Im zweiten Stock des Wake Forest Instituts für Regenerative Medizin, unweit des Aufzugs, befindet sich eine Sammlung von verblassten Abzügen, die wichtige Momente in der medizinischen Geschichte darstellen. In einem Fall hält ein alter babylonischer Apotheker ein Fläschchen mit Medizin in die Höhe. Ein weiteres Beispiel zeigt den griechischen Arzt Hippokrates, der sich im 5. Jahrhundert v. Chr. Um einen Patienten kümmerte. Die Abzüge wurden vor einem halben Jahrhundert vom Pharmaunternehmen Parke-Davis an Ärzte verteilt und als historisches Highlight geworben. Aber es ist nicht schwer, ihre Präsenz im Wake Forest zu lesen, in dem sich vielleicht die größte Anzahl medizinischer Futuristen auf dem Planeten befindet, als ultimativen Scherz: Können Sie sich vorstellen, wie weit wir gekommen sind?
Aus dieser Geschichte
Die zeitlose Generation
KaufenAls ich das Institut in der alten Tabakstadt Winston-Salem in North Carolina besuchte, kam ich an luftigen Labors vorbei, in denen weiß gekleidete Angestellte über einen gefliesten Boden hin und her glitten. Auf einem Tisch, wie für eine Kunstausstellung arrangiert, lagen Nierenvenengüsse in Violett-, Indigo- und Zuckerwattetönen. In der Halle zappte eine Maschine sporadisch elektrische Ströme durch zwei Sätze von Muskelsehnen, von denen einer aus einer Ratte geschnitten und der andere aus Biomaterialien und Zellen hergestellt wurde.
Ein Forscher namens Young-Joon Seol traf mich an der Tür zu einem Raum mit der Aufschrift „Bioprinting“. Young-Joon, mit zerzausten Haaren und Kunststoffbrille, wuchs in Südkorea auf und studierte Maschinenbau an einer Universität in Pohang. Bei Wake Forest ist er Teil einer Gruppe, die mit den maßgeschneiderten Bioprintern des Labors arbeitet, leistungsstarken Maschinen, die ähnlich wie Standard-3D-Drucker funktionieren: Ein Objekt wird mit Modellierungssoftware gescannt oder entworfen. Diese Daten werden dann an den Drucker gesendet, der mit Hilfe von Spritzen aufeinanderfolgende Materialschichten auflegt, bis ein dreidimensionales Objekt entsteht. Herkömmliche 3D-Drucker arbeiten in der Regel mit Kunststoff oder Wachs. "Was hier anders ist", sagte Young-Joon und schob seine Brille über die Nase. "Wir haben die Möglichkeit, etwas Lebendiges zu drucken."
Er zeigte auf die Maschine zu seiner Rechten. Es hatte eine gewisse Ähnlichkeit mit einem dieser Klauenspiele, die man an Raststätten auf der Autobahn findet. Der Rahmen war aus schwerem Metall, die Wände durchsichtig. Darin befanden sich sechs Spritzen in einer Reihe. Einer hielt einen biokompatiblen Kunststoff in der Hand, der beim Bedrucken die ineinandergreifende Struktur eines Gerüsts - im Wesentlichen das Skelett - eines bedruckten menschlichen Organs oder Körperteils bilden würde. Die anderen könnten mit einem Gel gefüllt sein, das menschliche Zellen oder Proteine enthält, um ihr Wachstum zu fördern.
Atala lehnt sich an einen maßgeschneiderten 3-D-Bioprinter an. 74 Prozent der Amerikaner halten biotechnologisch hergestellte Organe für einen "angemessenen Einsatz" von Technologie. Die Anzahl der 3D-Drucker, die in medizinischen Zentren eingesetzt werden, wird sich in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich verdoppeln. (Jeremy M. Large) 
Das Institut hofft, in Zukunft die auf Druckern wie diesem hergestellten Gerüste mit lebenden Zellen zum Keimen zu bringen, um transplantierbare Körperteile herzustellen. (Jeremy M. Large) 
Bei der so genannten „Body-on-Chip“ -Technologie verwenden die Forscher vier kleine Labororgane auf roten Chips, die durch Röhrchen verbunden sind, in denen ein Blutersatzmittel zirkuliert, um die Wirkung von Krankheitserregern, Arzneimitteln und Chemikalien auf den menschlichen Körper zu testen. (Jeremy M. Large) 
Das Ohr ist eine der ersten Strukturen, die Labors als Sprungbrett in Richtung komplizierterer Strukturen zu meistern versucht haben. (Jeremy M. Large) 
Der speziell angefertigte 3-D-Bioprinter bildet zusammen mit einem biokompatiblen Kunststoff die Verriegelungsstruktur des Gerüsts. (Jeremy M. Large) 
Ein "Geister" -Schweineherz, das von seinen Gewebezellen befreit wurde. Einige Forscher hoffen, solche Organe in Menschen zu transplantieren, nachdem sie mit menschlichen Zellen besiedelt wurden. (Texas Heart Institute) 
Forscher des Wake Forest Institute für Regenerative Medizin stellen Gerüste - im Wesentlichen Skelette - für das untere Gesicht und das rechte Ohr her. (Jeremy M. Large) 
Irgendwann würde ein Objekt, das mit einem 3-D-Drucker hergestellt wurde, genauso Teil des Körpers eines Patienten werden wie ein Organ, mit dem die Person geboren wurde. (Jeremy M. Large) 
Ein Gerät, mit dem eines Tages Medikamente getestet werden könnten, zirkuliert einen Blutersatz zu winzigen Organoiden aus dem Labor, die die Funktion von Herz, Leber, Lunge und Blutgefäßen nachahmen. (Jeremy M. Large) Während das Gerüst gedruckt wird, werden Zellen von einem beabsichtigten Patienten auf und in das Gerüst gedruckt; Die Struktur wird in einen Inkubator gestellt. die Zellen vermehren sich; und im Prinzip wird das Objekt auf oder in den Patienten implantiert. Mit der Zeit wird das Objekt ebenso Teil des Körpers des Patienten wie die Organe, mit denen er geboren wurde. "Das ist jedenfalls die Hoffnung", sagte Young-Joon.
Young-Joon hatte einen der Drucker so programmiert, dass er mit der Herstellung des Gerüsts für ein menschliches Ohr begann, und der Raum war mit einem beruhigenden elektronischen Thrum gefüllt, der nur durch das gelegentliche Keuchen des Druckers unterbrochen wurde - die Freisetzung der Druckluft, die ihn hielt Arbeiten. Als ich durch die Glasvitrine spähte, konnte ich sehen, wie das Gerüst allmählich entstand - klein, zart, extrem ohrenartig . Da der Vorgang Stunden in Anspruch nehmen würde, übergab Young-Joon mir eine fertige Version. Es war hell; es ruhte auf meiner Handfläche wie ein Schmetterling.
Die äußere Struktur des Ohrs ist eine der ersten Strukturen, die das Institut in Wake Forest (und andere Forschungszentren) als Sprungbrett in Richtung komplizierterer Strukturen zu meistern versucht hat. Wake Forest-Mitarbeiter haben bioprinted Haut, Ohren, Knochen und Muskeln auf Labortieren implantiert, wo sie erfolgreich in das umliegende Gewebe gewachsen sind.
Für Evangelisten des Bioprinting, die in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich doppelt so viele 3D-Drucker an medizinische Einrichtungen liefern werden, sind die Versuche der Vorbote einer Welt, die erst jetzt in den Fokus rückt: einer Welt, in der Patienten leben Bestellen Sie Ersatzteile für ihre Karosserie genauso wie früher einen Ersatzvergaser für ihren Chevy.
"Betrachten Sie es wie das Dell-Modell", sagte Anthony Atala, ein Kinderurologe und Direktor des Instituts, und verwies auf das berühmte "direkte" Beziehungsmodell des Computerunternehmens zwischen Verbraucher und Hersteller. Wir saßen in Atalas Büro im vierten Stock des Forschungszentrums. „Es gibt Unternehmen, die Zellen verarbeiten, Konstrukte herstellen und Gewebe herstellen können. Ihr Chirurg könnte einen CT-Scan und eine Gewebeprobe an diese Firma senden “, sagte er. Etwa eine Woche später würde ein Organ in einem sterilen Behälter über FedEx eintreffen und bereit zur Implantation sein. Presto, change-o : Ein neues Stück von mir - von Ihnen - auf Bestellung angefertigt.
"Interessant ist, dass es keine echten chirurgischen Herausforderungen gibt", sagte Atala. "Es gibt nur die technologischen Hürden, die Sie überwinden müssen, um sicherzustellen, dass das technische Gewebe überhaupt richtig funktioniert."
Wir nähern uns mit „einfachen“ Organen wie der Haut, dem äußeren Ohr und der röhrenartigen Luftröhre. Gleichzeitig kann Atala nicht anders, als nachzusehen, was als nächstes kommen könnte. Zuversichtlich stellt er sich gerne eine riesige Bioprint-Industrie vor, die große und komplexe Organe hervorbringen kann, ohne die der Körper wie die Leber oder die Niere versagen würde. Eine Branche, die herkömmliche Transplantationen - mit ihren langen, oft tödlichen Wartezeiten und dem allgegenwärtigen Risiko der Abstoßung von Organen - völlig überflüssig machen könnte.
Es wäre eine umfassende medizinische Revolution. Es würde alles ändern. Und wenn er Recht hat, könnte Wake Forest mit seinen schnurrenden Bioprintern und fleischigen Ohren sowie den bunten Venen und Arterien der Anfang sein.
Die Vorstellung, dass ein zerbrochenes Stück von uns durch ein gesundes Stück oder ein Stück von jemand anderem ersetzt werden könnte, reicht Jahrhunderte zurück. Cosmas und Damian, Schutzpatron der Chirurgen, sollen im dritten Jahrhundert n. Chr. Das Bein eines kürzlich verstorbenen äthiopischen Moors an einen weißen Römer gebunden haben, ein Thema, das von zahlreichen Künstlern der Renaissance dargestellt wurde. Im 20. Jahrhundert hatte die Medizin endlich begonnen, die Phantasie einzuholen. 1905 schnitt der Augenarzt Eduard Zirm einem verletzten 11-jährigen Jungen erfolgreich eine Hornhaut ab und emigrierte sie in den Körper eines 45-jährigen tschechischen Landarbeiters, dessen Augen beim Löschen von Kalk verletzt worden waren. Ein Jahrzehnt später führte Sir Harold Gillies, der manchmal als Begründer der plastischen Chirurgie bezeichnet wird, während des Ersten Weltkriegs Hauttransplantationen an britischen Soldaten durch.
Die erste erfolgreiche Transplantation eines wichtigen Organs - eines für die menschliche Funktion lebenswichtigen Organs - fand jedoch erst 1954 statt, als der 23-jährige Ronald Herrick aus Massachusetts seinem Zwillingsbruder Richard eine seiner gesunden Nieren schenkte. der an chronischer Nephritis litt. Da die identischen Zwillinge von Herrick die gleiche DNA hatten, war Joseph Murray, ein Chirurg im Peter Bent Brigham Hospital (heute bekannt als Brigham and Women's), überzeugt, dass er ein Ende des Problems der Organabstoßung gefunden hatte.
Murray erinnerte sich in seiner Autobiografie " Surgery of the Soul" an den Moment des Triumphs. „Im Operationssaal herrschte eine kollektive Stille, als wir vorsichtig die Klammern von den Gefäßen entfernten, die neu an der Spenderniere befestigt wurden. Als der Blutfluss wiederhergestellt war, begann sich Richards neue Niere zu verfärben und rosa zu färben “, schrieb er. „Es gab überall ein Grinsen.“ Mit den Herricks hatte Murray einen wesentlichen Punkt in Bezug auf unsere biologische Myopie bewiesen, eine Erkenntnis, die einen Großteil des heutigen modernen Bioengineering ausmacht: Es gibt keinen Ersatz für die Verwendung des eigenen genetischen Materials eines Patienten.
Als sich die chirurgische Wissenschaft zusammen mit den immunsuppressiven Behandlungen verbesserte, die es Patienten ermöglichten, fremde Organe aufzunehmen, wurde das, was einst so gut wie unerreichbar schien, Realität. Die erste erfolgreiche Pankreas-Transplantation wurde im Jahr 1966 durchgeführt, die ersten Herz- und Lebertransplantationen im Jahr 1967. Bis 1984 hatte der Kongress das Nationale Organtransplantationsgesetz verabschiedet, das ein nationales Register für den Organvergleich einrichtete und sicherstellen wollte, dass die Spenderorgane fair verteilt waren . In Krankenhäusern im ganzen Land haben die Ärzte die Nachricht so sanft wie möglich verbreitet - das Angebot entspricht einfach nicht der Nachfrage, Sie müssen warten - und in vielen Fällen haben sie beobachtet, wie die Patienten starben und auf ihre Namen gewartet haben, um das anzukreuzen Oben auf der Liste. Dieses Grundproblem ist nicht verschwunden. Laut Angaben des US-Gesundheitsministeriums sterben jeden Tag 21 Menschen in diesem Land und warten auf ein Organ. "Für mich war die Forderung keine abstrakte Sache", sagte Atala mir kürzlich. „Es war sehr real, es war herzzerreißend und es hat mich angetrieben. Es hat uns alle dazu gebracht, neue Lösungen zu finden. “
Der 57-jährige Atala ist dünn und leicht gebeugt, hat braunes Haar und eine leichte Leutseligkeit. Er ruft alle dazu auf, ihn Tony zu nennen. Atala wurde in Peru geboren und wuchs in Florida auf. Er erwarb seinen MD und eine spezielle Ausbildung in Urologie an der Universität von Louisville. 1990 erhielt er ein zweijähriges Stipendium an der Harvard Medical School. (Heute, in Wake Forest, sperrt er immer noch mindestens einen Tag in der Woche, um Patienten zu sehen.) In Harvard schloss er sich einer neuen Welle junger Wissenschaftler an, die glaubten, eine Lösung für den Organspendermangel könne die Schaffung eines Labors sein. von Ersatzteilen.
Zu ihren ersten großen Projekten gehörte der Versuch, eine menschliche Blase zu züchten - ein relativ großes Organ, aber ein hohles, in seiner Funktion recht einfaches. Mit einer Nähnadel nähte er ein biologisch abbaubares Gerüst von Hand zusammen. Später nahm er Urothelzellen aus der Blase und den Harnwegen eines potenziellen Patienten und multiplizierte sie im Labor, dann brachte er die Zellen auf die Struktur auf. "Es war wie eine Torte backen", sagte Atala mir. „Wir haben es Schicht für Schicht gemacht. Und sobald wir alle Zellen ausgesät hatten, legten wir sie zurück in einen Inkubator und ließen ihn kochen. “Innerhalb weniger Wochen entstand eine kleine weiße Kugel, die nicht so anders aussah als die echte.
Zwischen 1999 und 2001 wurden nach einer Reihe von Tests an Hunden individuell gewachsene Blasen in sieben junge Patienten transplantiert, die an Spina Bifida litten, einer schwächenden Erkrankung, die dazu führte, dass ihre Blasen versagten. Im Jahr 2006 gab Atala in einer vielbeachteten Zeitung im Lancet bekannt, dass die biotechnisch hergestellten Blasen sieben Jahre später bemerkenswert gut funktionierten. Es war das erste Mal, dass im Labor hergestellte Organe erfolgreich beim Menschen transplantiert wurden. "Dies ist ein kleiner Schritt in unserer Fähigkeit, beschädigte Gewebe und Organe zu ersetzen", sagte Atala damals in einer Pressemitteilung und wiederholte die Worte von Neil Armstrong. Es war ein repräsentatives Beispiel für eine der wichtigsten Gaben von Atala. David Scadden, Direktor des Zentrums für Regenerative Medizin am Massachusetts General Hospital und Co-Direktor des Harvard Stem Cell Institute, sagte mir, Atala sei „immer ein Visionär gewesen. Er war schon immer sehr mutig und sehr effektiv darin, die Aufmerksamkeit auf die Wissenschaft zu lenken. “
Blasen waren ein wichtiger Meilenstein, aber sie rangierten nicht besonders hoch in Bezug auf die Patientennachfrage. Darüber hinaus kann der mehrstufige Zulassungsprozess, der von der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde (Food and Drug Administration) für solche Verfahren gefordert wird, einige Zeit in Anspruch nehmen. Heute haben die von Atala entwickelten Blasen noch keine Zulassung für den breiten Einsatz erhalten. "Wenn man über regenerative Medizin nachdenkt, muss man nicht nur darüber nachdenken, was möglich ist, sondern auch, was nötig ist", sagte Atala. "Sie müssen sich überlegen:" Ich habe nur so viel Zeit, also was wird die meisten Leben am meisten beeinflussen? "
Für Atala war die Antwort einfach. Etwa acht von zehn Patienten auf einer Transplantationsliste benötigen eine Niere. Jüngsten Schätzungen zufolge warten sie durchschnittlich viereinhalb Jahre auf einen Spender, häufig mit starken Schmerzen. Wenn Atala die Organknappheit wirklich lösen wollte, gab es keinen Ausweg: Er würde sich mit der Niere auseinandersetzen müssen.
Seit seinen Anfängen in den frühen 1980er Jahren, als es hauptsächlich als industrielles Werkzeug für den Bau von Prototypen angesehen wurde, hat sich der 3D-Druck zu einer milliardenschweren Industrie entwickelt, die ein immer breiteres Anwendungsspektrum von Designerschuhen bis hin zu Zahnkronen bietet zu hausgemachten Plastikwaffen. (Heute können Sie in ein Elektronikgeschäft gehen und für weniger als 500 US-Dollar einen tragbaren 3D-Drucker kaufen.) Der erste medizinische Forscher, der den Sprung in die lebende Materie schaffte, war Thomas Boland, der als Professor für Bioingenieurwesen an der Clemson University in South Carolina meldete 2003 ein Patent für einen kundenspezifischen Tintenstrahldrucker an, mit dem menschliche Zellen in einer Gelmischung gedruckt werden können. Bald bastelten Forscher wie Atala an ihren eigenen Versionen der Maschine.
Für Atala hatte das Versprechen des Bioprints alles mit Skalierung zu tun. Obwohl er ein Organ in einem Labor erfolgreich gezüchtet und in einen Menschen transplantiert hatte, war der Prozess unglaublich zeitintensiv, es fehlte an Präzision, die Reproduzierbarkeit war gering und die Möglichkeit menschlicher Fehler war allgegenwärtig.
In Wake Forest, wo Atala 2004 Gründungsdirektor des Instituts wurde, begann er mit dem Drucken von Haut-, Knochen-, Muskel-, Knorpel- und nicht zuletzt Nierenstrukturen zu experimentieren. Innerhalb weniger Jahre war er zuversichtlich genug, seine Fortschritte zu demonstrieren. Im Jahr 2011 hielt Atala einen TED-Vortrag über die Zukunft biotechnologisch hergestellter Organe, der seitdem mehr als zwei Millionen Mal angesehen wurde. In plissierten Khakis und einem höfisch gestreiften Button-Down-Hemd sprach er von der „großen Gesundheitskrise“, die durch den Organmangel verursacht wurde, zum Teil aufgrund unserer längeren Lebensdauer. Er beschrieb die medizinischen Herausforderungen, die Innovation und hartnäckige Laborarbeit gemeinsam bewältigt hatten: Die besten Biomaterialien für die Verwendung in Gerüsten zu entwickeln, zu lernen, wie organspezifische Zellen außerhalb des menschlichen Körpers gezüchtet und am Leben erhalten werden. (Einige Zellen, wie die der Bauchspeicheldrüse und der Leber, blieben hartnäckig schwer zu züchten.)
Und er sprach über Bioprinting, zeigte ein Video von einigen seiner Drucker bei der Arbeit im Labor und zeigte dann einen Drucker hinter sich auf der Bühne, der gerade dabei war, ein rosa kugelförmiges Objekt zu bauen. Gegen Ende seines Gesprächs tauchte einer seiner Kollegen mit einem großen Becher auf, der mit einer rosa Flüssigkeit gefüllt war.
Während die Menge schweigend saß, griff Atala in den Becher und holte eine schleimige, übergroße Bohne hervor. In meisterhafter Handarbeit hielt er den Gegenstand in seinen hohlen Händen nach vorne. "Sie können tatsächlich die Niere sehen, wie es früher heute gedruckt wurde", sagte er. Die Menge brach in spontanen Applaus aus. Am nächsten Tag gab die Nachrichtenagentur Agence France-Presse in einem weit verbreiteten Artikel bekannt, dass Atala eine "echte Niere" auf eine Maschine gedruckt habe, die "die Notwendigkeit von Spendern für Organtransplantationen beseitigt".
Die Zukunft würde kommen.
Und dann war es nicht.
Tatsächlich war das, was Atala auf der Bühne gehalten hatte, keine funktionierende menschliche Niere. Es war träge, ein äußerst detailliertes Modell, ein Vorgeschmack auf das, was er hoffte und dachte, dass Bioprint eines Tages bringen würde. Wenn Sie sich die Präsentation genau ansehen, können Sie sehen, dass Atala nie versprochen hat, dass es sich bei dem, was er hielt, um ein funktionierendes Organ handelt. Dennoch stürzten sich Kritiker auf das, was sie als hochwertige Übung für Spezialeffekte betrachteten.
Im vergangenen Jahr schien Jennifer Lewis, eine Materialwissenschaftlerin in Harvard und eine führende Forscherin im Bereich Bioprinting (ihre Spezialität ist das Engineering von vaskularisierten Geweben), Atala in einem Interview mit dem New Yorker zu kritisieren. "Ich dachte, es wäre irreführend", sagte sie und bezog sich auf das TED-Gespräch. "Wir wollen den Leuten keine falschen Erwartungen geben, und das gibt dem Feld einen schlechten Namen."
Nach dem TED-Vortrag veröffentlichte Wake Forest eine Pressemitteilung, in der betont wurde, dass es noch lange dauern würde, bis eine bioprintierte Niere auf den Markt kommen könnte. Als ich Atala fragte, ob er etwas aus der Kontroverse gelernt habe, lehnte er es ab, sich direkt dazu zu äußern, und wies stattdessen darauf hin, warum er es ablehnt, ein bestimmtes Projekt mit einem Zeitstempel zu versehen. "Wir wollen den Patienten keine falschen Hoffnungen machen", sagte er mir.
Die Entstaubung war ein anschauliches Beispiel für eine der zentralen Herausforderungen, mit denen Forscher auf dem Gebiet der Regenerativen Medizin konfrontiert sind: Sie möchten die Begeisterung für das, was möglich ist, wecken, denn Begeisterung kann sich in Presse, Finanzierung und Ressourcen niederschlagen. Sie möchten die Menschen in Ihrer Umgebung und die nächste Generation von Wissenschaftlern inspirieren. Aber Sie möchten nicht falsch darstellen, was realistisch in Reichweite ist.
Und wenn es um große, komplizierte Organe geht, hat das Feld noch viel zu tun. Setzen Sie sich mit einem Bleistift und einem Stück Papier hin und Sie könnten sich kaum etwas vorstellen, das architektonisch oder funktional komplexer ist als die menschliche Niere. Das Innere des faustgroßen Organs besteht aus festem Gewebe, das von einem komplizierten Straßensystem aus Blutgefäßen mit einem Durchmesser von nur 0, 010 Millimetern und ungefähr einer Million winziger Filter, den so genannten Nephronen, durchzogen wird, die gesunde Flüssigkeiten zurückleiten die Blutbahn und Abfälle in Form von Urin in die Blase. Um eine Niere bioprinten zu können, müsste man nicht nur funktionierende Nierenzellen und Nephrone kultivieren und einführen können, sondern auch beherrschen, wie man das Organ mit einem Gefäßsystem bevölkert, um das Organ mit Blut und Nährstoffen zu versorgen es braucht. Und Sie müssten alles von innen nach außen bauen.
Aus diesem Grund untersuchen viele Forscher Optionen, bei denen diese Strukturen nicht von Grund auf neu gedruckt werden, sondern die bereits von der Natur entworfenen verwendet werden. Am Texas Heart Institute in Houston experimentiert Doris Taylor, die Leiterin des Forschungsprogramms des Instituts für Regenerative Medizin, mit dezellularisierten Schweineherzen - Organen, denen in einem chemischen Bad die Muskeln und alle anderen lebenden Gewebezellen entzogen wurden zugrunde liegende Kollagenmatrix. Ein dezellularisiertes Organ ist blass und gespenstisch - es ähnelt einem Glühstift, aus dem die Lösung abgelassen wurde, die es einst zum Glühen gebracht hat. Entscheidend ist jedoch, dass die Innenarchitektur der Orgel intakt bleibt, das Gefäßsystem und alles andere.
Taylor hofft, eines Tages dezellularisierte Schweineherzen, die mit menschlichen Zellen bevölkert sind, für die Transplantation bei menschlichen Patienten verwenden zu können. Bisher hat ihr Team den Herzen lebende Rinderzellen injiziert und sie in Kühe eingesetzt, wo sie erfolgreich neben dem ursprünglichen, gesunden Herzen der Kühe Blut geschlagen und gepumpt haben. Für Taylor überwindet dieser Ansatz die Herausforderung, Wege zu finden, um mit der unglaublich feinen Auflösung zu drucken, die Gefäßnetzwerke erfordern. "Die Technologie muss sich erheblich verbessern, bevor wir eine Niere oder ein Herz bioprinten und Blut dazu holen und es am Leben erhalten können", sagt Taylor.
Forscher am Wake Forest experimentieren auch mit dezellularisierten Organen von tierischen und menschlichen Leichen. Obwohl Atala die Ersatzniere als seinen heiligen Gral ansieht, gibt er nicht vor, dass das Bauen einer Niere alles andere als ein inkrementeller Prozess sein wird, der aus verschiedenen Blickwinkeln unternommen wird. Während Forscher am Institut und an anderen Orten daran arbeiten, den Druck der äußeren Struktur und der inneren Architektur des Organs zu verfeinern, experimentieren sie auch mit verschiedenen Methoden, um Blutgefäße zu drucken und zu züchten. Gleichzeitig verfeinern sie Techniken, um die lebenden Nierenzellen zu kultivieren, die erforderlich sind, damit alles funktioniert, einschließlich eines neuen Projekts zur Vermehrung von Nierenzellen, die aus einer Biopsie des gesunden Gewebes eines Patienten entnommen wurden.
Als wir uns unterhielten, betonte Atala, dass sein Ziel darin besteht, ein funktionsfähiges, konstruiertes großes Organ in ein menschliches Wesen zu verwandeln, das es dringend braucht, unabhängig davon, ob dieses Organ mit einem Bioprint versehen ist oder nicht. "Welche Technologie es auch braucht, um dorthin zu gelangen", sagte er.
Dabei hat er schnell darauf hingewiesen, dass der Weg dorthin nicht unwichtig ist: Letztendlich wollen Sie den Grundstein für eine Branche legen, die dafür sorgt, dass niemand - ob in den kommenden Jahrzehnten oder im 22. Jahrhundert, je nachdem Ihre Zuversicht - wird sich jemals wieder ein lebensrettendes Organ wünschen. Um das zu tun, kann man nicht von Hand darauf gehen.
„Sie brauchen ein Gerät, mit dem Sie immer wieder den gleichen Organtyp herstellen können“, sagte Atala. "Genau wie es maschinell hergestellt wurde."
Eines Nachmittags kam ich am Schreibtisch von John Jackson vorbei, einem außerordentlichen Professor am Institut. Jackson, 63, ist von Beruf experimenteller Hämatologe. Er kam vor vier Jahren nach Wake Forest und verglich den Umzug an das Institut mit all seinen Technologien der nächsten Generation mit „wieder von vorn in die Schule gehen“.
Jackson überwacht die Entwicklung eines Hautzellendruckers, mit dem eine Reihe lebender Hautzellen direkt auf einen Patienten gedruckt werden können. "Sagen Sie, Sie haben eine Verletzung Ihrer Haut", schlug Jackson vor. „Sie würden diese Wunde scannen, um die genaue Größe und Form des Defekts zu erhalten, und Sie würden ein 3D-Bild des Defekts erhalten. Sie könnten dann die Zellen, die in einem Hydrogel gezüchtet werden, in der exakten Form drucken, die Sie für die Wundversorgung benötigen. Im Moment kann der Drucker Gewebe auf die oberen beiden Hautschichten legen, die tief genug sind, um sie zu behandeln. und zu heilen - die meisten verbrennen Wunden. In der Folge hofft das Labor, tiefer unter die Hautoberfläche zu drucken und kompliziertere Hautschichten zu drucken, darunter Fettgewebe und tief verwurzelte Haarfollikel.
Jackson schätzt, dass klinische Studien in den nächsten fünf Jahren beginnen könnten, bis die FDA-Zulassung vorliegt. In der Zwischenzeit war sein Team damit beschäftigt, den Hautdrucker an Schweinen zu testen. Er löste ein großes Plakat, das in Tafeln unterteilt war. Im ersten Bild befand sich ein detailliertes Foto einer quadratischen Wunde, die von Technikern an einem Schweinerücken angeschnitten worden war. (Die Schweine waren unter Vollnarkose gestellt worden.) Am selben Tag hatten die Forscher Zellen direkt auf die Wunde gedruckt. Dieser Vorgang dauerte etwa 30 Minuten. In den Nachdruckfotos konnte man eine Abweichung in Farbe und Textur feststellen: Die Fläche war grauer und trüber als das natürliche Schweinefleisch. Aber es gab wenig Faltenbildung, kein erhöhtes oder geriffeltes Narbengewebe, und mit der Zeit verschmolz das Gel mehr oder weniger vollständig mit der umgebenden Haut.
Der Hautzellendrucker ist eines von mehreren aktiven Projekten des Instituts, die vom US-Verteidigungsministerium finanziert werden, einschließlich Initiativen zur Geweberegeneration bei Gesichts- und Genitalverletzungen, die bei amerikanischen Soldaten, die in den letzten Kriegen verletzt wurden, endemisch waren. Im vergangenen Jahr kündigten Forscher um Atala die erfolgreiche Implantation von Vaginas an, die unter Verwendung der eigenen Zellen der Patienten bei vier Teenagern mit einer seltenen Fortpflanzungsstörung namens Mayer-Rokitansky-Küster-Hauser-Syndrom hergestellt wurden. Wake Forest testet auch im Labor hergestellte und dezellularisierte Leichenpenisse und anale Schließmuskeln an Tieren, mit der Hoffnung, in den nächsten fünf Jahren Versuche mit Menschen zu starten.
The Peripheral, der neue Roman des Futuristen William Gibson, der den Begriff „Cyberspace“ geprägt und den größten Teil der digitalen Revolution vorausgesehen hat, spielt zu einer Zeit, in der der Mensch alles „fabrizieren“ kann - im Wesentlichen 3D-Druck -, was er braucht : Drogen, Computer, Kleidung. Sie sind nur durch ihre Vorstellungskraft eingeschränkt. Und doch über Jacksons Plakat gebeugt, dachte ich, dass selbst Gibson dies nicht vorhergesagt hatte: lebendiges Fleisch, auf Nachfrage.
Ich ging zu Atalas Büro. Sonnenlicht fiel auf den Boden und ein hohes Bücherregal, in dem Fotos von Atalas zwei jungen Söhnen und mehrere Exemplare seines Lehrbuchs Principles of Regenerative Medicine zu sehen waren .
Er war den ganzen Morgen im Operationssaal gewesen (er ist auch der Vorsitzende der medizinischen Fakultät für Urologie) und hatte nicht erwartet, bis spät abends nach Hause zurückzukehren, aber er war fröhlich und voller Energie. Ich fragte ihn, ob er jemals erwägen würde, seine Praxis aufzugeben und sich ausschließlich auf die Forschung zu konzentrieren.
Er schüttelte den Kopf. "Am Ende des Tages ging ich in die Medizin, um mich um die Patienten zu kümmern", sagte er. „Ich liebe diese Beziehung zu Familien und Patienten. Genauso wichtig ist, dass ich immer auf dem Laufenden bin, was gebraucht wird. Denn wenn ich das aus erster Hand sehe, wenn ich das Problem in den Griff bekomme, weiß ich, dass ich weiter daran arbeiten und versuchen werde, es herauszufinden. “
