The Human Body Shop

Es ist jetzt ein Jahrzehnt her, und ein älterer Mann erhält die düstere Nachricht, dass sein Herz schnell verfällt und dass die linke Herzkammer – die Kammer, die das Blut in den Körper drückt – ersetzt werden muss. Sein Arzt nimmt eine Biopsie der noch gesunden Herzzellen und schickt das Gewebe in ein Labor, das eigentlich eine Organfabrik ist. Dort fertigen und züchten Arbeiter aus patienteneigenen Zellen und speziellen Polymeren ein vom Originalhersteller zertifiziertes Ersatzteil. Innerhalb von drei Monaten wird der neue Ventrikel eingefroren, verpackt und ins Krankenhaus geschickt, wo der Patient einem chirurgischen Standardverfahren unterzogen wird: dem Einsetzen eines lebenden Implantats, das aus seinem eigenen Gewebe hergestellt wurde. Die Operation rettet ihm das Leben.

Vor nicht allzu langer Zeit schien die Vorstellung, lebende Körperersatzteile zu entwerfen und zu züchten – ein Prozess, der heute als Tissue Engineering bekannt ist – reine Fantasie zu sein. Forscher der Biotechnologie sind jedoch zuversichtlich, dass der Tag kommen wird, an dem Szenarien wie das obige dank der im letzten Jahrzehnt erzielten Fortschritte bei Biomaterialien, die mit lebenden Zellen und der Kultivierung von neuem Gewebe kompatibel sind, real und alltäglich sein werden, und zwar weit besseres Verständnis dafür, wie sich Zellen tatsächlich verhalten. Die Frage ist nur, wann? Einige sagen voraus, dass innerhalb von 20 Jahren, möglicherweise früher, Ersatzventrikel, Blasen und dergleichen ohne weiteres verfügbar sein werden. Bei komplexen Organen wie der Lunge könnte es jedoch bis Mitte des Jahrhunderts dauern.

genetische Veränderung menschlicher Embryonen

Ein Lauf auf Orgeln



Für kranke Patienten können Durchbrüche bei gewebemanipulierten Organen nicht früh genug erfolgen. Der Mangel an Spenderorganen ist berüchtigt. Im Jahr 1999 (dem letzten Jahr, für das vollständige Daten verfügbar sind) befanden sich laut Statistiken des United Network for Organ Sharing allein in den Vereinigten Staaten mehr als 72.000 Menschen auf Wartelisten für Transplantationen. Bis zum Jahresende starben über 6.100 Menschen wartend.

Dutzende Gruppen aus Industrie und Wissenschaft hoffen, diese Todesfälle zu verhindern, indem sie an Techniken zur Herstellung neuer Organe aus Zellen von Embryonen, Kadavern oder Patienten selbst arbeiten, kombiniert mit speziellen Biomaterialien. Die meisten aktuellen Arbeiten im kommerziellen Bereich konzentrieren sich auf Gewebe, Klappen und andere Bestandteile von Organen ( siehe Tissue Engineering in der Industrie unten ). Es gibt bereits eine Handvoll Tissue-Engineering-Produkte auf dem Markt – Haut-, Knochen- und Knorpelimplantate und Pflaster – die ersten Erfolge in einem jungen Feld.

Michael Ehrenreich, Präsident von Techvest, einer in New York ansässigen Investmentgesellschaft, die den Biotech-Sektor eng verfolgt, sieht in solchen Errungenschaften nur einen Hinweis auf das, was noch kommen wird, und sagt offen, wo Tissue Engineering jetzt steht. Haut. Große Sache. Es ist ein Proof of Concept, sagt Ehrenreich. Am Ende des Tages werden viele von uns an einer Art Organversagen sterben. Das wird diesen Markt antreiben. Und noch niemand hat ein vaskularisiertes Organ wirklich in Angriff genommen.

Ehrenreich hat eines der ärgerlichsten Probleme angesprochen, mit denen Tissue Engineers konfrontiert sind: Die meisten Organe benötigen ein eigenes Gefäßsystem oder ein Netzwerk von Blutgefäßen, um die Nährstoffe zu erhalten, die sie zum Überleben brauchen und um ihre beabsichtigten Funktionen zu erfüllen. Bevor Forscher also ein Organ in Originalgröße bauen können, beispielsweise eine Leber oder eine Lunge, müssen sie lernen, Blutgefäße herzustellen.

Tissue Engineering in der Industrie

Blutlinien

Ein wichtiger Fortschritt an dieser Front kam vor zwei Jahren, als die biomedizinischen Ingenieure des MIT, Robert Langer und Laura Niklason (jetzt am Duke University Medical Center) ganze Blutgefäße aus einigen wenigen Zellen züchteten, die Schweinen entnommen wurden. Niklason, der die Bemühungen leitete und einen Großteil der Arbeit während eines Aufenthaltes in Langers Labor erledigte, begann mit der Entnahme kleiner Biopsien aus den Halsschlagadern eines sechs Monate alten Miniaturschweins. Sie isolierte glatte Muskelzellen aus jeder Gewebeprobe und verwendete diese Zellen, um die äußere Oberfläche eines röhrenförmigen Gerüsts aus einem biologisch abbaubaren Polymer, das in Nähten verwendet wird, auszusäen. Als nächstes kultivierte Niklason jedes neue Gefäß in einer eigenen speziellen Wachstumskammer, einem sogenannten Bioreaktor. Bioreaktoren sind Standard im Tissue Engineering, aber in diesem Fall gab es eine Wendung.

Wie Langer erklärt, haben wir diese kleinen Pumpen, die wie ein Herz schlagen, aufgestellt und an die künstlichen Blutgefäße angeschlossen. Die Forscher fanden heraus, dass die Pulsation die Muskelzellen dazu anregte, nach innen zu wandern, mikroskopisch kleine Fragmente des Polymers zu umhüllen und letztendlich die Blutgefäße viel stärker zu machen. Nachdem sie die Gefäße mehrere Wochen lang in der pulsierenden Umgebung gezüchtet hatten, fügten sie Endothelzellen – die dünnen, flachen Zellen, die das Innere vieler Gewebe, einschließlich Blutgefäße – auskleiden, zu ihren inneren Oberflächen hinzu und züchteten sie für einige weitere Tage.

Festkörperbatterie-Quantenlandschaft

Diese einzige Änderung hat alles total verändert, sagt Langer. Wir waren tatsächlich in der Lage, Blutgefäße herzustellen, die wie echte Gefäße aussahen. Sie funktionierten auch wie echte Blutgefäße und blieben mehrere Wochen lang offen und frei von Blutgerinnseln, als die Forscher sie in große Arterien in den Beinen der Schweine verpflanzten. Der Schlüssel, um dies zum Laufen zu bringen, bestand darin, nachzuahmen, was der Körper tat, indem er die Gefäße in einer Umgebung wachsen ließ, die genauso pulsierte wie ein echtes Kreislaufsystem, sagt Langer.

Beagle-Blasen und menschliche Herzen

dwave quantencomputer preis

Auch ohne die Technologie zum Bau umfangreicher Gefäßsysteme hat es ein durch Tissue-Engineering hergestelltes Organ fast bis in die Erprobung am Menschen geschafft: die Blase. Anthony Atala, ein Urologe und Direktor für Tissue Engineering am Children’s Hospital in Boston, beschloss, eine Blase zu bauen, weil dies zunächst das einfachste Organ zu sein schien. In einer wegweisenden Arbeit in den späten 1990er Jahren baute Atalas Team neue Blasen für sechs Beagles. Die Forscher begannen damit, eine Biopsie von einem Quadratzentimeter aus der natürlichen Blase jedes Hundes zu entnehmen, die Auskleidungszellen und die Muskelzellen aus der Biopsie zu isolieren und jeden Zelltyp separat zu kultivieren.

Nach einem Monat hatte Atalas Team genug Zellen – 300 Millionen von jedem Typ – gezüchtet, um eine künstliche Blase zu bauen. Sie nutzten die Muskelzellen, um die Außenseite eines blasenförmigen Polymergerüsts zu umhüllen, und die Auskleidungszellen, um die Innenseite zu bedecken. Die Forscher implantierten einem Hund jede neue Blase, nachdem die eigene Blase des Hundes entfernt worden war. Die Forscher fanden heraus, dass nicht nur Blutgefäße aus dem umliegenden Gewebe in die Tissue-Engineering-Blase einwuchsen und ihr Gewebe gesund hielten, sondern dass die Hunde auch fast so viel Blasenkapazität hatten wie Hunde mit Originalausrüstung.

Die frühen Arbeiten verliefen so gut, dass Curis in Atala und Cambridge, MA, hofft, noch in diesem Jahr mit den ersten Tests der neuen Blase beim Menschen beginnen zu können. Dennoch ist Atala realistisch in Bezug auf das, was er bereits erreicht hat. Zum einen hat er die Frage, wie lange eine biotechnologisch hergestellte Blase hält, noch nicht beantwortet. Bei der Blase werde es noch mehrere Jahre dauern, bis wir die Langzeitergebnisse kennen, erklärt er. Wir haben sicherlich eine gute Vorgeschichte mit Haut. Zwanzig Jahre später wissen wir, dass es in Ordnung ist. Mit Knorpel im Knie haben wir eine vier- oder fünfjährige Vorgeschichte von der ersten Platzierung bei Patienten an. Aber mit der Blase, sagt Atala, wissen wir es einfach nicht.

Inzwischen hat Atalas Labor damit begonnen, sich mit der Niere zu befassen und hat bereits kleine nierenähnliche Einheiten gebaut, die Urin produzieren können. Da es sich bei der Niere jedoch um eine hochkomplexe Struktur mit bis zu 20 verschiedenen Zelltypen handelt, müssen Forscher viele technische Hürden nehmen, bevor sie allein in den USA Organe in Originalgröße für die fast 48.000 Menschen herstellen können, die auf Nierentransplantationslisten warten .

Die Gewebekonstruktion eines Herzens wird ebenfalls eine gewaltige Aufgabe sein, aber es gibt eine Reihe von Gründen zu der Annahme, dass in nicht allzu ferner Zukunft konkrete Schritte in diese Richtung unternommen werden. Zum einen besteht das Herz aus weniger als 10 verschiedenen Zelltypen. Vielleicht noch wichtiger ist, dass es zwei große Forschungskonsortien gibt, die auf das Organ abzielen. Eine davon ist die LIFE-Initiative (for Living Implants from Engineering), die 1998 ins Leben gerufen und von Michael Sefton von der Universität Toronto mit Hilfe eines Lenkungsausschusses koordiniert wurde, dem Vacanti vom Massachusetts General Hospital und Langer vom MIT angehören. Die Initiative hat 60 akademische und staatliche Forscher aus Nordamerika, Europa und Japan zusammengebracht, um an der kritischen Pumpe des Körpers zu arbeiten. Sagt Sefton, wenn wir das Herz lösen können, werden die anderen Organe folgen.

Sefton gibt bereitwillig zu, dass ein so riesiges Projekt wie der Bau des Herzens auf den ersten Blick lächerlich ist. Dennoch glaubt er, dass ein Konsortium von Forschern in der Lage sein wird, dies zu verwirklichen, indem es die Arbeit in Teilaufgaben zerlegt – etwa die Isolierung menschlicher Herzmuskelzellen oder den Bau flexibler Gerüste zur Unterstützung dieser Zellen.

buttigieg grün neuer Deal

Dieses Modell wird laut Sefton auch in einer Zusammenarbeit zwischen Universität und Industrie unter der Leitung der University of Washington getestet. Das Projekt der University of Washington wird durch einen Zuschuss von 10 Millionen US-Dollar von den National Institutes of Health finanziert und umfasst mehr als 40 Forscher. Die erste besteht darin, ein Gewebe-Engineering-Pflaster zu erzeugen, das auf ein geschädigtes Herz transplantiert werden kann. Längerfristig hoffen die Forscher, implantierbare linke Ventrikel zu bauen, ein Ziel, das Sefton als Mini-Moonshot sieht, der innerhalb des Jahrzehnts erreicht werden könnte. Aber ein voll funktionsfähiges biotechnologisches Herz, sagt Sefton, wird wahrscheinlich Milliarden von Dollar kosten – und weder die LIFE-Initiative noch die University of Washington haben diese Art von Geld bisher aufgebracht.

Direkt aus der Fabrik

Letztendlich muss jede Methode zum Bau neuer menschlicher Organe von der US-amerikanischen Food and Drug Administration genehmigt werden. Und das bedeutet, dass Orgelbauer einen standardisierten, reproduzierbaren Herstellungsprozess benötigen, sagt die MIT-Bioingenieurin Linda Griffith. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich Griffith und ihre Kollegen einem Gerät zugewandt, das vom MIT-Ingenieur Emanuel Sachs erfunden und für das Rapid Prototyping und die Herstellung einer Vielzahl von Teilen und Werkzeugen verwendet wird: ein dreidimensionaler Pulverdrucker oder eine 3DP-Maschine.

Die Maschine baut Schicht für Schicht komplexe Formen auf, basierend auf einer Computerdatei, die das Objekt als eine Reihe horizontaler Schnitte darstellen kann. Eine Walze schiebt eine dünne Pulverschicht über eine flache Grundplatte, die auf einem Kolben ruht. Als nächstes verteilt ein Tintenstrahldrucker einen Klebstoff oder ein Bindemittel, um das Pulver nur dort zu verfestigen, wo die Blaupause für diese Scheibe festes Material erfordert. Der Kolben rastet dann die Platte um die Dicke der Schicht nach unten und der Vorgang beginnt von neuem. Wenn alle Schichten gedruckt sind, kann das neue Objekt aus der Maschine entnommen werden und das überschüssige Pulver fällt ab.

Durch die Anpassung des Druckers an die Verwendung von Polymerpulvern, mehreren Druckköpfen und speziellen Bindemitteln schufen Griffith und ihre Mitarbeiter ein Werkzeug, mit dem Polymergerüste für neue Gewebe und Organe in Massenproduktion hergestellt werden können. Der Drucker ermöglicht es den Forschern nicht nur, die Form eines Gerüsts mit hoher Präzision zu kontrollieren, sondern auch chemische Modifikationen an der Oberfläche der Struktur einzubauen, die verschiedenen Zelltypen genau sagen, wo und wie sie wachsen sollen.

Es ist genau diese Art von Feinsteuerung, die Gewebeingenieuren helfen kann, selbst die kompliziertesten Organe zu erobern. Tatsächlich arbeitet Griffith jetzt zusammen mit Therics aus Vacanti und Princeton, New Jersey, an Möglichkeiten zur Herstellung von Lebern und anderen Organen mit dreidimensionalem Druck. Griffith weiß bereits viel über das Wachstum von Lebergewebe; Sie arbeitete an den Details, während sie die Entwicklung eines auf Leberzellen basierenden Detektors für biologische Waffen für die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency leitete. Die Hoffnung ist, dass wissenschaftliche Erkenntnisse, kombiniert mit dreidimensionaler Drucktechnologie, den Bau einer Leber für die Implantation ermöglichen.

Wenn alles so läuft, wie Griffith, Vacanti und ihre Kollegen hoffen, könnten eines Tages Produktionsmaschinen in FDA-zertifizierten Orgelfabriken summen. Es ist noch zu früh, um zu wissen, ob diese Fabriken ganze Organe vor Ort produzieren oder stattdessen aufwendige Gerüststrukturen produzieren und versenden, auf denen Ärzte direkt im Krankenhaus patienteneigene Zellen züchten. Aber beide Ansätze versprechen im Erfolgsfall eines: ein Ende der Wartelisten für Transplantationen.

Begleitung Ort Produkte
in der Rohrleitung
Fortgeschrittene Gewebewissenschaften La Jolla, Kalifornien

Haut (TransCyte, Dermagraft); Knorpel, Bänder und Sehnen; Blutgefäße und Herzklappen

Genzyme Biochirurgie Cambridge, MA Knorpelzellen; Knorpeltransplantat (Carticel II)
CryoLife Kennesaw, Georgia Herzklappen und Blutgefäße; Bänder
Du kümmerst dich Cambridge, MA Knorpelgel zur Vorbeugung von Harnreflux (Chondrogel); Blase
Lebenszelle Branchburg, New Jersey Haut (AlloDerm); Blutgefäße; Bänder und Sehnen
Organogenese Kanton, MA Haut (Apligraf, Vitrix); Blutgefäße
verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen