Der Bürger im Staat

Auf dem Weg ins 21. Jahrhundert

Medizin - Naturwissenschaft - Technik
 
 
 

Heft 3/2000 , Hrsg.: LpB

Inhaltsverzeichnis
 

Ersatzteillager Mensch?

Wie Wissenschaftler Organe züchten
Von Reinhard Spiegelhauer 
Dipl.-Biologe Reinhard Spiegelhauer war mehrere Jahre freier Mitarbeiter des SWR und ist gegenwärtig Redakteur des Hessischen Rundfunks.

Schadhafte oder verloren gegangene Körperteile hat man lange schon durch Prothesen zu ersetzen versucht, die im Laufe der Zeit technisch immer mehr verbessert werden konnten. Einen Schritt weiter gehen Transplantationen, die Organe anderer Menschen übertragen. Da ausreichend Spender fehlen, denkt man auch daran, auf Tier-Organe zurückzugreifen. Das Problem in beiden Fällen ist, dass der Körper fremde Organe als Fremdkörper identifiziert und somit Abwehrreaktionen entwickelt. Einen Durchbruch bedeutet es, aus den eigenen Zellen des Körpers neue Haut, Knorpel oder gar Herzklappen zu züchten. Eine besondere Herausforderung ist der Versuch, auf diese Weise auch komplexe Organe wie die Leber zu züchten. Stammzellen, aus denen der Embryo alle Organe entwickelt, scheinen dafür ideal geeignet – ethische Bedenken stehen ihrer Verwendung jedoch entgegen. Deswegen hat die Entdeckung von Stammzellen in Erwachsenen besondere Aufmerksamkeit geweckt. Forschungsziel ist, die Selbstheilungskräfte des Menschen zu stimulieren und zu steuern.
Red.

Mit Knochenstücken und Elfenbein fing alles an: bei den alten Ägyptern

Haut, Knochen, Nerven oder auch ganze Organe künstlich nachzubilden, ist ein Jahrhunderte alter Traum. Neue, interdisziplinäre Forschung rückt diesen Traum in greifbare Nähe. Heute schon kann ein bestimmtes Präparat, das aus Zellen der Bauchspeicheldrüse von Schweinen hervorgeht, Zuckerkranken eingepflanzt werden. Dort produziert es das fehlende Insulin. Der Wunsch der Forscher geht aber weiter. Nachgezüchtete Zellen aus dem Körper des Kranken selbst sollen beschädigte Organe reparieren. Mit Knochenstückchen und Elfenbein fing alles an. Sauber zurecht geschnitzt und mit Goldfäden oder Bast befestigt, waren sie die ersten Prothesen – die ersten Versuche, verlorengegangene Körperteile zu ersetzen. Genauer gesagt: Zähne. Denn schon für Ägypter und Etrusker galten verlorene Zähne als Zeichen des Alters, das man kaschieren wollte. Richtig zubeißen freilich konnte man mit diesen Prothesen noch nicht. Das kam später, als die Inkas und die Mayas Halbedelsteine in die leeren Zahnfächer hämmerten. Oft waren sie reich verziert und eher Schmuck als Zahnersatz. Aber Funde belegen, dass sie bis zum Lebensende des Besitzers halten konnten. Natürlich versuchte man auch andere Körperteile zu ersetzen, vor allem Gliedmaßen. So schließt unsere Vorstellung von einem Piraten beispielsweise fast zwangsläufig das Holzbein ein. Die Bein- und Armprothetik entwickelte sich jedoch vor allem aufgrund trauriger Anlässe weiter: den beiden Weltkriegen.

Doch Prothesen bleiben Fremdkörper

Schwieriger zu verwirklichen waren sogenannte Endoprothesen, also Prothesen die eine verlorengegangene Funktion im Körper ersetzen sollen. Vor gut hundert Jahren entstand das erste halbwegs funktionierende künstliche Kniegelenk. Der Berliner Chirurg Themistockles Gluck hatte ein Scharnier aus Elfenbein konstruiert und mehreren Patienten eingepflanzt. Doch Entzündungen machten den vorübergehenden Erfolg meist schnell zunichte. Die Entwicklung aber ging voran und legte ständig an Tempo zu. So sind seit den siebziger Jahren künstliche Gelenke Standard. Bessere Operationstechniken und neue Materialien wie Titan- und Molybdänlegierungen waren der Motor dazu. Dank weiterentwickelter Technik gibt es inzwischen auch Hilfe bei lebensbedrohlichen Funktionsstörungen: Dialysegeräte, die die Nierenfunktion übernehmen können, Herzschrittmacher, künstliche Herzklappen – ja sogar Kunstherzen. Doch eines bleibt all diesen Prothesen gemein: sie sind technische Apparate, tot, dem Körper fremd – Fremdkörper. Und nie sind sie so perfekt wie die Natur. Mit dem menschlichen Knie kann es kein Kunstgelenk aufnehmen, und sei es auch nur, weil sich der künstliche Ersatz nach Jahren aus der Verankerung löst. Die aufwendige Blutwäsche mit dem Dialysegerät schafft nicht einmal ein Viertel der Entgiftungsleistung der Nieren. Und kein Kunstherz reagiert so schnell und so genau auf sich ändernde Belastung, wie das menschliche Herz.

Transplantationen lösen Abwehrreaktionen aus – Und es gibt zu wenig Spender

Dass nichts so gut ist, wie das Original, ahnte man auch schon früher: Transplantationen wurden bereits vor Jahrhunderten versucht, die Patienten allerdings starben entweder während des Eingriffs oder kurze Zeit später – Organe mit Erfolg zu verpflanzen, gelang erst im zwanzigsten Jahrhundert: 1950 wurde die erste Niere erfolgreich verpflanzt. Entscheidend war die Erkenntnis, dass das Immunsystem fremdes Gewebe abstößt – aus gutem Grund, es soll schließlich vor eingedrungenen Krankheitskeimen schützen. Indem die Ärzte die Immunabwehr gezielt schwächen, können sie inzwischen meistens verhindern, dass Transplantate abgestoßen werden. Trotzdem hat die Transplantation Nachteile. So können die Medikamente, mit denen die Abstoßungsreaktion verhindert wird, schwere Nebenwirkungen haben. Außerdem ist das im Zaum gehaltene Immunsystem manchmal nicht mehr in der Lage, gefährliche Infektionen zu verhindern: Der erste Mensch mit einem zweiten Herzen starb keine drei Wochen nach Christian Barnards gefeiertem Eingriff im Jahr 1967 an einer Lungenentzündung. Das größte Problem aber ist, daß es zu wenige Spenderorgane gibt. Die Daten von Patienten, die auf ein Spenderorgan warten, werden in einer zentralen Datei gespeichert, um gespendete Organe möglichst schnell vermitteln zu können. Dennoch sterben jedes Jahr über 15 Prozent der Patienten auf dieser sogenannten Eurotransplant-Liste. Schlimmer noch: in Deutschland ist die Zahl der Organspenden in den letzten Jahren sogar rückläufig. Deswegen suchen Mediziner nach Alternativen. 

„Gewebe-Technik“ heißt das neue Zauberwort

Tissue-Engineering – wörtlich übersetzt: „Gewebe-Technik” – ist das Zauberwort. Es bedeutet: Ärzte wollen lebende Gewebe und Organe herstellen. Das können sie jedoch nicht alleine. Tissue Engineering ist eine interdisziplinäre Arbeit. Mediziner arbeiten dabei mit Biotechnologen, Biophysikern, Werkstoffwissenschaftlern und Ingenieuren zusammen.
Erste Ansätze des Tissue Engineering, wie die Forschungsrichtung auch in Deutschland genannt wird, gibt es seit den achtziger Jahren. Seitdem können Hautzellen im Labor am Leben erhalten und vermehrt werden. Verbrennungsopfern wird seitdem nicht mehr nur mit der Eigenverpflanzung von ganzen Streifen unverbrannter Haut geholfen, die ihrerseits zu Verletzungen und Narben führt. Stattdessen wird nur ein kleines Stück gesunder Haut entnommen und im Labor vermehrt. Innerhalb kurzer Zeit können die Mediziner auf diese Weise große Mengen an Hautzellen gewinnen, die entweder als Ersatzhaut-Streifen oder als Zellsuspension auf die Verbrennungswunden aufgebracht werden und helfen, die Wunden zu schließen. Erfolge gibt es auch bereits bei der Behandlung akuter Gelenkknorpelverletzungen, zum Beispiel nach Sportunfällen. Weil der dämpfende Gelenkknorpel, zum Beispiel im Knie, sich nach Verletzungen nicht nachbildet, führen solche Verletzungen normalerweise auf lange Sicht zu Gelenkverschleiß. Doch auch hier gibt es inzwischen die Möglichkeit, aus einer kleinen Probe gesunder Zellen im Labor Ersatz nachzuzüchten. Bislang ist der künstliche Knorpel jedoch nicht genauso haltbar wie im Gelenk gewachsener. Auch die verschiedenen Techniken, mit denen die nachgezüchteten Knorpelzellen wieder eingebaut werden, sind noch nicht völlig ausgereift und es fehlen noch Langzeiterfahrungen mit dem nachgezüchteten Knorpel.
Dass es heute überhaupt möglich ist, Knorpelgewebe nachzuzüchten, ist ein Erfolg interdisziplinärer Zusammenarbeit: Wenn Knorpelzellen auf herkömmliche Weise in einer sogenannten Petrischale gezüchtet werden, also in zweidimensionaler Kultur, verlieren sie bestimmte typische Eigenschaften, die für die Funktion des Knorpels wichtig sind. Biotechnologen siedeln die Zellen daher nach der Vermehrung in schwamm- oder vliesartige Strukturen um, wo sie sich dann wieder wie normale Knorpelzellen verhalten. Diese besiedelten Gerüste werden dann dem Patienten eingepflanzt.
Die Herstellung solcher Stützstrukturen übernehmen Werkstoffwissenschaftler und Ingenieure. Die Gerüste müssen viele Forderungen erfüllen: die Poren oder Hohlräume in den Schwämmen und Vliesen müssen die richtige Größe haben, das Material muß für Hautstreifen flexibel, für Knorpel elastisch und für Knochen starr sein und dabei gleichzeitig hoher Belastung standhalten. Nicht zuletzt muss sich die Struktur innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auflösen, während natürliches Gewebe nachwächst. Für verschiedene Anwendungen müssen die „Gewebe-Techniker” also jeweils Gerüste mit maßgeschneiderten Eigenschaften konstruieren. In Zukunft wollen sie die Gerüststrukturen zusätzlich sogar mit Hormonen oder Medikamenten „aufladen”, so dass sie beispielsweise das Wachstum aktiv fördern oder Entzündungen bekämpfen. 

Nachgezüchtete Herzklappen verpflanzt

Für manche Anwendungen bedienen sich die Forscher statt künstlicher Stützgerüste natürlichen Materials. Zum Beispiel, um Herzklappen zu züchten. Dafür entfernen die Mediziner die lebenden Zellen aus Schweine-Herzklappen und besiedeln das übriggebliebene tierische Stützgewebe neu mit Zellen des menschlichen Patienten. Diese Methode ist risikoärmer als die sogenannte Xenotransplantation, also die Verpflanzung kompletter tierischer Gewebe oder Organe, weil keine lebenden Schweinezellen übertragen werden. Denn nur die lebenden Zellen provozieren starke Abstoßungsreaktionen. Darüber hinaus bergen sie die Gefahr, dass Viren, die als „blinder Passagier” in den Schweinezellen leben, auf den Menschen übertragen werden. Es ist auch möglich, die Stützgewebe verstorbener Menschen neu zu besiedeln: vor kurzem wurde in der Berliner Charité erstmals eine auf diese Art und Weise nachgezüchtete Herzklappe verpflanzt. Dadurch ist eine Infektion durch tierische Viren völlig ausgeschlossen. Allerdings ist hier erneut die Verfügbarkeit von Spenderorganen ein limitierender Faktor. Ethischen Bedenken gegenüber der Zucht von Tieren als “Ersatzteilspender” entgegnen die Befürworter, daß auch Schlachttiere ausschließlich zum Nutzen des Menschen gezüchtet werden.

Schwieriger ist es, ein komplexes Organ wie die Leber zu züchten

Weit schwieriger als Haut, Knorpel oder Herzklappen zu züchten, ist es, komplexe Organe wie die Leber zu züchten. Denn dort finden sich gleich sechs verschiedene Zelltypen, die noch dazu in einer bestimmten Art und Weise angeordnet sind. Außerdem muß die Leber extrem gut mit Blut versorgt werden, damit sie ihre Entgiftungsfunktion überhaupt erfüllen kann. Die Versuche, funktionierendes Lebergewebe im Labor herzustellen, stecken noch in den Kinderschuhen. Kurz vor der klinischen Anwendung stehen jedoch Geräte, die die Leberfunktion für beschränkte Zeit übernehmen können, bis ein Spenderorgan gefunden ist. Solche Leberzell-Bioreaktoren bestehen im Prinzip aus zwei Kammern, die durch eine spezielle Membran voneinander getrennt sind. In der einen Kammer wird ein Gemisch verschiedener Leberzellen künstlich am Leben gehalten. Durch die andere Kammer fließt das Blut des Patienten. Die Membran verhindert einerseits, dass Blut und Leberzellen sich mischen, gestattet aber andererseits den Austausch von Nähr- und Giftstoffen. So können fremde Leberzellen ohne Abstoßungsgefahr zur Reinigung des Blutes eingesetzt werden. Auch hier denkt man daran, wegen des Mangels an menschlichen Spenderzellen mit tierischen Zellen zu arbeiten. Dazu müssen jedoch noch Studien durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass keine tierischen Krankheitserreger in das Patientenblut gelangen können. 

Umstritten ist die Gewebezüchtung aus embryonalen Stummzellen

Grosse Kontroversen gibt es um die Gewebezüchtung aus sogenannten embryonalen Stammzellen. Diese Zellen des Fötus sind noch völlig undifferenziert, das heißt, auf keinen bestimmten Gewebetyp festgelegt. Aus diesen embryonalen Stammzellen entwickeln sich alle verschiedenen Gewebe und Organe des Erwachsenen. Daher sind sie interessantes Studienobjekt für die Organzüchter. Doch mit der Forschung oder gar Nutzung menschlicher Embryonen sind schwerwiegende ethische Fragen verknüpft – beispielsweise, ob man abgetriebene Föten als „Ersatzteilspender” verwenden dürfte. Und deshalb ist die Stammzell-Forschung an menschlichen Embryonen in Deutschland verboten. Grundlagenforschung ist jedoch auch mit tierischen Embryos möglich. Forscher können Stammzellen von Mäuseembryos im Labor mit bestimmten Hormonen und anderen chemischen Stoffen gezielt beeinflussen, so daß sie sich beispielsweise zu speziellen Herzmuskelzellen entwickeln, die den Herzschlag stimulieren. Prinzipiell könnte man so eine Art „natürlichen Herzschrittmacher” züchten. Seit einiger Zeit wissen die Forscher jedoch, daß es auch in einigen Geweben Erwachsener Stammzellen gibt. Allerdings bilden sich aus ihnen nicht mehr beliebige Zelltypen. Stattdessen bilden sich aus den Stammzellen im Knochenmark zum Beispiel nur noch die verschiedenen Zelltypen des Blutes, wie weiße und rote Blutkörperchen. In den letzten Jahren wurden Stammzellen sogar in Geweben gefunden, von denen man vorher annahm, sie würden beim Erwachsenen nicht mehr nachwachsen – zum Beispiel im Gehirn. Gelänge es, diese Stammzellen erwachsener Menschen ebenso zu steuern wie die embryonalen Stammzellen, dann könnte man vielleicht eines Tages aus einer Blut-Stammzelle eines Patienten Ersatz für seine angegriffene Leber züchten. Abstoßungsreaktionen gäbe es dann nicht mehr und auch nicht die ethischen Bedenken wie bei embryonalen Strammzellen. Auch für Parkinson-Kranke sind Stammzellen eine Hoffnung. Sie könnten dazu angeregt werden, sich zu Gehirnzellen zu entwickeln, die den Botenstoff Dopamin produzieren. Denn die Parkinson-Krankheit oder Schüttellähmung hängt mit einen Mangel dieses Botenstoffes zusammen.

Universellen Reparaturzellen auf der Spur?

Noch größere Möglichkeiten könnte aber eine spektakuläre Entdeckung aus Boston eröffnen. Forscher an der Harvard Medical School glauben, einer Art universeller Reperaturzellen des Körpers auf der Spur zu sein. Es handelt sich dabei um extrem kleine, undifferenzierte Zellen, die Wissenschaftler in aller Welt bislang für Verunreinigungen ihrer Präparate hielten. Jetzt gibt es Hinweise, dass sich diese ruhenden Zellen unter ganz bestimmten Bedingungen in die verschiedensten Zelltypen entwickeln können. Das deutet darauf hin, daß sie eine Art „Vorläufer-Stammzellen” von Erwachsenen sein könnten. Bis jetzt haben die Bostoner Forscher die Zellen in etwa zwanzig verschiedenen Gewebetypen nachgewiesen. Den Bostoner Wissenschaftlern ist es mit Hilfe dieser Zellen bereits gelungen, querschnittgelähmte Mäuse wieder zum Laufen zu bringen. Doch bis Menschen mit dieser Methode geheilt werden können, wird es mit Sicherheit noch Jahre dauern. Und auch dann werden die Chancen umso besser sein, je weiter entfernt vom Gehirn das Rückgrat durchtrennt ist. Denn dann müssen nicht so viele neue Verbindungen mit gelähmten Körperteilen neu hergestellt werden. 

Individuelle Lösungen statt vorgefertigter Ersatzteile

In den vergangenen zehn Jahren haben die Wissenschaftler beachtliche Erfolge erzielt. Tissue Engineering bietet inzwischen Möglichkeiten, früher nicht oder nur schlecht heilbare Krankheiten zu behandeln. Gleichzeitig zeigen die Erfahrungen der vergangenen Jahre jedoch, daß sich nicht alle Ideen problemlos klinisch umsetzen lassen. Die Vorstellung von der „Ersatzteilmedizin”, in der Mediziner in den Schrank oder die Kühltruhe greifen und aus einer Unmenge vorgefertigter Ersatzteile herausnehmen, ist überholt. Die Forschung konzentriert vielmehr sich auf individuelle Lösungen für jeden Patienten. Die Mediziner wollen sich zunehmend Selbstheilungskräfte zunutze machen, sie stimulieren und steuern. Die bisherigen Forschungsergebnisse sind vielversprechend. Ob und wann es tatsächlich einmal möglich sein wird, Querschnittslähmungen, schwere Lebererkrankungen oder ein schwaches Herz mit Ersatz aus dem eigenen Körper zu behandeln, kann heute allerdings niemand mit Sicherheit vorhersagen.

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