In nur drei Jahren könnten Patienten, die auf eine Lebertransplantation warten, ein 3D-gedrucktes, dollargroßes Stück Lebergewebe erhalten, das ihr Leben verlängern kann.
Das in San Diego ansässige Bioprinting-Unternehmen Organovo hat bereits gezeigt, dass seine 3D-gedruckten Lebergewebepflaster nach der Implantation in Mäuse weiterhin funktionierten. Nächster Schritt: der Mensch.
Das 10 Jahre alte Unternehmen hat ein Bioprinting-Verfahren entwickelt, mit dem Gewebe in verschiedenen Formaten hergestellt werden kann, darunter menschliches Lebergewebe im Mikroformat und seit kurzem auch Nierengewebe.
Das 3D-gedruckte Gewebe von Organovo wurde zur Beschleunigung der vorklinischen Arzneimittelprüfung und -entdeckung eingesetzt. Herkömmliche Tests und Entwicklungen erfolgen an Tieren oder an einer kleinen Probe menschlicher Zellen in einer Petrischale und können durchschnittlich 1,2 Milliarden Dollar kosten und ein Dutzend Jahre dauern. Die Kosten sind zum Teil deshalb so hoch, weil 90 % der Arzneimittel die klinischen Versuche an Tieren und Menschen nicht bestehen, so dass die Forscher immer wieder an das sprichwörtliche Reißbrett zurückkehren müssen, bis sie Erfolg haben.
Die Bioprinting-Technologie, die Ende 2014 erstmals kommerziell genutzt wurde, erzeugt das Gewebe mit mehreren Zelltypen, um lebende Organe besser zu imitieren.
„Wenn man Leberzellen nimmt und sie in eine Petrischale legt, haben sie nie alle Aspekte der normalen menschlichen Leberbiologie, weil sie aus ihrem normalen Kontext herausgenommen und in diese Schale gelegt werden… und Leberzellen sind viel unglücklicher als die meisten Zellen in dieser Umgebung“, sagte Keith Murphy, CEO von Organovo.
Der größte Stolperstein bei der Herstellung von Gewebe ist nach wie vor die Herstellung des Gefäßsystems, das benötigt wird, um es mit lebenserhaltendem Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Lebende Zellen können buchstäblich absterben, bevor das Gewebe den Druckertisch verlässt.
Das Bioprinting-Verfahren von Organovo kann auf die Herstellung von Geweben in verschiedenen Formaten zugeschnitten werden, einschließlich dieser mikroskopisch kleinen menschlichen Lebergewebe, die in Standard-Multiwell-Gewebekulturplatten für Medikamententests enthalten sind.
Organovos ExVive 3D-Bioprinting von menschlichem Leber- und Nierengewebe wird als Durchbruch für die Arzneimittelsicherheit und -entwicklung angepriesen.
Die Bioprinting-Technologie erzeugt das Gewebe und ein separates Netzwerk von kapillaren Blutzellen, die den Transport von lebensspendendem Blut nachahmen können. Die Gefäße bestehen aus drei verschiedenen Zelltypen, die etwa 20 Schichten tief oder 500 Mikrometer dick gestapelt sind. Zuerst kommt eine Schicht menschlicher Fibroblasten, dann eine 250 Mikrometer dicke Schicht menschlicher glatter Gefäßmuskelzellen und schließlich eine dünne Schicht menschlicher Gefäßendothelzellen.
Um zu verstehen, wie dünn das gedruckte Gefäßsystem ist, muss man sich vorstellen, dass ein Blatt Druckerpapier 100 Mikrometer dick ist. Das von Organovo gedruckte Gewebe hat also die Dicke von fünf übereinander gestapelten Papierblättern.
Organovos 3D-gedrucktes Gewebe wird bereits von 11 der 25 weltweit führenden Pharmaunternehmen verwendet, darunter Merck & Co, Bristol-Myers Squibb Co. und das japanische Unternehmen Astellas Pharma Inc. eingesetzt.
Sowohl Merck als auch Astellas haben in diesem Monat auf der Konferenz der Society of Toxicology Daten veröffentlicht, die zeigen, dass 3D-gedrucktes Gewebe im Vergleich zu herkömmlichen Arzneimitteltestverfahren überlegen ist.
Die Technologie des Unternehmens wird nun auch von kleinen, mit Risikokapital finanzierten Pharmaunternehmen genutzt, die in der Regel nur an einem oder zwei Arzneimittelentwicklungsprojekten gleichzeitig arbeiten.
In jüngster Zeit hat die Technologie auch das Potenzial für das „Drucken“ größerer therapeutischer Gewebe gezeigt, die in der Transplantationsmedizin verwendet werden.
„Wir arbeiten jetzt an klinischen Versuchen mit Leberpflastern für die direkte Übertragung auf Patienten“, sagte Murphy. Es handelt sich noch nicht um ein komplettes Organ, aber wir glauben, dass wir längerfristig dazu kommen können.“
„Wir haben uns gefragt, wie wir den meisten Menschen in kürzester Zeit helfen können. Da wir in der Lage sind, dieses Lebergewebe in einer Schale herzustellen, sagten wir, wir sollten etwas mit der gleichen Technologie herstellen, aber so groß wie möglich, um es Patienten einsetzen zu können.“
Was Organovo hergestellt hat, ist ein Leber-„Pflaster“ von der Größe und Dicke einer Dollarnote, das Patienten implantiert werden kann, die auf eine Lebertransplantation warten.
„Was es tun kann, ist im Wesentlichen, diese Patienten zu nehmen…und sie ein oder zwei Jahre lang zu tragen, um ihnen eine bessere Leberfunktion zu geben und ihnen eine Brücke zu einer Transplantation zu ermöglichen“, sagte Murphy. So können sie aus dem Krankenhaus herausgehalten werden, während sie auf eine Transplantation warten.“
„Wir führen derzeit aktive Tierversuche durch, und unser Ziel ist es, das System bereits im Jahr 2020 bei Patienten einzusetzen“, fügte er hinzu.
Bei Mäusen hat sich gezeigt, dass die Lebergewebepflaster bereits sieben Tage nach der Transplantation und mindestens 28 Tage lang nach der Implantation im Blut zirkulieren.
Die therapeutischen Leberpflastertransplantate werden wahrscheinlich zunächst bei Patienten mit akutem, chronischem Leberversagen und bei pädiatrischen Patienten eingesetzt, wo der Bedarf am größten ist. Organovo beabsichtigt, einen „Investigational New Drug“-Antrag bei der U.S. Food and Drug Administration für sein therapeutisches Lebergewebe einzureichen.
Die gesamte Marktchance für die therapeutischen Lebertransplantate übersteigt in den USA 3 Milliarden Dollar,
Organovo ist nicht die einzige Forschungseinrichtung, die daran arbeitet, menschliches Gewebe für Implantate und Medikamententests zu drucken.
Im vergangenen Jahr veröffentlichte die Universität von San Diego einen Bericht, in dem sie zeigte, dass es ihr gelungen war, sowohl Lebergewebe als auch ein Gefäßsystem zu drucken.
Die Leber spielt eine entscheidende Rolle dabei, wie der Körper Medikamente verstoffwechselt und wichtige Proteine produziert – deshalb werden gedruckte Lebermodelle im Labor zunehmend als Plattformen für das Medikamentenscreening entwickelt.
MaRS Innovations hat in Zusammenarbeit mit der University of Toronto den PrintAlive Bioprinter entwickelt, der Hautzellen repliziert, indem er das gedruckte Gewebe durch mehrere Kanäle drückt, um eine dünne Gewebeschicht zu erzeugen.
Anderen Unternehmen ist es gelungen, Haut mit patienteneigenen Zellen für Transplantationszwecke zu drucken. So hat MaRS Innovations in Zusammenarbeit mit dem Innovations and Partnerships Office (IPO) der Universität Toronto den PrintAlive Bioprinter entwickelt, eine Maschine, die Haut druckt, die von einem Mini-Förderband abläuft.
Und das Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University hat einen 3D-Drucker entwickelt, der vier verschiedene Zelltypen gleichzeitig ausbringen kann. Der Durchbruch in dieser Forschung war die Fähigkeit, Blutgefäße zu erstellen, die lebendes Gewebe versorgen können.