Eine Zukunftsvision und ihre Ursprünge in der Gegenwart
Der Organ-Copyshop
Eine Technologie verändert die Welt. Dank immer augereifterer Techniken gibt es schon heute kaum noch etwas, dass man nicht in 3D „drucken“ könnte. Dieser Beitragt fragt, welche Konsequenzen diese Entwicklung für medizinische Eingriffe bei Organschäden hat.
Ein Blick in eine Klinik der Zukunft:
„Transplantationsliste? Was für ein Unwort alter Tage. Das haben wir hier schon seit Jahrzehnten nicht mehr gehört… Wenn die Niere versagt, ordert der Arzt eine vom regionalen Regenerationszentrum. Oder, wie der Volksmund sagt: Der Doktor bestellt beim Organdrucker.
Zelle für Zelle wird hier das benötigte Organ zusammengesetzt. Ob Herz, Niere, Leber oder Lunge. Alles inklusive Blutversorgung und Nervensträngen. Die in Form gedruckten Zellen sind die des jeweiligen Patienten. Denn was Anfang des Jahrhunderts nur spärlich gemacht wurde, ist hier Gang und Gäbe: kurz nach unserem ersten Atemzug wird aus unserer Nabelschnur Blut entnommen. Die daraus gewonnenen Stammzellen werden neben vielen anderen Dinge auch dazu genutzt, die für das Organ benötigten Zellen zu züchten. Unsere Großväter haben uns noch erzählt, wie ihre Großeltern, sofern sie ein Organ benötigten, bis zu ihrem Lebensende Tabletten nehmen mussten. Das Organ wurde Verstorbenen entnommen und führte zu Abwehrreaktionen des Körpers, die mit Medikamenten unterbunden wurden. Das ist heute absolut unvorstellbar.“
Im Jahr 2012 haben es Wissenschaftler erstmals geschafft, eine künstliche, aber organische und funktionierende Rattenniere zu kreieren. Aus Stammzellen, die man zu Nierenzellen umprogrammiert hatte. An einem kleinen Stativ hängend, produzierte diese sogar kleine Tröpfchen Urin. Hier wurde kein 3D-Drucker verwendet, sondern ein totes, von Zellen befreites Organ als Gerüst, das von neuen Zellen besiedelt wurde.
In den Laboren anderer Forschergruppen ist man den Schritt zum gedruckten Organ schon gegangen. Das exakte Platzieren der einzelnen und vor allem unterschiedlichen Zellen ist möglich, und auch die Züchtung der verschiedenen Zelltypen ist – obgleich langwierig – inzwischen möglich. Doch dass alles reibungslos zu einer festen, organischen Masse zusammenwächst, gestaltet sich noch schwierig. Schließlich müssen die Zellarten letztlich so miteinander verbunden sein, dass das künstliche Organ wie ein natürliches arbeiten kann. Viele Wissenschaftler glauben an die Zukunft dieser Technik, wissen aber auch, dass der Weg dorthin ein aufwendiger sein wird.
Zurück in der Zukunft:
„Auch für andere operative Eingriffe greift die Medizin auf 3D-Drucker zurück. Wir können beispielsweise kompatible Hautstücke nachbestellen. Großflächige Verbrennungen sind dadurch längst kein zwangsläufiges Todesurteil mehr. Herzklappen, Därme, Mägen, Stimmapparate, selbst Geschlechtsorgane stellen kein Problem da. Ohrmuscheln und andere Knorpel können entweder nach körperlichem Vorbild oder nach individuellem Wunsch hergestellt werden. Allerdings werden rein ästhetisch bedingte Drucke nicht von den Krankenkassen unterstützt. Den größten Absatz machen Schönheitschirurgen mit gedrucktem Brust- und Muskelgewebe, das sie ihren Patienten implantieren. Vor einigen Jahrzehnten bestanden die Implantate noch maßgeblich aus Silikonen, aber die Natürlichkeit des 3D-Druck-Looks hat sich letztlich durchgesetzt.“
Haut zu drucken erscheint zunächst um einiges einfacher, als ein funktionierendes Herz Zelle für Zelle aufzubauen. Und tatsächlich gibt es einige Forschergruppen, die inzwischen dazu in der Lage sind, durch Drucken Bindegewebe- und Hornzellen erfolgreich zu etwas Hautähnlichem zu verbinden und Mäusen zu implantieren. Sogar Blutgefäße wachsen ausgehend vom Mäusekörper in das Implantatgewebe. Noch fehlen diesen Häuten viele Bestandteile, die das Original ausmachen. Drüsen und Haare beispielsweise.
Knorpellastige Gebilde wie Ohrmuscheln können heute schon sehr gut nachgebildet werden. Ein Forscherteam von der Cornell Universität ist dazu in der Lage, die dreidimensionalen Daten von menschlichen Ohrmuscheln in Knorpelkopien zu verwandeln. Dazu drucken sie in Gel eingebettete Zellen nach dem gegebenen Bauplan und lassen diese zwei Monate lang Knorpel synthetisieren – bis die komplette Ohrkopie daraus besteht.
Wieder in der Zukunft:
„Inzwischen ist in Deutschland von den Krankenkassen vorgeschrieben, dass Jugendliche ab dem 12. Lebensjahr alle zwei Jahre und Erwachsene ab dem 18. Lebensjahr alle fünf Jahre zum Körperscan antreten müssen. Die Entscheidung hat zwar zu großem Unmut in der Bevölkerung geführt, aber in manchen Fällen macht sie sich bezahlt.
Bei einem schweren Autounfall beispielsweise. Wenn Teile des Körpers so zertrümmert sind, dass sie komplett rekonstruiert werden müssen. Mithilfe der gespeicherten Scannerdaten können Ärzte Knochenersatzteile nach Vorbild des Originals drucken und den Körper somit nahezu in den ursprünglichen Zustand zurückformen. Egal ob eher ästhetischer (Wangen- oder Kieferknochen), als auch primär funktionaler Natur (Wirbel- oder Oberschenkelknochen). Die Ersatzteile sind aus einem Material, das nicht abgestoßen wird, im Gegenteil: Bereitwillig siedeln sich Knochenzellen in dem gestellten Gerüst an, nach einigen Monaten übernimmt das einstige Ersatzteil dieselben Aufgaben wie sein Vorgänger.“
Schon 2011 schafften es Wissenschaftler um Susmita Bose an der Washington State University, geeignetes Gerüstmaterial für Knochenbrüche zu entwickeln: Calciumphosphat, versetzt mit Zink und Silizium, um es härter zu machen. Die Grundidee war damals, dass eine Stelle, wo Knochenteile nach einer Verletzung fehlen, gescannt wird und dadurch ein passendes Stück Knochengerüst im Labor gedruckt werden könnte. Daran sollten sich dann nach und nach neue Knochenzellen ansiedeln, und der Knochen wäre so gut wie neu. Doch die Umsetzung dieser Idee braucht noch ihre Zeit.
Schon eingesetzt werden beispielsweise 3D-Drucke von Kieferknochen, und erst Ende 2014 wurde in China einem jungen Patienten ein gedruckter Wirbel implantiert. Meist werden für solche Zwecke zwar nicht sonderlich natürliche Materialien verwendet (Titanium), aber durch eine poröse Struktur lässt man den Knochenzellen Platz, sich in und auf dem Implantat festzusetzen.
„3D-Drucker kommen aber nicht nur zum Einsatz, wenn wir Teile unseres Körpers ersetzen müssen. Sie helfen auch bei der Vorsorge. Hat man sich etwas gebrochen, wird ein dreidimensionaler Druck der Fraktur angefertigt. Das Gleiche gilt für Nierensteine, Tumore und vieles mehr. Unsere Großväter haben uns teilweise noch von Röntgenbildern erzählt. Zweidimensionale Abbildungen, auf denen die Ärzte komplizierte Brüche nachvollziehen sollten. Doch schon damals war man dazu in der Lage, dreidimensionale Aufnahmen des Körperinneren aufzunehmen, und begann diese in speziellen Fällen auch zu drucken.“
John Cousins hielt Anfang 2015 vor Ärzten einen Vortrag über die Vorteile des 3D-Druckens, als er zusammenbrach und ins Krankenhaus geliefert werden musste. Die Diagnose: Nierenstein. Mit einem Blick auf den CT-Scan seiner Niere konnte Cousins – Geschäftsführer eines 3D-Drucker-Handels – nur daran denken, sein Leid mit seinem Beruf zu verbinden. Das Ergebnis dieses Gedankengangs war fünf Stunden später fertig: seine Niere zum Anfassen und Auseinanderbauen, samt Nierenstein in der Mitte. Die Chirurgen konnten das Modell tatsächlich dazu nutzen, sich bei Cousins Operation besser zu orientieren und die Länge des Eingriffs zu verkürzen.
Doch neben all der Kuriosität ist der Fall von Cousins längst kein Einzelereignis. Immer öfter nutzen Ärzte die Option, sich mithilfe von 3D-Modellen von Herzen, Gehirnen oder Tumoren auf Operationen vorzubereiten. Ab und zu geht diese Vorbereitung auch einen Schritt weiter.
„Schon sehr lange dienen uns 3D-Prints als eine Art medizinischer Crashtestdummy. Seither ist die Zahl an operativen Fehleingriffen um über 60 Prozent zurück gegangen. Ärzte lassen weiche, organisch anmutende Kopien der zu operierenden Organe oder Körperstellen anfertigen und üben daran den Eingriff, bevor sie sich an und in den Körper des Patienten wagen.“
Im Juli 2014 kam in New York ein Junge mit einem schweren Herzfehler zur Welt. Die CT-Aufnahmen reichten nicht aus, um sich ein klares Bild von der Lage in seinem kleinen Brustkorb zu machen. Das Herz eines Neugeborenen ist etwa so groß wie eine Walnuss. Doch ein weiches, 3D-gedrucktes Replikat von dem Herzen ermöglichte es dem Ärzteteam zu üben und einen genauen Plan für die bevorstehende Operation zu entwickeln. Mit Erfolg: Nach nur einem Eingriff (statt geplanten vier) war das Herz des eine Woche alten Säuglings repariert.
Hier verschwimmen Vision und Gegenwart.
Ob uns der 3D-Druck wirklich einmal dort hinführt, wovon viele Mediziner und Forscher träumen, sei einmal dahin gestellt. Aber ebenso lässt sich sagen: Gebraucht wird die Technik in der Medizin schon jetzt.
