Benötigen Sie eine neue Orgel? Der Chirurg Anthony Atala sieht eine Zukunft, in der Sie sie einfach ausdrucken können

In einem schlecht beleuchteten Labor in Winston-Salem, North Carolina, steht eine Maschine, die in vielerlei Hinsicht einem Desktop-Drucker mit Standardausgabe ähnelt. Es verfügt über Tintenbehälter und -düsen, einen internen Lüfter zum Kühlen und eine Reihe von Eingangsbuchsen, über die es an einen nahe gelegenen Computer angeschlossen werden kann. Es kommt gelegentlich zu Staus. Und doch ist das 800 Pfund schwere Gerät aus Stahl und Kunststoff anders als alles, was Sie jemals erlebt haben, denn das, was es druckt, ist lebendig - Millionen und Abermillionen lebender menschlicher Zellen, die in einem viskosen Gel enthalten sind und durch empfindliche, biologisch abbaubare Träger in einem zitternden Simulacrum aus gewebt sind menschliches Gewebe.

Aus dieser Geschichte

In-situ-Geweberegeneration: Rekrutierung von Wirtszellen und Design von Biomaterialien

Kaufen

Verwandte Inhalte

• Gesicht retten: Wie ein wegweisender Chirurg die Grenzen von Gesichtstransplantationen auslotet

Zahlreiche Wissenschaftler und Ingenieure benötigten ein Jahrzehnt, um das Integrated Tissue and Organ Printing System (ITOP) aufzubauen und zu verfeinern. Letztendlich handelt es sich jedoch um die Idee eines einzelnen Mannes: eines 59-jährigen, zerzausten Arztes namens Anthony Atala. Atala wurde in Peru geboren und wuchs außerhalb von Miami auf. Heute ist er Direktor des Wake Forest Institute für Regenerative Medizin und hat in den letzten zehn Jahren versucht, lebende Organe zu drucken.

„Für mich hat alles in den frühen neunziger Jahren in Boston angefangen“, erinnert sich der Urologe und Biotechnologe. "Weil ich zu diesem Zeitpunkt wirklich mit dem Mangel an Transplantationsorganen konfrontiert war." Zu dieser Zeit arbeitete Atala als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Harvard Medical School an seinem ersten Auftritt an einer nachmedizinischen Schule. Während seiner Runden im Boston Children's Hospital traf er jede Woche einen anderen jungen Patienten, der Monate oder sogar Jahre auf ein Ersatzorgan gewartet hatte. Einige starben, bevor eine Ersatzniere oder Leber gefunden werden konnte. Andere hatten schwere immunologische Reaktionen auf die transplantierten Organe. Atala glaubte, dass die Lösung klar war, wenn sie weit hergeholt war: Labororgane, die aus den eigenen Zellen eines Patienten kultiviert und chirurgisch in den Körper implantiert wurden.

"Es klang damals sehr Science-Fiction", erinnerte sich Atala, "aber ich war mir sicher, dass es die Zukunft war." 1999 führten Atala und ein Forscherteam des Labors für Gewebezüchtung und Zelltherapie ein richtungsweisendes Experiment durch Im Kinderkrankenhaus wurden Ersatzblasen für sieben Kinder mit einer schweren Form von Spina bifida gebaut, einer schwächenden Krankheit, die die Harnwege und den Darm schädigen kann. Um die Organe zu konstruieren, bauten die Forscher zunächst von Hand Gerüste oder Fundamente aus Kollagen und synthetischem Polymer. Sie nahmen den Patienten Gewebeproben und kultivierten die Zellen aus diesem Gewebe in Flüssigkeit. Dann beschichteten sie die Fundamente mit den Zellen des jeweiligen Patienten - Muskelzellen außen und Blasenzellen innen - und ließen die Zellen auf dem Gerüst „kochen“ oder wachsen.

Sieben Jahre nach der Implantation der ersten maßgeschneiderten Blase in Patienten gaben Atala und Alan Retik, ein Urologe des Kinderkrankenhauses, bekannt, dass alle sieben Patienten bei guter Gesundheit waren. Es war das erste Mal, dass im Labor kultivierte Organe erfolgreich als Ersatz für ihre kranken biologischen Gegenstücke eingesetzt wurden. Eine Zeitung bezeichnete die Ergebnisse als "heiligen Gral der Medizin".

Atala war erfreut. Aber er wusste, dass der manuelle Orgelbau zu viel Zeit und Mühe kostete, um die Nachfrage zu befriedigen. Was wirklich gebraucht wurde, war ein Stück Automatisierung im Henry Ford-Stil. Im Jahr 2004 stimmte Atala zu, eine solche Initiative in Wake Forest, unweit von North Carolinas Research Triangle, einem Biotech-Zentrum und Heimstadion für eine Handvoll 3-D-Druckunternehmen, zu leiten.

Wenn Sie ein neues Körperteil online bestellen können, müssen Sie sich bei diesem Arzt bedanken.

Ursprünglich für die Fertigung entwickelt, gingen 3D-Drucker Mitte der 2000er Jahre weit über Kunststoffe hinaus. Denken Sie an ein Material, und es wurde wahrscheinlich gedruckt: Nylon, Edelstahl, Schokolade. "Ich sah eine Annäherung zwischen der Institution und dem Staat, um mich wirklich auf die Biotechnologie zu konzentrieren", sagt Atala. "Ich wusste, dass wir diese Infrastruktur und Unterstützung vor Ort benötigen, wenn wir diese Technologien an Patienten weitergeben wollen."

Im Laufe der Jahre konnten Atala und seine Mitarbeiter Drucker entwickeln, mit denen kundenspezifische Gerüste menschlicher Organe gedruckt werden können, die manuell mit menschlichen oder tierischen Zellen beschichtet werden können. Dann bauten sie einen Drucker, der Hautzellen direkt auf einen Patienten drucken konnte, wenn auch in extrem kleinen Mengen. Das Bedrucken von Gewebe stellte sich jedoch als große Herausforderung heraus, auch weil das expandierende Gewebe einen stetigen Blut- und Nährstofffluss erfordert. Sie könnten die Zellen für ein Organ drucken oder sie könnten Blutgefäße und anderes unterstützendes Gewebe drucken, aber sie könnten es nicht schaffen, beide gleichzeitig so zu drucken, dass das Organ überleben würde.

Dann kam das ITOP mit seinen wesentlichen bahnbrechenden Technologien. Einzigartige Reservoire halten menschliche und tierische Zellen länger am Leben als frühere Druckermodelle. Hochpräzise Nadeln oder Düsen drucken ein Gitterwerk von „Mikrokanälen“ mit einer Größe von jeweils 200 Mikrometern in das Biomaterial. Diese Gefäße lassen Nährstoffe durch das Gewebe fließen. In einem Anfang dieses Jahres in Nature Biotechnology veröffentlichten Artikel enthüllten Atala und fünf Wake Forest-Forscher, dass auf dem ITOP gedrucktes Knorpel-, Knochen- und Muskelgewebe erfolgreich in Nagetiere implantiert worden war und dass das Gewebe zwei Monate später ein Blutsystem entwickelt hatte Gefäße und Nerven. Tests an menschlichen Patienten werden voraussichtlich etwa im nächsten Jahr folgen, sofern die Regierung dies genehmigt.

Es braucht keinen engagierten Futuristen, um die Implikationen zu erfassen. Wenn eine Maschine wie die ITOP in die kommerzielle Produktion geht, könnte es eines Tages möglich sein, ein Stück Ersatzhaut zu „bestellen“. Wenn sich die Maschinen verbessern, können sie sich vom Druck auf der Haut zum Druck auf extrem komplexen Organen wie Nieren entwickeln. Krankenhäuser weltweit würden mit den Nachfahren des ITOP ausgestattet. Orgelknappheit würde der Vergangenheit angehören.

Das ist der Traum, der Atala zur Biotechnologie geführt hat und der ihn weiterhin am Laufen hält. Aber Atala rät zur Geduld: Tests von bioprinted Material am Menschen könnten Jahre dauern. In der Zwischenzeit hat er seine urologische Praxis aufrechterhalten und sieht neben Aufenthalten im Operationssaal noch zahlreiche Patienten pro Woche. „Das ist mir wichtig“, sagt er, „weil es daran erinnert, wem Sie dienen - wem Sie das tun. Ziel dieser Technologie ist es, das Leben der Patienten zu verbessern. Punkt."

Abonnieren Sie jetzt das Smithsonian-Magazin für nur 12 US-Dollar

Dieser Artikel ist eine Auswahl aus der Dezember-Ausgabe des Smithsonian-Magazins

Kaufen