Herzklappen aus dem 3D-Drucker
Forscher der Technischen Universität Berlin wollen Herzklappen entwickeln, die mit menschlichem Gewebe versehen in den Körper eingepflanzt werden können. Später soll sich der Kunststoff sogar auflösen. Ein ehrgeiziges Projekt, das momentan noch Grundlagenforschung ist.
Das hört sich nach Science-Fiction an - wird allerdings bereits erforscht. Konkret geht es dabei um Herzklappen. Die nämlich sollen in einem 3D-Drucker entstehen, mit menschlichen Zellen besiedelt und anschließend in den Körper eingepflanzt werden. Das ist Grundlagenforschung - doch die ersten Schritte sind gemacht. Thomas Gith berichtet.
Ortsbesuch im 3D-Labor der Technischen Universität Berlin. Ingenieur Ben Jastram geht durch einen fensterlosen Flur, bleibt dann vor einer unscheinbaren Tür stehen. Im Raum dahinter steht ein mannshohes Gerät, das wie ein riesiger Kühlschrank aussieht - nur dass es in seinem Inneren sehr heiß wird. Es ist der 3D-Drucker, in dem Herzklappen aus Kunststoff entstehen, erklärt Ben Jastram:
"Hier drin wird ein Kunststoffpulver verarbeitet. Und das passiert Schicht für Schicht in einem Auftragsprozess. Also die Schichten werden Schicht für Schicht von unten nach oben aufgebaut. Und während dieses schichtweisen Aufbaus, verbindet ein Laser pro Schicht die einzelnen Partikel miteinander. So dass wir am Ende ein zusammenhängendes Objekt innerhalb dieses Bauraums von losem Pulver vor uns haben."
Das Pulver wird in hauchdünnen Schichten in eine Art Schublade verstreut: An den Stellen, an denen die Herzklappe entstehen soll, verschmilzt der Laser das Pulver, an den anderen Stellen bleibt es lose. Schicht um Schicht entsteht so eine Herzklappe, umgeben von losem Kunststoffpulver. Ziel ist es dabei, dass die Form der künstlichen Herzklappe der natürlichen Herzklappe des Patienten entspricht, sagt Professor Hartmut Schwandt:
"Es wird ja eine maßgeschneiderte Lösung angestrebt, dafür braucht man eine relativ hohe Präzision und die soll dadurch erzielt werden, dass man zum Beispiel von einem betroffenen Patienten eine Computertomographie der Herzklappe erstellt. Und diese Daten werden umgewandelt in ein computergestütztes 3D-Modell."
Bei der Computertomografie entstehen hunderte Querschnittsbilder des Herzens. Legt man diese zweidimensionalen Bilder mit Hilfe einer Software übereinander, entsteht ein 3D-Modell von Herz und Herzklappen. So wie viele übereinandergelegte Brotscheiben einen ganzen Brotlaib ergeben. Ben Jastram sitzt vor einem Rechner und zoomt durch so eine 3D-Aufnahme eines menschlichen Herzens:
"Also, das ist ganz interessant, was wir hier sehen ist die Aortenklappe, wenn wir ein bisschen weiter durch die Struktur zoomen, sehen wir hier dann die anderen Herzklappen, die dann räumlich ein bisschen verkippt zu der Aortenklappe stehen. Und diesen Bereich können wir dann entsprechend herausarbeiten, das wir die genaue Geometrie der Herzklappe vor uns haben."
Diese geometrischen Daten werden an den 3D-Drucker geschickt - in dem dann die jeweils individuelle Herzklappe aus Kunststoff entsteht. Das gedruckte Modell einer so genannten dreisegligen Aortenklappe gibt es bereits: Es sieht aus wie drei aneinander gelegte Fingerspitzen, die von einem Ring umgeben sind.
Von den vier Herzklappen des Menschen muss die Aortenklappe am häufigsten ersetzt werden. Die Idee der Forscher: Sie benutzen die gedruckte Herzklappe als Gerüst, um auf ihr noch im Labor menschliche Zellen anzusiedeln. Ein ehrgeiziges Ziel. Cora Lüders vom Deutschen Herzzentrum:
"Die große Herausforderung aus biologischer Sicht ist, die Zellen dahin zu bringen, dass sie nicht nur als loser Zellverband auf der Oberfläche dieses Gerüstmaterials liegen, sondern wirklich eine Gewebestruktur ausbilden, die in ihrer Funktionalität dem ursprünglichen Gewebe des Patienten entspricht."
Die künstliche Züchtung von solchem biologischen Gewebe nennt sich Tissue Engineering. Die gedruckten Herzklappen fungieren dabei wie ein Rankgerüst, auf dem die Zellen heranwachsen. Genutzt werden soll dabei Nabelschnurgewebe:
"Die Nabelschnurzellen, die isoliert werden für dieses Experiment, sind sehr junge Zellen, neonatale Zellen, die sehr gut in vitro, also im Labor wachsen. Und sie stehen in dem Ruf, vom Empfänger nicht als fremd erkannt zu werden."
Noch ist das Grundlagenforschung. Doch am Ende könnte es so eine neue Art der Herzklappenprothese geben: Mechanische Herzklappen oder die nur begrenzt haltbaren Schweineklappen, die bisher bei Patienten implantiert werden, ließen sich dann durch die gedruckten und sterilisierten Varianten ergänzen:
"Die jetzige Limitation der konventionellen Ersatzprothesen, also der biologischen Prothesen, beträgt bei einem erwachsenen Menschen in der Regel fünfzehn bis zwanzig Jahre. Bein Kindern ist diese Haltwertszeit geringer. Und die Hoffnung, die auf diesen Tissue Engineering basiert ist, dass es zu einer lebenslangen Haltbarkeit kommt, auf Grund der mangelnden Abstoßung und eines Einwachsens in der umgebende Gewebe."
Und langfristig sollen die gedruckten Herzklappen im Körper sogar ganz verschwinden, erläutert Mathematiker Hartmut Schwandt von der Technischen Universität Berlin:
"Das Fernziel, die Idee dabei ist, dass man letztlich eine Gewebestruktur sich entwickeln lassen kann, die dann im menschlichen Körper sich zu einer Herzklappe entwickelt, während gleichzeitig das Gerüst, aus diesem speziellen Material sich langsam aber sich im Laufe der Jahre auflöst."
Die EU fördert das Forschungsprojekt für zunächst drei Jahre mir 500.000 Euro. Die ersten Schritte sind derweil gemacht: Die Herzklappen wurden bereits als 3D-Grafiken modelliert und ausgedruckt, die Zellbesiedelung wird erprobt. Ein neues Druckmaterial, das sich langfristig im Körper auflöst, suchen die Forscher derzeit noch.
Mehr zur Sendereihe "Makers":
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Ortsbesuch im 3D-Labor der Technischen Universität Berlin. Ingenieur Ben Jastram geht durch einen fensterlosen Flur, bleibt dann vor einer unscheinbaren Tür stehen. Im Raum dahinter steht ein mannshohes Gerät, das wie ein riesiger Kühlschrank aussieht - nur dass es in seinem Inneren sehr heiß wird. Es ist der 3D-Drucker, in dem Herzklappen aus Kunststoff entstehen, erklärt Ben Jastram:
"Hier drin wird ein Kunststoffpulver verarbeitet. Und das passiert Schicht für Schicht in einem Auftragsprozess. Also die Schichten werden Schicht für Schicht von unten nach oben aufgebaut. Und während dieses schichtweisen Aufbaus, verbindet ein Laser pro Schicht die einzelnen Partikel miteinander. So dass wir am Ende ein zusammenhängendes Objekt innerhalb dieses Bauraums von losem Pulver vor uns haben."
Das Pulver wird in hauchdünnen Schichten in eine Art Schublade verstreut: An den Stellen, an denen die Herzklappe entstehen soll, verschmilzt der Laser das Pulver, an den anderen Stellen bleibt es lose. Schicht um Schicht entsteht so eine Herzklappe, umgeben von losem Kunststoffpulver. Ziel ist es dabei, dass die Form der künstlichen Herzklappe der natürlichen Herzklappe des Patienten entspricht, sagt Professor Hartmut Schwandt:
"Es wird ja eine maßgeschneiderte Lösung angestrebt, dafür braucht man eine relativ hohe Präzision und die soll dadurch erzielt werden, dass man zum Beispiel von einem betroffenen Patienten eine Computertomographie der Herzklappe erstellt. Und diese Daten werden umgewandelt in ein computergestütztes 3D-Modell."
Bei der Computertomografie entstehen hunderte Querschnittsbilder des Herzens. Legt man diese zweidimensionalen Bilder mit Hilfe einer Software übereinander, entsteht ein 3D-Modell von Herz und Herzklappen. So wie viele übereinandergelegte Brotscheiben einen ganzen Brotlaib ergeben. Ben Jastram sitzt vor einem Rechner und zoomt durch so eine 3D-Aufnahme eines menschlichen Herzens:
"Also, das ist ganz interessant, was wir hier sehen ist die Aortenklappe, wenn wir ein bisschen weiter durch die Struktur zoomen, sehen wir hier dann die anderen Herzklappen, die dann räumlich ein bisschen verkippt zu der Aortenklappe stehen. Und diesen Bereich können wir dann entsprechend herausarbeiten, das wir die genaue Geometrie der Herzklappe vor uns haben."
Diese geometrischen Daten werden an den 3D-Drucker geschickt - in dem dann die jeweils individuelle Herzklappe aus Kunststoff entsteht. Das gedruckte Modell einer so genannten dreisegligen Aortenklappe gibt es bereits: Es sieht aus wie drei aneinander gelegte Fingerspitzen, die von einem Ring umgeben sind.
Von den vier Herzklappen des Menschen muss die Aortenklappe am häufigsten ersetzt werden. Die Idee der Forscher: Sie benutzen die gedruckte Herzklappe als Gerüst, um auf ihr noch im Labor menschliche Zellen anzusiedeln. Ein ehrgeiziges Ziel. Cora Lüders vom Deutschen Herzzentrum:
"Die große Herausforderung aus biologischer Sicht ist, die Zellen dahin zu bringen, dass sie nicht nur als loser Zellverband auf der Oberfläche dieses Gerüstmaterials liegen, sondern wirklich eine Gewebestruktur ausbilden, die in ihrer Funktionalität dem ursprünglichen Gewebe des Patienten entspricht."
Die künstliche Züchtung von solchem biologischen Gewebe nennt sich Tissue Engineering. Die gedruckten Herzklappen fungieren dabei wie ein Rankgerüst, auf dem die Zellen heranwachsen. Genutzt werden soll dabei Nabelschnurgewebe:
"Die Nabelschnurzellen, die isoliert werden für dieses Experiment, sind sehr junge Zellen, neonatale Zellen, die sehr gut in vitro, also im Labor wachsen. Und sie stehen in dem Ruf, vom Empfänger nicht als fremd erkannt zu werden."
Noch ist das Grundlagenforschung. Doch am Ende könnte es so eine neue Art der Herzklappenprothese geben: Mechanische Herzklappen oder die nur begrenzt haltbaren Schweineklappen, die bisher bei Patienten implantiert werden, ließen sich dann durch die gedruckten und sterilisierten Varianten ergänzen:
"Die jetzige Limitation der konventionellen Ersatzprothesen, also der biologischen Prothesen, beträgt bei einem erwachsenen Menschen in der Regel fünfzehn bis zwanzig Jahre. Bein Kindern ist diese Haltwertszeit geringer. Und die Hoffnung, die auf diesen Tissue Engineering basiert ist, dass es zu einer lebenslangen Haltbarkeit kommt, auf Grund der mangelnden Abstoßung und eines Einwachsens in der umgebende Gewebe."
Und langfristig sollen die gedruckten Herzklappen im Körper sogar ganz verschwinden, erläutert Mathematiker Hartmut Schwandt von der Technischen Universität Berlin:
"Das Fernziel, die Idee dabei ist, dass man letztlich eine Gewebestruktur sich entwickeln lassen kann, die dann im menschlichen Körper sich zu einer Herzklappe entwickelt, während gleichzeitig das Gerüst, aus diesem speziellen Material sich langsam aber sich im Laufe der Jahre auflöst."
Die EU fördert das Forschungsprojekt für zunächst drei Jahre mir 500.000 Euro. Die ersten Schritte sind derweil gemacht: Die Herzklappen wurden bereits als 3D-Grafiken modelliert und ausgedruckt, die Zellbesiedelung wird erprobt. Ein neues Druckmaterial, das sich langfristig im Körper auflöst, suchen die Forscher derzeit noch.
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