Bioprinting Forscher entwickeln elastischen, 3D-gedruckten Ohrknorpel aus menschlichen Zellen

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Forschern ist es mithilfe des 3D-Drucks gelungen, elastischen Knorpel aus menschlichen Ohrknorpelzellen herzustellen. Dieser Knorpel weist eine Stabilität und Mechanik auf, die dem natürlichen Ohr nahekommen. In Rattenmodellen blieb der Knorpel auch nach sechs Wochen formstabil. Die größte Herausforderung besteht darin, ein dauerhaft korrekt vernetztes Elastin-Netzwerk zu schaffen.

Seit über dreißig Jahren versuchen Forscher, aus lebendem Zellmaterial von Patienten ein Ohr im Labor herzustellen. Schon 2016 überraschte das Team von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong mit einem Ohr aus dem 3D-Drucker. Nun ist Forschern der ETH Zürich, des Friedrich Miescher Institutes in Basel und des Luzerner Kantonsspitals ein weiterer wichtiger Schritt zum Ziel gelungen. Sie konnten aus menschlichen Ohrknorpelzellen im Labor elastischen Ohrknorpel herstellen, dessen mechanische Eigenschaften nahe an das natürliche Gewebe heranreichen. Der künstliche Knorpel ist ähnlich stabil wie ein echtes Ohr und behielt im Tiermodell auch nach sechs Wochen Form und Elastizität.

Die Forschung ist relevant, da nicht nur immer wieder Menschen bei Bränden und Unfällen ein Ohre oder Teile davon verlieren. Auch leiden einige Kinder unter einer angeborenen Fehlbildung des äußeren Ohrs. Diese so genannte Mikrotie betrifft etwa ein bis vier von 10.000 Kindern. Bis heute gilt die Rekonstruktion mit körpereigenem Rippenknorpel als Standard. Der Eingriff ist schmerzhaft und kann Narben oder Verformungen im Brustbereich verursachen. Zudem ist das rekonstruierte Ohr häufig steifer als ein natürliches. Eine Herausforderung ist daher das Elastin. Dieses Protein verleiht dem Ohr seine Biegsamkeit. Die Forscher müssen es nicht nur produzieren, sondern korrekt vernetzen und langfristig stabilisieren. Ein genauer biologischer „Bauplan“ dafür fehlt bislang.

„Wir implantieren kein weiches Gewebe in der Hoffnung, dass es im Körper stabil wird. Wir wollen die Stabilität bereits im Labor erreichen“, sagt Philipp Fisch, Erstautor der kürzlich in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Gewebetechnologie und Biofabrikation von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong.

Vom Gewebestück zum gedruckten Ohr

Als Ausgangsmaterial für das Ohr gewannen die Forscher Zellen aus kleinen Knorpelresten, die bei Operationen zur Korrektur der Ohrform anfallen. Aus einem kleinen Gewebestück von ungefähr drei Millimeter Durchmesser lassen sich zunächst Einhunderttausend Zellen isolieren. Für ein gedrucktes Ohr werden jedoch mehrere Hundert Millionen benötigt. Deshalb ließen die Forscher die Zellen in einer speziellen Nährlösung im Labor weiterwachsen. Damit das Gewebe gleichmäßig reift, entwickelten die Forscher zusätzlich eine spezielle Kulturumgebung, sodass auch das Innere des gedruckten Ohrs ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt wird.

Dabei testeten sie verschiedene Wachstumsfaktoren, um die Zellteilung zu fördern. Gleichzeitig wollten die Forscher verhindern, dass sich die Ohrknorpelzellen wie Fibroblasten verhalten. Diese Bindegewebszellen produzieren v. a. Kollagen Typ I und können Narbengewebe bilden. Das Resultat wäre Faserknorpel, also weicheres Gewebe mit Kollagen Typ I statt dem für Ohrknorpel typischen steiferen Kollagen Typ II und Elastin.

Die vermehrten Zellen betteten die Forscher anschließend in eine so genannte Bio-Tinte ein, ein gelartiges Material, das als Träger dient. Mithilfe eines 3D-Druckers formten sie daraus Ohrstrukturen. Unmittelbar nach dem Druck war das Gewebe noch sehr weich. „Entscheidend ist nicht nur, was man hineingibt, sondern wie sich das Gewebe entwickeln kann“, erklärt Fisch. Die gedruckten Ohren reiften deshalb mehrere Wochen in einem Inkubator, einem Brutkasten, und wurden kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt. Ziel war die Bildung von Kollagen Typ II, Elastin sowie Glykosaminoglykanen – zuckerartigen Molekülen, die Wasser binden und zur Festigkeit des Knorpels beitragen.

Ohr bleibt im Tiermodel stabil

Entscheidend für ihren Erfolg sei eine Kombination von vier Faktoren gewesen, sagt Fisch: „Wir haben die Zellvermehrung optimiert, die Materialeigenschaften angepasst, die Zelldichte erhöht und die Reifungsumgebung besser kontrolliert.“ Nach rund neun Wochen Vorreifung im Labor implantierten die Forscher die Ohrkonstrukte unter die Haut von Ratten. Dort beobachteten sie das Gewebe über mehrere Wochen. Das Resultat: Die Form blieb nach sechs Wochen stabil, und die mechanischen Eigenschaften lagen nahe am natürlichen Knorpel.

Herausforderung Elastin

„Trotz des großen Erfolgs bleibt das noch nicht vollständig herangereifte Elastin eine Herausforderung für uns“, sagt Fisch. „Wir sehen Veränderungen im Gewebe. Das zeigt uns klar, dass wir dies noch weiter stabilisieren müssen.“.

Weltweit arbeiten nur wenige Gruppen an der Herstellung von elastischem Ohrknorpel. Zudem ist der Forschungsprozess zeitaufwändig: Ein einzelnes Experiment dauert rund drei bis vier Monate. Dabei kombinieren die Forscher jeweils unterschiedliche Bedingungen in komplexen Experimenten, um den noch fehlenden biologischen Bauplan zu entschlüsseln. Entscheidend ist die kontrollierte Bildung eines stabilen Elastin-Netzwerks, damit die Ohrform langfristig erhalten bleibt.

Geduldige Suche nach dem Bauplan fürs Elastin-Netzwerk

„In unserer Gruppe arbeiten wir seit über zehn Jahren an diesem Problem“, sagt Fisch. Für Außenstehende mag das nach einer langen Zeit klingen. „Doch in der Biofabrikation von Gewebe, dem so genannten Tissue Engineering, sind Fortschritte selten schnell sichtbar.“

Das Interesse an künstlichem Ohrknorpel ist groß. „Kaum war die Studie erschienen, erhielt ich eine Nachricht von Eltern eines Kindes mit Mikrotie“, erzählt Fisch. Sie wollten wissen, wie weit die Forschung sei und wann mit klinischen Studien zu rechnen sei.

Fisch bleibt vorsichtig: „Wenn alles gut läuft, finden wir innerhalb der nächsten fünf Jahre hoffentlich den Bauplan für das Elastin-Netzwerk.“ Danach folgen klinische Studien, strukturierte Prüfverfahren und formale Zulassungsprozesse. Erst wenn diese regulatorischen Hürden überwunden sind, kann der künstliche Ohrknorpel seinen Weg vom Labor in die Klinik finden. „Die aktuelle Studie ist eine gute Einordnung des Forschungsstands“, resümiert Fisch. „Sie zeigt, wie nahe wir dem natürlichen Ohr bereits kommen – und was noch fehlt.“

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