In einem wichtigen medizinischen Durchbruch haben die Forscher der Universität Tel Aviv das weltweit erste 3D-vaskularisierte, technisierte Herz mit patienteneigenen Zellen und biologischen Materialien "gedruckt".

Bislang ist es Wissenschaftlern der Regenerativen Medizin - einem Bereich, der an der Schnittstelle von Biologie und Technik angesiedelt ist - gelungen, nur einfache Gewebe ohne Blutgefäße zu drucken.

"Dies ist das erste Mal, dass jemand ein ganzes Herz mit Zellen, Blutgefäßen, Ventrikeln und Kammern erfolgreich konstruiert und gedruckt hat", sagt Prof. Tal Dvir von der TAU School of Molecular Cell Biology and Biotechnology, Department of Materials Science and Engineering, Center for Nanoscience and Nanotechnology und Sagol Center for Regenerative Biotechnology, der die Forschung für die Studie leitete.

Herzkrankheiten sind die häufigste Todesursache bei Männern und Frauen in den Vereinigten Staaten. Die Herztransplantation ist derzeit die einzige Behandlung für Patienten mit terminaler Herzinsuffizienz. Angesichts des dringenden Mangels an Herzspendern ist es dringend notwendig, neue Ansätze zur Regeneration des kranken Herzens zu entwickeln.

"Dieses Herz besteht aus menschlichen Zellen und patientenspezifischen biologischen Materialien. In unserem Prozess dienen diese Materialien als Bioinks, Substanzen aus Zucker und Proteinen, die für den 3D-Druck komplexer Gewebemodelle verwendet werden können", sagt Prof. Dvir. "Es ist den Menschen in der Vergangenheit gelungen, die Struktur eines Herzens in 3D zu drucken, aber nicht mit Zellen oder Blutgefäßen. Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial unseres Ansatzes für die Entwicklung eines personalisierten Gewebe- und Organersatzes in der Zukunft."

Die Forschung für die Studie wurde gemeinsam von Prof. Dvir, Dr. Assaf Shapira von der TAU-Fakultät für Biowissenschaften und Nadav Moor, Doktorand im Labor von Prof. Dvir, durchgeführt.

"In diesem Stadium ist unser 3D-Herz klein, so groß wie das Herz eines Kaninchens", erklärt Prof. Dvir. "Aber größere menschliche Herzen brauchen die gleiche Technologie."

Für die Forschung wurde eine Biopsie von Fettgewebe von Patienten entnommen. Anschließend wurden die zellulären und azellulären Materialien des Gewebes getrennt. Während die Zellen zu pluripotenten Stammzellen umprogrammiert wurden, wurde die extrazelluläre Matrix (ECM), ein dreidimensionales Netzwerk von extrazellulären Makromolekülen wie Kollagen und Glykoproteinen, zu einem personalisierten Hydrogel verarbeitet, das als Druckfarbe diente.

Nach der Vermischung mit dem Hydrogel wurden die Zellen effizient zu Herz- oder Endothelzellen differenziert, um patientenspezifische, immunverträgliche Herzpflaster mit Blutgefäßen und anschließend einem ganzen Herzen herzustellen.

Laut Prof. Dvir ist die Verwendung von "nativen" patientenindividuellen Materialien entscheidend für den erfolgreichen Aufbau von Geweben und Organen.

"Die Biokompatibilität von technischen Materialien ist entscheidend, um das Risiko einer Implantatabstoßung auszuschließen, die den Erfolg solcher Behandlungen gefährdet", sagt Prof. Dvir. "Im Idealfall sollte das Biomaterial die gleichen biochemischen, mechanischen und topographischen Eigenschaften wie das eigene Gewebe des Patienten aufweisen. Hier können wir einen einfachen Ansatz für 3D-gedrucktes dickes, vaskularisiertes und durchblutetes Herzgewebe berichten, das den immunologischen, zellulären, biochemischen und anatomischen Eigenschaften des Patienten vollständig entspricht".

Die Forscher planen nun, die gedruckten Herzen im Labor zu kultivieren und sie zu "lehren, sich wie Herzen zu verhalten", sagt Prof. Dvir. Anschließend planen sie, das 3D-gedruckte Herz in Tiermodelle zu transplantieren.

"Wir müssen das gedruckte Herz weiterentwickeln", schließt er. "Die Zellen müssen eine Pumpfähigkeit bilden; sie können sich derzeit zusammenziehen, aber wir brauchen sie, um zusammenzuarbeiten. Wir hoffen, dass wir erfolgreich sein werden und die Wirksamkeit und den Nutzen unserer Methode unter Beweis stellen.

"Vielleicht wird es in zehn Jahren Organdrucker in den besten Krankenhäusern der Welt geben, und diese Verfahren werden routinemäßig durchgeführt."