3D-Druck von Haut-, Knochen- und Körperteilen für zukünftige Astronauten

Astronauten, die tief in den Weltraum vorstoßen, könnten medizinische Behandlungen mit 3D-bedruckter Haut, Knochen und – eines Tages – ganzen Organen erhalten, laut einer führenden Gruppe von 3D-Bioprinting-Experten, die sich im technischen Herzen der ESA versammelten.

Die Apollo-Astronauten nahmen an ungefähr 12-tägigen Reisen zum Mond eine kleine Tasche mit, die unter anderem Verbandstoffe, Antibiotika und Aspirin enthielt. Zukünftige Weltraumreisende, die für Monate oder Jahre von der Erde entfernt sind, benötigen viel mehr und flexiblere medizinische Unterstützung.

Ein von der ESA geleitetes Projekt untersucht den Einsatz von 3D-Bioprinting zur Unterstützung der medizinischen Behandlung langwieriger Weltraumexpeditionen und planetarischer Siedlungen. Führende Experten aus diesem Bereich trafen sich im ESTEC-Zentrum der ESA in Noordwijk, Niederlande, zu einem zweitägigen Workshop.

Genauso wie Standard-3D-Drucker Kunststoffe oder Metalle zum Konstruieren dreidimensionaler Objekte verwenden, verwenden 3D-Bioprinter „Bio-Tinten“, die auf menschlichen Zellen basieren, sowie die Nährstoffe und Materialien, die zum Nachwachsen von Körpergewebe wie Haut, Knochen und Knorpel erforderlich sind. Temporäre „Gerüste“ können gleichzeitig gedruckt werden, um Stabilität und optimale physische Bedingungen für den Wiederaufbau zu gewährleisten.

Das Drucken ganzer Organe ist ein Ziel der nächsten Dekade, erfordert jedoch die präzise Kombination mehrerer Zell- und Gewebetypen, um als eine Einheit zusammenzuarbeiten.

Die Workshopteilnehmer diskutierten den aktuellen Stand des 3D-Bioprintings und die noch zu erledigenden Arbeiten, um die Praxis von der Laborforschung bis zu einem Punkt voranzubringen, an dem sowohl terrestrische als auch Astronautenpatienten helfen können – was regulatorische sowie medizinische und technologische Herausforderungen beinhaltet.

„Zum ersten Mal in Europa haben sich alle relevanten Experten zusammengetan, um über die Anwendung von 3D-Bioprinting und regenerativer Medizin für den Weltraum zu diskutieren“, sagte Tommaso Ghidini, Leiter der ESA-Abteilung für Strukturen, Mechanismen und Materialien, und leitete das Projekt.

„Im Falle eines medizinischen Notfalls ist eine schnelle Rückkehr nicht möglich. Stattdessen müssen die Patienten vor Ort behandelt werden. Daher prüfen wir die Durchführbarkeit und den Mehrwert der Implementierung verschiedener 3D-Drucktechnologien und bioprintierter Tücher für zukünftige Explorationsmissionen.“

Darüber hinaus muss ein breites Spektrum medizinischer Probleme in Betracht gezogen werden. Die Experten für 3D-Bioprinting wurden von einer früheren ESA-Studie „HUMEX“ geleitet.

Die geschwächten Knochen und Muskeln, mit denen derzeit Astronauten in der Schwerelosigkeit konfrontiert sind – zum Teil durch Bewegung und medizinische Gegenmaßnahmen angegangen – könnten noch ernster werden, wenn sie Jahre statt Monate im Orbit verbringen. Das Leben in der partiellen Schwerkraft anderer Planeten könnte etwas besser sein, was das Risiko von Knochen- und Gelenkschäden sowie Hautverletzungen durch Rutschen und Unfälle erhöht. Wenn Sie sich einfach über den Schutz der Erde hinaus wagen, bedeutet die magnetische Abschirmung eine höhere Strahlenbelastung und ein daraus resultierendes Krebsrisiko.

Die Vorbereitung auf alle Eventualitäten ist an Bord eines beengten Raumfahrzeugs einfach nicht möglich. Stattdessen würde eine 3D-Bioprinting-Funktion eine flexiblere und vielseitigere Reaktion auf Notfälle ermöglichen.

Heutzutage werden zum Beispiel schwere Verbrennungen normalerweise mit Hauttransplantaten an anderen Stellen des Körpers eines Patienten behandelt. Dies ist eine sekundäre Verletzung des transplantierten Bereichs. Dies ist keineswegs ideal, wenn Untersuchungen zeigen, dass die Umgebung des Orbitals die Heilung von Wunden schwieriger macht. Stattdessen könnte neue Haut aus den eigenen Zellen des Patienten gezüchtet und biologisch bedruckt und anschließend direkt transplantiert werden.

Oder im Fall von Krebs eröffnet die Option, Ersatzgewebe in einer benutzerdefinierten Form zu drucken, um einen von Krebs betroffenen Teil des Körpers – sei es Haut, Knochen oder ein inneres Organ – direkt zu ersetzen, Behandlungsmöglichkeiten nicht nur für die Erforschung des Weltraums aber auch wieder auf der Erde.

“Ein weiteres Unbekanntes ist, wie bioprintierte Konstrukte nach dem Druck reifen und wie ihre Umsetzung im menschlichen Körper von den veränderten Bedingungen des Weltraums beeinflusst wird”, sagte Prof. Michael Gelinsky, Leiter des Zentrums für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung am das Universitätsklinikum der Technischen Universität Dresden.

Roboterchirurgen könnten helfen, jede Wissenslücke zu schließen, indem sie autonom mit künstlicher Intelligenz arbeiten und nicht durch Fernsteuerung durch Erdchirurgen gesteuert werden.

Neben den technologischen Hürden betonten die Teilnehmer die rechtlichen und regulatorischen Fragen. Die Transplantation von bioprintierten Geweben und Organen in menschliche Patienten müsste nicht nur von Aufsichtsbehörden für den Weltraum, sondern auch von den zuständigen Aufsichtsbehörden für das Gesundheitswesen vor Ort genehmigt werden.