Innovations in Artificial Organs

Künstliche Organe werden oft als der Heilige Gral des Bioengineering bezeichnet – ein wichtiger Forschungsbereich, der an der Schnittstelle zwischen Medizin, Biowissenschaften und Ingenieurwesen liegt. Die Bedeutung und der dringende Bedarf an künstlichen Organen sind seit langem bekannt: Medizinische Texte, die mehrere Jahrhunderte zurückreichen, enthalten Ideen, die ihr Design beschreiben, so phantasievoll und unpraktisch sie auch gewesen sein mögen. Der erste wirkliche Durchbruch bei der Entwicklung künstlicher Organe gelang 1982 mit dem Jarvik-7, dem ersten voll funktionsfähigen Kunstherz, das erfolgreich in einen Menschen implantiert wurde. Der medizinische Forscher Robert Jarvik und der Erfinder Willem Kolff sind für die Entwicklung des Jarvik-7 verantwortlich. Kolff hat noch weitere Innovationen hervorgebracht, darunter die erste künstliche Niere (Dialysemaschine) und die Herz-Lungen-Maschine, und er ist als begeisterter Befürworter von Bluttransfusionsverfahren bekannt – all dies spiegelt seinen Enthusiasmus und seinen Glauben daran wider, dass der menschliche Körper auch nach dem Versagen seiner Organe weiter funktionieren kann. Wegen dieser Innovationen und Ideologien gilt er als Vater der künstlichen Organe.

Heute hat die Bedeutung der künstlichen Organe trotz bemerkenswerter Fortschritte in der Transplantation nicht abgenommen. Wenn überhaupt, dann erfordern die langen Wartelisten und die Dauer der Wartezeit wirksame und sofortige Alternativen zur Organtransplantation. Das United Network for Organ Sharing, eine gemeinnützige Organisation mit Sitz in den USA, die das Organspendenetzwerk verwaltet, schätzt, dass mehr als 120.000 Amerikaner – von denen mehr als 100.000 eine Niere benötigen – auf der Warteliste für lebensrettende Organe stehen. Der durchschnittliche potenzielle Nierenempfänger muss 3,6 Jahre warten, und jeden Tag sterben mindestens 20 Menschen, die auf ein Organ warten.

Künstliche Organe könnten den Transplantationsmangel beheben

Der Gedanke an ein Herz von der Stange, das ein gescheitertes Herz ersetzen könnte, ist ein verlockendes Angebot, das einige Unternehmen bereits in Angriff genommen haben. Eines davon ist BiVACOR aus Houston, Texas. Das nach ihm benannte totale Kunstherz (TAH) von BiVACOR ist eine Option für Patienten mit Herzinsuffizienz im Endstadium, die nicht für eine Transplantation in Frage kommen. Ein weiteres wichtiges Unternehmen, SynCardia Systems (Tucson, Ariz.), hat ein temporäres TAH-Gerät – ein implantierbares System, das die Herzfunktionen übernehmen kann – für Patienten mit biventrikulärer Herzinsuffizienz im Endstadium entwickelt. Das Gerät soll nur als Überbrückung bis zur Transplantation eines Spenderherzens verwendet werden und ist das einzige, das von der US-amerikanischen Food and Drug Administration und den Aufsichtsbehörden der Europäischen Union und Kanadas zugelassen ist.

Mit dem Aufkommen des 3D-Drucks und der Gewebezüchtung kann man sich nicht nur elektromechanische Pumpen vorstellen, die als Herzen dienen können, sondern auch ein künstliches Herz, das buchstäblich aus Fleisch und Blut besteht. Der Wettlauf um die Entwicklung eines funktionellen, gewebebasierten künstlichen Organs, das die physischen und physiologischen Funktionen eines Organs nachahmt, wie z. B. die Sekretion von Hormonen, die Versorgung der Blutgefäße und das Wachstum und die Modellierung während des Wachstums des Individuums, hat begonnen.

Stephen Badylak, Professor und stellvertretender Direktor des McGowan-Instituts für regenerative Medizin an der Universität von Pittsburgh, arbeitet an einer funktionellen Leber, die für eine Transplantation geeignet ist. Badylaks Ansatz besteht darin, die Stammzellen eines Patienten zu entnehmen und sie in speziell entwickelten 3-D-Gerüsten zu kultivieren. Die Hoffnung besteht darin, dass sich diese Zellen zu einem funktionsfähigen Organ entwickeln, wenn sie mit geeigneten Wachstumsnährstoffen versorgt werden. Da die Zellen dem Patienten selbst entnommen werden, werden die Probleme der Organabstoßung und der Immunreaktion umgangen.

Künstliche Organe für die medizinische Forschung

Die Verzögerung bei der Herstellung eines voll funktionsfähigen, maßstabsgetreuen Organs wird den Markt für Organtransplantationen zwar enttäuschen, ist aber dennoch eine erfreuliche Nachricht. Die gesamte pharmazeutische Industrie wartet nämlich mit angehaltenem Atem auf Gewebe, die tatsächlich menschlichem Gewebe ähneln. Solche Analoga sind für Medikamententests von großer Bedeutung.

Das in San Diego ansässige Unternehmen Organovo hat bei der Kommerzialisierung des 3-D-Bioprinting von Geweben für die medizinische Forschung eine Vorreiterrolle gespielt. Das Unternehmen hat bereits erfolgreich Leber-, Lungen-, Herz- und Nierengewebe zur Verwendung durch Forschungspartner gedruckt. Die ExVive-Linie menschlicher Leber- und Nierengewebe des Unternehmens wird in toxikologischen Studien und anderen präklinischen Arzneimitteltests eingesetzt. Diese Anwendung künstlicher Organe birgt ein enormes Potenzial zur Beschleunigung der Arzneimittelentwicklung, zur Senkung der Kosten und zur Verringerung der Notwendigkeit von Tierversuchen und klinischen Tests. So bezieht der Kosmetikkonzern L’Oreal 3-D-gedrucktes menschliches Hautgewebe von Organovo, um die viel gescholtenen Tierversuche zu reduzieren. L’Oreal besitzt bereits ein Patent auf Episkin, ein gewebegefertigtes Hautprodukt, das durch Inkubation von Hautzellen entwickelt wurde, die von chirurgischen Patienten gespendet wurden. Die Partnerschaft mit Organovo würde L’Oreal in die Lage versetzen, sie einfacher und nach Bedarf zu drucken.

Elektronische Haut kann Robotern einen „menschlichen“ Touch geben

Die Haut ist das größte Organ des menschlichen Körpers und ein hochkomplexes. Um die Haut nachzubilden, müssen dem künstlichen Material Berührungs-, Druck- und Temperaturempfindungen vermittelt werden. Eine solche künstliche Haut wäre für Brandopfer und Patienten, die sich einer umfangreichen Operation unterziehen müssen, zweifellos von großem Wert. Eine Anwendung, die heute noch in Science-Fiction-Filmen zu sehen ist, könnte jedoch schon bald Realität werden: die Ausstattung von Robotern mit sensorischen Reizen.

SmartCore, ein vom Europäischen Forschungsrat finanziertes Projekt, das von Forschern der Technischen Universität Graz in Österreich durchgeführt wird, zielt darauf ab, ein Material zu schaffen, das auf verschiedene Reize reagiert. Um dies zu erreichen, hat das Team ein neuartiges Material entwickelt, das mit einer Reihe von Nanosensoren ausgekleidet ist, deren Empfindlichkeit die der menschlichen Haut bei weitem übersteigt. Obwohl sich das Team noch in einem frühen Stadium befindet, entwirft es einen „intelligenten“ Kern – ein Polymer, das sich ausdehnt, wenn es Feuchtigkeit und Temperatur ausgesetzt wird, und das von einer piezoelektrischen Schale umhüllt ist, die einen elektrischen Strom erzeugt, wenn Druck ausgeübt wird. Diese Kerne nehmen die Reize auf und leiten sie an das Robotersystem weiter. Das Team strebt an, den Prototyp bis 2019 vorzustellen, um dann spezifische Anwendungen zu erforschen.

Künstliche Gebärmutter weckt Hoffnung für Frühgeborene

Im April 2017 gaben Forscher des Center for Fetal Diagnosis and Treatment am Children’s Hospital of Philadelphia bekannt – und veröffentlichten -, dass sie die erste künstliche Gebärmutter der Welt entwickelt haben. Diese „Gebärmütter“ mit dem Spitznamen BioBag ähneln Ziploc-Beuteln, in die Schläuche mit Fruchtwasser, Sauerstoff, Nährstoffen und Blut hinein- und herausführen. Im Inneren der Beutel gelang es den Forschern jedoch, fötale Lämmer aufzuziehen.

Im August 2017 wurde eine ähnliche Gebärmutter von einer nicht verwandten Gruppe entwickelt: Forscher der Women and Infants Research Foundation in Australien, der University of Western Australia und des Tohoku University Hospital in Japan. Die treffend als Ex-vivo-Uterus-Umgebung (EVE) bezeichnete Therapie hat die Erwartungen an eine lebensfähige und wiederholbare Gebärmutter-ähnliche Umgebung geweckt.

Der Weg in die Zukunft

Frost & Sullivan glaubt, dass der Weg für künstliche Organe durch enthusiastische Forscher, Förderorganisationen und ein kollaboratives Ökosystem geebnet wird. Allerdings gibt es auch Hindernisse in Form von ethischen Bedenken, behördlichen Auflagen, Kosten für die Geräte und Sicherheitsbedenken aufgrund fehlender langfristiger klinischer Daten. Die Antwort wären Umwege, die dennoch zu lukrativen Zielen führen können. Die Verwendung von künstlichem Hautgewebe für die medizinische und kosmetische Forschung ist ein Beispiel dafür. Ebenso wäre eine künstliche Gebärmutter, in der ein menschlicher Embryo heranwächst, eine große Aufgabe, die zahlreiche ethische, moralische und rechtliche Fragen aufwerfen würde; ein akzeptabler Weg wäre es jedoch, die Gebärmutter zu nutzen, um das Leben von Millionen von Frühgeborenen, die jedes Jahr geboren werden, zu retten und ihre Gesundheit zu verbessern.