Bioengineering

Forscher stellen Kunst-Darm aus Stammzellen her

Das mit blauer Farbe "durchblutete" Stück Dünndarm

(Bild: © Ottlab 2017/Kentaro Kitano)

Die Suche nach Wegen zur Entwicklung biologischer Kunstorgane ist eines der großen Themen in der medizinischen Forschung. Dem aus Tirol stammenden Chirurgen Harald Ott von der Harvard Medical School (USA) und seinem Team ist es nun gelungen, ein vollständiges, funktionierendes Stück Dünndarm herzustellen und in eine Ratte zu transplantieren, berichten sie im Fachblatt "Nature Communications".

In den vergangenen Jahren hat Ott mit seiner Arbeit an künstlichen biologischen Organen bereits mehrfach für Aufsehen gesorgt. Er baute in Bioreaktoren Herz, Lunge und Nieren von Ratten nach, die - wenn auch in reduziertem Ausmaß - funktionsfähig waren und in lebende Tiere transplantiert teilweise für mehrere Wochen arbeiteten. Auch mit der Nachbildung eines menschlichen Lungen-Blutgefäßsystems aus Stammzellen waren die Wissenschaftler erfolgreich.

Harald Ott

(Bild: YouTube.com)

Organe von Toten als Ausgangsmaterial
Als Ausgangsmaterial für die Kunstorgane verwenden sie Organe toter Tiere oder Menschen, die mit einem speziellen Verfahren von allen Zellen befreit werden. Übrig bleibt dann nur noch ein Gerüst aus sogenannter extrazellulärer Matrix (ECM). Diese ruft, wenn sie später in einen fremden Organismus verpflanzt wird, keine Abstoßungsreaktion hervor.

Die ECM wird dann in einem Bioreaktor mit frischen Zellen des entsprechenden Gewebes wieder besiedelt. Dafür braucht es embryonale Zellen - diese befinden sich in einem Stadium, wo sie sich sozusagen noch nicht entschieden haben, welche Gestalt sie annehmen. So stellten die Forscher etwa eine künstliche Niere her, die im Labor bis zu 23 Prozent und nach Transplantation in eine lebende Ratte bis zu zehn Prozent der Funktion einer normalen Niere erreichte. Eine biologische Kunst-Lunge funktionierte bis zu zwei Wochen, nachdem sie einer lebenden Ratte transplantiert wurde.

Das Stück Darm im Bioreaktor

(Bild: © Ottlab 2017/Kentaro Kitano)

"Wir haben nun erstmals unsere Technologie auf den Dünndarm angewandt", sagte Ott zur APA. Verliert nämlich ein Patient größere Teile dieses Organs, dann ist die Versorgung des Körpers mit wichtigen Nährstoffen besonders schwierig. Oft sind diese Menschen auf künstliche Ernährung angewiesen. "Dafür gibt es momentan keine gute Lösung", erklärte der Forscher.

Stammzellen werden in Darmzellen verwandelt
Man baue in der Arbeit auf vielen neuen Erkenntnissen dazu auf, wie wieder zu embryonalen Stammzellen zurückprogrammierte Zellen - sogenannte humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) -, gezielt in Darmzellen verwandelt werden können. Im Gegensatz zum Aufbau von sich selbst organisierenden, kleinen organähnlichen Strukturen (Organoiden) haben Ott und sein Team nun den Schritt in Richtung angewandte Entwicklungsbiologie bzw. Bioengineering gesetzt: Sie nutzten diese Erkenntnisse dafür, richtiges Dünndarmgewebe mit "höherer Organisation und Funktion" entstehen zu lassen.

Neben dem Aufbau der richtigen Struktur ging es vor allem darum herauszufinden, wann sich die verschiedenen Zellen im jeweils gewünschten Entwicklungsstadium befinden, so Ott. All das musste dann "zu einem dreidimensionalen Großformat" weiterentwickelt werden. Das bedeutete hier ein vier Zentimeter langes Stück Dünndarm für eine Ratte.

Künstlicher Darm funktionierte einige Wochen
Nach dem Einsetzen in das Tier floss tatsächlich Blut durch den "künstlich-echten" Dünndarm. Außerdem erfüllte er nach einigen Wochen auch seine Aufgabe, indem er Glucose und Fettsäuren erfolgreich vom Inneren des Darms an die Blutgefäße weitergab.

Als nächsten Schritt wollen Ott und sein Team die Methode auf größere Strukturen ausweiten. "Damit wollen wir herausfinden, ob wir wirklich einen Dünndarm herstellen können, der menschlichen Patienten helfen kann", sagte der Wissenschaftler. Der Vorteil wäre dementsprechend, dass man keinen in seiner Funktion eingeschränkten Darmersatz bereitstellen würde, sondern es sich um ein Organ handeln würde, das hilft, den Patienten zu ernähren.