Ein Ohr aus dem 3D-Drucker

Forschende haben elastischen Ohrknorpel aus menschlichen Zellen im Labor hergestellt, der im Tiermodell formstabil bleibt. Damit das Ohr dem 3D-Drucker langfristig stabil bleibt, muss seine natürliche Biegsamkeit noch besser nachgebildet werden.

Seit über dreißig Jahren versuchen Forschende, 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 Forschenden 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 Teile eines Ohres oder es ganz verlieren. Auch leiden einige Kinder unter einer angeborenen Fehlbildung des äußeren Ohrs: 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 für die Forschenden.

„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 über das Ziel seiner Forschung. Er ist Erstautor der kürzlich in „Advanced Functional Materials“ veröffentlichten Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Gewebetechnologie und Biofabrikation von Zenobi-Wong. Die Studie ist im Volltext frei verfügbar.

Eine zentrale Herausforderung bleibt jedoch das Elastin, welches das Ohr biegsam macht. Die Forschenden müssen es nicht nur produzieren, sondern korrekt vernetzen und langfristig stabilisieren. Ein genauer biologischer „Bauplan“ dafür fehlt bislang.

Vom Gewebestück zum Ohr aus dem 3D-Drucker

Als Ausgangsmaterial gewannen die Forschenden 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 Ohr aus dem 3D-Drucker werden jedoch mehrere hundert Millionen benötigt. Deshalb ließen das Schweizer Team die Zellen in einer speziellen Nährlösung im Labor weiterwachsen. Damit das Gewebe gleichmäßig reift, entwickelten die Forschenden zusätzlich eine spezielle Kulturumgebung. So wird auch das Innere des gedruckten Ohrs ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt.

Das Team um Fisch testete verschiedene Wachstumsfaktoren, um die Zellteilung zu fördern. Gleichzeitig wollten die Forschenden verhindern, dass sich die Ohrknorpelzellen wie Fibroblasten verhalten. Diese Bindegewebszellen produzieren vor allem 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 Forschenden anschließend in eine Bio-Tinte ein. Das gelartiges Material dient als Träger. 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. Jedes Ohr aus dem 3D-Drucker reifte deshalb mehrere Wochen in einem Inkubator und wurde kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt. Ziel war die Bildung von Kollagen Typ II, Elastin sowie Glykosaminoglykanen, die Wasser binden und zur Festigkeit des Knorpels beitragen.

Ohr aus dem 3D-Drucker erweist sich als formstabil im Tiermodell

Entscheidend für ihren Erfolg sei eine Kombination von vier Faktoren gewesen, erläutert 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 Forschenden 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. Ein Video der Arbeitsgruppe zeigt den künstlichen Ohrknorpel frisch gedruckt , nach neun Wochen Reifung im Labor und nach weiteren sechs Wochen im Tiermodell. „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 zeitaufwendig: Ein einzelnes Experiment dauert rund drei bis vier Monate. Dabei kombinieren die Forschenden jeweils unterschiedliche Bedingungen in komplexen Experimenten, um den noch fehlenden biologischen Bauplan zu entschlüsseln. Entscheidend ist die kontrollierte Bildung eines stabilen Elastin-Netzwerks: So bleibt die Ohrform langfristig erhalten.

Geduldige Suche nach dem Bauplan fürs Elastin-Netzwerk

„In unserer Gruppe arbeiten wir seit über zehn Jahren an diesem Problem“, sagte Fisch. Für Außenstehende mag das nach einer langen Zeit klingen: „Doch in der Biofabrikation von Gewebe, dem sogenannten 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 zum Ohr aus dem 3D-Drucker 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.“