Image: Die Seidenbrücke über dem HerzmuskelFERCHAUFERCHAUDurch Spinnenseide entstehen neue Organteile aus dem 3D-Drucker. | Pleasureofart
TechnikKünstlicher Organspender

Die Seiden­brücke über dem Herz­muskel

Lesezeit ca.: 4 Minuten
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.