3D-Druck in der Medizin: Biotechnisch hergestellte Hauttransplantate

Bioingenieure an der Columbia University haben einen Weg gefunden, künstliche Haut in komplexen, dreidimensionalen Formen zu züchten, so dass Transplantationen von Haut einfacher möglich sein sollen.

Wenn Sie schon einmal versucht haben, ein seltsam geformtes Geschenk wie einen Teddybären zu verpacken, können Sie sich vorstellen, vor welcher Herausforderung Chirurgen stehen, wenn sie künstliche Haut auf ein verletztes Körperteil transplantieren. Wie Geschenkpapier wird künstliche Haut in flachen Stücken geliefert, deren Zusammennähen um einen unregelmäßig geformten Körperteil schwierig und zeitaufwändig sein kann.

Bioingenieure der Columbia University scheinen dieses Problem gelöst zu haben, indem sie einen Weg gefunden haben, künstliche Haut in komplexen, dreidimensionalen Formen zu züchten, so dass es beispielsweise möglich ist, einen nahtlosen “Handschuh” aus Hautzellen zu konstruieren, der leicht über eine schwer verbrannte Hand gestülpt werden kann.

Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in einem Artikel, der am 27. Januar in Science Advances veröffentlicht wurde.

“Dreidimensionale Hautkonstrukte, die als ‘biologische Kleidung’ transplantiert werden können, hätten viele Vorteile”, sagt der Hauptentwickler Hasan Erbil Abaci, PhD, Assistenzprofessor für Dermatologie am Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons. “Sie würden den Bedarf an Nähten drastisch minimieren, die Dauer von Operationen verkürzen und die ästhetischen Ergebnisse verbessern.”

Die aktuelle Studie ergab auch, dass die kontinuierlichen 3D-Transplantate bessere mechanische und funktionelle Eigenschaften haben als herkömmliche, zusammengesetzte Transplantate.

3D-Gerüstbau

Das Verfahren zur Herstellung der neuen Hauttransplantate beginnt mit einem 3D-Laserscan der Zielstruktur, z. B. einer menschlichen Hand. Anschließend wird mithilfe von computergestütztem Design und 3D-Druck ein hohles, durchlässiges Modell der Hand angefertigt. Die Außenseite des Modells wird dann mit Hautfibroblasten, die das Bindegewebe der Haut bilden, und Kollagen (ein Strukturprotein) besiedelt. Schließlich wird die Außenseite der Form mit einer Mischung aus Keratinozyten (Zellen, die den größten Teil der äußeren Hautschicht, der Epidermis, ausmachen) beschichtet, und die Innenseite wird mit Wachstumsmedien durchströmt, die das sich entwickelnde Transplantat unterstützen und ernähren.

Mit Ausnahme des 3D-Gerüsts verwendeten die Forscher die gleichen Verfahren wie bei der Herstellung flacher künstlicher Haut, und der gesamte Prozess dauerte etwa drei Wochen.

In einem ersten Test der 3D-Haut wurden Konstrukte aus menschlichen Hautzellen erfolgreich auf die Hintergliedmaßen von Mäusen transplantiert.

“Es war, als würde man den Mäusen eine Hose anziehen”, sagt Abaci, “Die gesamte Operation dauerte etwa 10 Minuten.”

Vier Wochen später waren die Transplantate vollständig mit der umgebenden Mäusehaut verwachsen, und die Mäuse konnten ihre Gliedmaßen wieder voll nutzen.

Die Haut von Mäusen heilt anders als die menschliche Haut, so dass die Forscher als Nächstes planen, die Transplantate an größeren Tieren zu testen, deren Hautbiologie derjenigen des Menschen näher kommt. Klinische Versuche am Menschen sind wahrscheinlich noch Jahre entfernt.

Neugestaltung der künstlichen Haut

Bei den 3D-Transplantaten handelt es sich um die erste umfassende Neugestaltung der künstlichen Hauttransplantate seit ihrer Einführung in den frühen 1980er Jahren.

“Zu Beginn der Entwicklung von künstlicher Haut gab es nur zwei Zelltypen, aber die menschliche Haut hat etwa 50 Zelltypen. Die meisten Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Nachahmung der zellulären Komponenten der menschlichen Haut”, sagt Abaci. “Als Bioingenieur hat es mich immer gestört, dass die Geometrie der Haut übersehen wurde und Transplantate mit offenen Grenzen oder Kanten hergestellt wurden. Aus dem Bioengineering anderer Organe wissen wir, dass die Geometrie ein wichtiger Faktor ist, der die Funktion beeinflusst.”

Abaci und sein Team erkannten, dass sie lebensechtere Transplantate herstellen konnten, als 3D-Drucker verfügbar wurden und dreidimensionale Gerüste herstellen konnten, die für die Herstellung der künstlichen Haut erforderlich waren.

“Wir stellten die Hypothese auf, dass eine vollständig geschlossene 3D-Form unsere natürliche Haut besser nachahmen und mechanisch stärker sein würde, und genau das haben wir gefunden”, sagt Abaci. “Allein die Beibehaltung der kontinuierlichen Geometrie der menschlichen Haut verbessert die Zusammensetzung, Struktur und Festigkeit des Transplantats erheblich.”

Für die Zukunft stellt sich Abaci vor, dass Transplantate aus patienteneigenen Zellen individuell hergestellt werden könnten. Mit nur einer 4 x 4 mm großen Hautprobe können genügend Zellen gezüchtet und vermehrt werden, um genügend Haut für eine menschliche Hand zu erzeugen.

“Eine weitere überzeugende Anwendung wäre die Gesichtstransplantation, bei der unsere tragbare Haut in das darunter liegende Gewebe wie Knorpel, Muskeln und Knochen integriert werden könnte, um den Patienten eine personalisierte Alternative zur Leichentransplantation zu bieten”, sagt Abaci.

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