Medizin der Zukunft

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Organe und Körperteile könnten bald künstlich ersetzt werden. Woran die Forscher arbeiten.

Aus medizinischer Sicht ist unser Körper im Grunde nur eine hochkomplexe Maschine. Funktioniert sie nicht richtig, müssen, wie bei einem Auto auch, bestimmte Einzelteile repariert, unter Umständen sogar ausgetauscht werden. Allerdings sind die Möglichkeiten der Ärzte noch begrenzt: Während man heute problemlos Hüft- oder Kniegelenke aus Titan einsetzt, gibt es für Organe keinen künstlichen Ersatz. Sind etwa Herz oder Nieren ernsthaft geschädigt, hilft nur ein Spenderorgan. Daran aber mangelt es – nicht erst seit dem jüngsten Transplantationsskandal. Gut 11.000 Patienten warten hierzulande auf ein lebensrettendes Organ – sei es Herz, Niere, Leber, Lunge oder Bauchspeicheldrüse.

Neue Nieren aus der Petrischale

Wissenschaftler unterschiedlichster Fachrichtungen suchen daher seit vielen Jahren nach Alternativen zum Spenderorgan. Viel Hoffnung ruht dabei auf der regenerativen Medizin. Sie arbeitet daran, menschliches Gewebe und sogar ganze Organe im Labor zu züchten. Der Clou: Die Forscher verwenden Stammzellen der Patienten, sodass Abstoßungsreaktionen und eine lebenslange Medikamentengabe vermieden werden.

Erfolgreiche Einzelfälle zeigen das gewaltige Potenzial der Technik: So gelang dem Schweizer Chirurgen und Stammzellforscher Paolo Macchiarini bereits dreimal die Züchtung und Transplantation einer Luftröhre. Die Produktion weiterer menschlicher Organe scheint greifbar. Schließlich wurden in den Laboren bereits Leber- und Lungengewebe, winzige Nieren und sogar eigenständig pulsierendes Herzgewebe hergestellt. “Von der klinischen Anwendung gezüchteter Organe ist man aber noch weit entfernt”, warnt Heike Walles, Professorin für Tissue Engineering und Regenerative Medizin an der Uni Würzburg.

Heilung durch Gewebepflaster

Denn je komplexer das Organ, desto komplizierter die Züchtung. So ist flaches Gewebe wie Haut deutlich einfacher herzustellen als dreidimensionale Organe, für die man eine Trägerstruktur als Gerüst benötigt. Diese kann wie bei den von Macchiarini implantierten Luftröhren aus bioverträglichem Kunststoff gefertigt werden. Für kompliziertere Organe nutzen Forscher entsprechendes menschliches oder tierisches Gewebe. Dieses wird von allen Zellen befreit, sodass nur ein fragiles biochemisches Gerüst aus Eiweißbausteinen zurückbleibt. “Darauf siedelt man Zellen des Patienten an und kultiviert diese in speziellen Bioreaktoren unter physiologischen Bedingungen”, erläutert Walles das Grundprinzip.

Was simpel klingt, ist ein hoch kompliziertes Verfahren, das erst in Ansätzen gelingt. Denn für ein funktionsfähiges Organ müssen die richtigen Zellen an den richtigen Stellen wachsen. “Allein die Haut hat mindestens zwei verschiedene Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen”, erklärt die Expertin. “Bei der Leber sind es bereits über 60 Zelltypen, die in eine genau definierte An- und Zuordnung zueinander gebracht werden müssen.” Doch trotz all der noch ungelösten Probleme ist die regenerative Medizin zukunftsweisend. Nach gezüchteten Knorpeltransplantaten, die schon heute Anwendung finden, werden in den nächsten Jahren vermutlich zahlreiche weitere regenerative Produkte auf den Markt kommen. Dazu gehören neuartiger Ersatz für Nervengewebe, Herzklappen oder Blutgefäße.

Heike Walles arbeitet im Moment an Haut, Knochen und Bändern. Was die Züchtung komplexer Organe angeht, ist die Expertin indes skeptisch: “Ich glaube nicht, dass wir jemals ein ganzes Herz oder eine ganze Leber herstellen können.” Allerdings wären auch Gewebeteile bereits eine Revolution. “Unser Ziel ist es, funktionelle Einheiten zu züchten, sodass Teilfunktionen des Organs ersetzt werden können.” Ein im Labor gezüchtetes Gewebepflaster könnte dann geschädigte Herzen, Nieren oder Lebern wieder funktionstüchtig machen.

Kunstherzen

Auch die Medizintechnik arbeitet fieberhaft an Alternativen zu Spenderorganen – und macht rasante Fortschritte. Kunstherzen, einst als Interimslösung bis zur Transplantation entwickelt, funktionieren schon heute länger als fünf Jahre – und könnten künftig zur Dauerlösung werden. Ein wichtiger Meilenstein der Herzmedizin ist bereits in naher Zukunft zu erwarten: das erste vollständig implantierbare Kunstherz. Bisherige Modelle werden über ein Kabel durch die Bauchwand mit Energie versorgt – was ein hohes Infektionsrisiko birgt. Aachener Wissenschaftler haben nun ein Kunstherz entwickelt, das kabellos über Induktion Strom bezieht und zudem das kleinste weltweit ist. 2017 soll es erstmals einem Menschen implantiert werden.

Transportable Nieren

Auch für Nierenkranke, die auf die belastende Dialyse angewiesen sind, könnte es bald Alternativen geben. In den USA beginnt im nächsten Jahr eine klinische Studie mit einer neu entwickelten transportablen Niere, die wie ein übergroßer Gürtel am Körper getragen wird und den Patienten neue Bewegungsfreiheit schenkt. Kurzzeitversuche mit Patienten in Großbritannien und Italien verliefen erfolgreich. An der University of California in San Francisco arbeitet ein internationales Expertenteam sogar an der ersten implantierbaren Niere. Modernste Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie sorgen dafür, dass das Gerät nicht größer ist als ein Kaffeebecher. Erste klinische Versuche sollen dieses Jahr starten.

Hoffnung für Gelähmte

Ob gezüchtete Organe oder Hightech-Implantate: Die Mediziner der Zukunft werden immer mehr und immer ausgefeiltere Ersatzteile für den Menschen zur Verfügung haben. Das gilt auch für Sinnesorgane oder Gliedmaßen. Schon heute können moderne Neuroimplantate den Hör- oder Sehsinn ersetzen, Neuroprothesen für Amputierte lassen sich per Willenskraft steuern und liefern sensorische Rückmeldungen. Damit gibt es auch für Gelähmte in der Zukunft neue Hoffnung: Ein gedankengesteuertes Exoskelett, eine Art Ganzkörperrüstung, soll ihnen das Gehen wieder ermöglichen. Ein Prototyp wurde bei der diesjährigen Fußball-WM vorgestellt, wo ein Gelähmter den Anstoß ausführte.

3-D-Technik: Körperteile aus dem Drucker

Prothesen per Knopfdruck: Die neue 3-D-Technik bedeutet eine Revolution für die Medizin. Zahnersatz aus dem 3-D-Drucker gibt es schon heute. Doch das ist erst der Anfang: Egal ob Knorpel, Blutgefäße, Herzklappen oder ganze Gelenke: Viele menschliche Ersatzteile könnten künftig per Bioprinter hergestellt werden. Größter Vorteil: die passgenaue, individuelle Anfertigung. Hauptproblem ist derzeit noch die Entwicklung geeigneter Biomaterialien, die als Gewebeersatz fungieren. In der plastischen Chirurgie erlaubt die neue Technik die individuelle Rekonstruktion ganzer Gesichtsteile. Auch die Prothetik profitiert: Handprothesen aus dem 3-D-Drucker sind zwar weniger präzise, aber um ein Vielfaches billiger als konventionelle.


Der reparierte Mensch

So wollen Wissenschaftler diese kranken Organe und Körperteile “reparieren”:

1. Arme und Hände

Sogenannte bionische Prothesen werden Sensoren haben, die über Elektroden an die Nerven angeschlossen sind. Damit kann der Träger Gegenstände fühlen.

2. Lunge

An implantierbaren Kunstlungen wird derzeit weltweit gearbeitet. Bislang gibt es nur extrakorporale Unterstützungssysteme, die sich lediglich für kurze Zeit eignen

3. Nieren

Nierenkranke sind an die Dialyse gebunden. Forscher entwickelten nun tragbare Kunstnieren. Eine implantierbare Niere soll erstmals 2017 in den USA getestet werden

4. Leber

Droht das Organ zu versagen, hilft derzeit nur die Leberdialyse. Eine implantierbare Leber ist ebenso fern wie der Einsatz von im Labor gezüchtetem Lebergewebe

5. Kniegelenk und Unterschenkel

Stehen, Laufen, Treppensteigen: Moderne Prothesen verfügen über Computer-, Sensor- und Regeltechnik. Sie werden in Echtzeit über Mikroprozessoren gesteuert und können sich auf jede Situation einstellen. Auf diese Weise wird ein nahezu natürlicher physiologischer Gang möglich

6. Ohren

Cochlea-Implantate übernehmen die Funktion des Innenohrs. Sie bestehen aus zwei Teilen und wandeln Schall in elektrische Impulse um, die den Hörnerv aktivieren Augen Ein Chip-Implantat, das unter die Netzhaut gelegt wird, ersetzt bei Retinitis-pigmentosa-Patienten zerstörte Sehzellen, gibt ihnen einen Teil der Sehkraft zurück

7. Luftröhre

Sowohl Teile als auch das komplette Organ konnten gezüchtet und erfolgreich implantiert werden. Das Verfahren ist noch experimentell, eine klinische Studie geplant

8. Milz

Eine von US-Forschern entwickelte Bio-Milz entfernt mithilfe von Nanomagneten Krankheitserreger aus dem Blut – und rettet so bei einer Blutvergiftung das Leben

9. Herz

Moderne Kunstherzen arbeiten bislang fünf Jahre, könnten aber künftig zur Dauerlösung werden. Neueste Modelle kommen bald ohne Versorgungskabel durch die Bauchwand aus. In ferner Zukunft könnten zudem aus Stammzellen gezüchtete “Herzpflaster” heilen