein Bioreaktor her. Der kommt aus Deutschland. In diesem Tank soll das Herz reifen. Nährstoffe zirkulieren in ihm frei wie Fischfutter in einem Aquarium. Etwa zwei Wochen nach dem Drucken sollten die Zellen dann beginnen, „miteinander zu sprechen“, wie Assaf Shapira es ausdrückt. Sie organisieren sich selbst. Immerhin sind es Herzzellen, die wissen, was zu tun ist. „Na ja, ein Herz ist schon toll, aber nicht so komplex wie eine Leber. Letztendlich ist es nur eine Pumpe“, sagt der Wissenschaftler. Man könne sie auch mechanisch – also zum Beispiel aus Plastik – herstellen, fügt er hinzu. Das Problem dabei sei allerdings die Immunreaktion des Patienten.

Damit spricht der Biologe eines der größten Probleme bei Organtransplantationen an: Besteht das Gewebe nicht aus dem Zellmaterial des Patienten selbst, kommt es oft zu einer Abwehrreaktion des Körpers. Das fremde Organ wird abgestoßen. Patienten sind ihr Leben lang auf Medikamente angewiesen. Manchmal scheitert eine Transplantation auch ganz.

Das Herz aus Tel Aviv hingegen wäre komplett kompatibel mit dem Empfänger, weil es aus dessen Gewebe geschaffen wurde. Es gliche dem eigenen Herzen auch in Form und Struktur. Mithilfe der Computertomographie wollen die Forscher personalisierte Formen entwerfen, die perfekt auf die Größe und das Alter des Patienten angepasst sind.

Die Hoffnung, dass auf diese Weise der chronische Mangel an Spenderorganen behoben werden könnte, treibt Forscher weltweit an. Patienten warten nicht selten sechs bis acht Jahre auf ein Spenderorgan. Viele sterben, bevor eines zur Verfügung steht. Die Spendebereitschaft in der Bevölkerung ist zurückgegangen. Die Deutsche Stiftung für Organtransplantation (DSO) zählte im gesamten Jahr 2017 nur 797 Spender. Dies war die geringste Zahl seit zwanzig Jahren.

Weniger Tierversuche

Wenn es nach Professor Tal Dvrir, dem Leiter der Tel Aviver Studie geht, liegt die Lösung auf der Hand: Bereits in etwa zehn Jahren würden Krankenhäuser eigene Drucker haben und problemlos Organe, Haut und Adern drucken, wenn Bedarf bestehe, sagt er. Vielleicht sei es im nächsten Jahr schon so weit, dass man die Herzen aus dem Bioreaktor in Tierversuchen testen kann. Aber auch das soll bald der Vergangenheit angehören – mithilfe der In-Vitro-Technologie. Denn könne man erst Systeme aus menschlichen Zellen entwickeln, eigneten sich diese auch besser für Versuche als Tiere, so Tal Dvrir.

Mehr Ersatzorgane, weniger Tierversuche – die Arbeit von Assaf Shapira und Tal Dvir ist wichtig. Und eine ganz so ferne oder gar utopische Vision ist sie auch nicht mehr: „Jede wissenschaftliche Innovation klingt am Anfang erstmal nach Science Fiction“, der Assaf Shapira. „Aber ich hoffe – nein, ich glaube –, dass ich diese Dinge noch in meiner Lebenszeit erleben werde.“