Künstliche SpinnenseideDurch Spinnenseide entstehen neue Organteile aus dem 3D-Drucker. | Pleasureofart
TechnikKünstlicher Organspender

Die Seidenbrücke über dem Herzmuskel

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Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Dank Spinnenseidenproteinen und 3D-Druck haben Herzinfarktpatienten zukünftig eine Chance auf die Wiederherstellung ihres beschädigten Herzgewebes.

17. November 2017

Etwa 1,8 Millionen Menschen leben nach Angaben der Herzstiftung e.V. in Deutschland mit einem Herz, das nicht so funktioniert, wie es soll. Ursache für diese Herzschwäche ist meist ein irreversibler Verlust von Muskelzellen durch Herzerkrankungen, wie zum Beispiel einem Infarkt. Derzeit gibt es keine Therapien oder Operationsmethoden, die einen solchen Schaden an den Zellen umkehren könnten.

Herz mit Seidenbrücke

Nun hat ein Forscherteam der Universität Bayreuth um den Biochemiker Professor Thomas Scheibel mit Kollegen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg einen neuen und vielsprechenden Heilungsansatz entwickelt. Die Wissenschaftler haben in einem 3D-Druckverfahren ein Gerüst aus Spinnenseide hergestellt, das gleichzeitig mit Herzmuskelzellen bestückt wird. Dieses individuelle Konstrukt aus Seidenträger und Herzzellen soll einmal das defekte Herzgewebe der Patienten ersetzen.

„Man braucht dafür ein perfekt positioniertes Gerüst, auf dem die neuen Herzzellen heranwachsen und so die Gewebelücke schließen können,“ erklärt Prof. Scheibel. Mit der filigranen Seidenbrücke aus dem 3D-Drucker erhalten die Mediziner ein elastisches und trotzdem stabiles Material. Das Konstrukt gibt den Zellen zusätzlich Orientierungshilfe, die sie für ihr Wachstum zu einem funktionierenden Muskel unbedingt brauchen. Deshalb wird jede einzelne Zellschicht im Druckverfahren gesondert ausgerichtet und nicht zufällig auf dem Seidenträger verteilt.

Die perfekte Seide

Die Zellen kleben quasi auf der Seidenoberfläche ohne weitere Zusatzstoffe fest. Aber nur die Herzzellen bleiben aufgrund der spezifischen elektrostatischen Verhältnisse haften. Das ist ein Vorteil, denn wenn andere Körperzellen mit der Seide in Kontakt kommen, bleiben sie nicht haften und stören somit nicht den Wachstumsprozess der neuen Herzmuskelfasern auf der Seidenbrücke. Deren Fixierung kann mit allen geeigneten Techniken der Chirurgie erfolgen - zum Beispiel Nähen, Kleben oder Klammern.

Spinnenseide ist nicht nur für Materialforscher ein faszinierender Naturstoff: Dünner als ein Haar ist die Seide, bezogen auf ihr Eigengewicht, fester als Stahl und zäher als Gummi. Zudem hat Spinnenseide keine zelltoxischen Wirkungen, wird nur langsam abgebaut und löst keine Immunreaktionen aus. „Wir haben also zum einen die perfekt passende Mechanik und zum anderen das optimale Zeitfenster von mindestens zwölf Monaten für den biologischen Abbau im Körper“, resümiert Scheibel.

Spinnenseide ohne Spinne

Die notwendige Rohseide produzieren in diesem Falle aber nicht lebende Spinnen, sondern gentechnisch veränderte Darmbakterien vom Typ Escherichia coli. Denn Spinnen in großer Schar zu züchten und diese zu melken sei höchst unwirtschaftlich, sagt Scheibel. Zudem nehme die Qualität der Seide von Spinnen in Gefangenschaft ab. Hingegen erzeugen die gedopten Bazillen verlässlich und bedarfsgerecht immer die gleiche Seidenqualität.

Für den 3D-Druck werden die lebenden Herzzellen und die Spinnenseidenmoleküle zu einem Gel gemischt, das ähnliche Eigenschaften wie Zahnpasta hat: Wenn man die Creme nicht berührt, bleibt sie fest. Übt man jedoch einen Druck auf die Masse aus, beginnt sie zu fließen. Scherverdünnung nennt das die Wissenschaft.

Das Seiden-Gel der Bayreuther Wissenschaftler „fließt“ nun durch den Druckkopf des 3D-Druckers, sodass damit auch feine Gerüststrukturen auf einer Oberfläche aufgetragen werden können; danach verfestigt sich das Gel unmittelbar. Das Druckverfahren kommt ohne Zusatzstoffe aus – eine weitere wichtige Eigenart der Spinnenseide, dass man sie nicht chemisch für den Druckprozess modifizieren muss.

Die hohe Kunst des Seidendrucks

Je kleiner der Düsendurchmesser des Druckkopfes, desto höher wird der physikalische Druck, um das Gel hindurchzupressen. Er darf aber nicht so groß werden, dass die Herzzellen während des Prozesses platzen. Eine gewisse Schutzfunktion übernimmt während des Druckprozesses zwar auch das Gel, es ist jedoch nur begrenzt belastbar.

Für ein Konstruktionsvolumen von etwa einem Kubikzentimeter benötigt der Drucker einige hundert Mikroliter Seidengel, in knapp zehn Minuten ist das Gebilde fertig. „Unsere Konstruktionen können aber auch größer ausgedruckt werden, je nachdem wie groß der Defekt im Herzmuskel ist“, erklärt Scheibel. Und das können auch einige Zentimeter werden. Damit wird dann eine einzige Seidenbrücke über das gesamte defekte Gewebe geschlagen.

„Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns deshalb zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide als Bio-Tinte langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin erschließen“, konstatiert Scheibel. Und auch im Hinblick auf die Reparatur zerstörter Nervenbahnen oder Hautpartien untersucht das Forscherteam neue Möglichkeiten für den 3D-Druck mit anderen Zellen. Die optimistische Vision der Wissenschaftler: In zwanzig Jahren steht dieser Drucker wie selbstverständlich im OP-Saal und assistiert dem Herzchirurgen beim Brückenbau.