Ein Ohr aus dem Labor

Seit ¨¹ber dreissig Jahren versuchen Forschende, aus lebendem Zellmaterial von Patient:innen ein Ohr im Labor herzustellen. Schon 2016 ¨¹berraschte das Team von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong mit einem Ohr aus dem 3D-Drucker. Nun ist Forschenden der ETH Z¨¹rich, 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 nat¨¹rliche Gewebe heranreichen. Der k¨¹nstliche Knorpel ist ?hnlich stabil wie ein echtes Ohr und behielt im Tiermodell auch nach sechs Wochen Form und Elastizit?t.

Die Forschung ist relevant, da nicht nur immer wieder Menschen bei Br?nden und Unf?llen Teile eines Ohres oder es ganz verlieren. Auch leiden einige Kinder unter einer angeborenen Fehlbildung des ?usseren Ohrs. Diese sogenannte Mikrotie betrifft etwa ein bis vier von 10'000 Kindern. Bis heute gilt die Rekonstruktion mit k?rpereigenem Rippenknorpel als Standard. Der Eingriff ist schmerzhaft und kann Narben oder Verformungen im Brustbereich verursachen. Zudem ist das rekonstruierte Ohr h?ufig steifer als ein nat¨¹rliches. Eine Herausforderung f¨¹r die Forschenden.

?Wir implantieren kein weiches Gewebe in der Hoffnung, dass es im K?rper stabil wird. Wir wollen die Stabilit?t bereits im Labor erreichen?, sagt Philipp Fisch, Erstautor der k¨¹rzlich in der Zeitschrift Advanced Functional Materials ver?ffentlichten externe Seite Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Gewebetechnologie und Biofabrikation von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong.

Eine zentrale Herausforderung bleibt jedoch das Elastin. Dieses Protein verleiht dem Ohr seine Biegsamkeit. Die Forschenden m¨¹ssen es nicht nur produzieren, sondern korrekt vernetzen und langfristig stabilisieren. Ein genauer biologischer ?Bauplan? daf¨¹r fehlt bislang.

Vom Gewebest¨¹ck zum gedruckten Ohr

Als Ausgangsmaterial gewannen die Forschenden Zellen aus kleinen Knorpelresten, die bei Operationen zur Korrektur der Ohrform anfallen. Aus einem kleinen Gewebest¨¹ck von ungef?hr drei Millimeter Durchmesser lassen sich zun?chst Einhunderttausend Zellen isolieren. F¨¹r ein gedrucktes Ohr werden jedoch mehrere hundert Millionen ben?tigt. Deshalb liessen die Forschenden die Zellen in einer speziellen N?hrl?sung im Labor weiterwachsen. Damit das Gewebe gleichm?ssig reift, entwickelten die Forschenden zus?tzlich eine spezielle Kulturumgebung, sodass auch das Innere des gedruckten Ohrs ausreichend mit N?hrstoffen und Sauerstoff versorgt wird.

Dabei testeten sie verschiedene Wachstumsfaktoren, um die Zellteilung zu f?rdern. Gleichzeitig wollten die Forschenden verhindern, dass sich die Ohrknorpelzellen wie Fibroblasten verhalten. Diese Bindegewebszellen produzieren vor allem Kollagen Typ I und k?nnen Narbengewebe bilden. Das Resultat w?re Faserknorpel, also weicheres Gewebe mit Kollagen Typ I statt dem f¨¹r Ohrknorpel typischen steiferen Kollagen Typ II und Elastin.

Die vermehrten Zellen betteten die Forschenden anschliessend in eine sogenannte Bio-Tinte ein, ein gelartiges Material, das als Tr?ger 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?, erkl?rt Fisch. Die gedruckten Ohren reiften deshalb mehrere Wochen in einem Inkubator, einem Brutkasten, und wurden kontinuierlich mit N?hrstoffen versorgt. Ziel war die Bildung von Kollagen Typ II, Elastin sowie Glykosaminoglykanen ¨C zuckerartigen Molek¨¹len, die Wasser binden und zur Festigkeit des Knorpels beitragen.

Formstabil im Tiermodell

Entscheidend f¨¹r ihren Erfolg sei eine Kombination von vier Faktoren gewesen, sagt Fisch: ?Wir haben die Zellvermehrung optimiert, die Materialeigenschaften angepasst, die Zelldichte erh?ht 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 ¨¹ber mehrere Wochen. Das Resultat: Die Form blieb nach sechs Wochen stabil, und die mechanischen Eigenschaften lagen nahe am nat¨¹rlichen Knorpel. ?Trotz des grossen Erfolgs bleibt das noch nicht vollst?ndig herangereifte Elastin eine Herausforderung f¨¹r uns?, sagt Fisch. ?Wir sehen Ver?nderungen im Gewebe. Das zeigt uns klar, dass wir dies noch weiter stabilisieren m¨¹ssen.?.

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 entschl¨¹sseln. Entscheidend ist die kontrollierte Bildung eines stabilen Elastin-Netzwerks, damit die Ohrform langfristig erhalten bleibt.

Geduldige Suche nach dem Bauplan f¨¹rs Elastin-Netzwerk

?In unserer Gruppe arbeiten wir seit ¨¹ber zehn Jahren an diesem Problem?, sagt Fisch. F¨¹r 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 k¨¹nstlichem Ohrknorpel ist gross. ?Kaum war die Studie erschienen, erhielt ich eine Nachricht von Eltern eines Kindes mit Mikrotie?, erz?hlt Fisch. Sie wollten wissen, wie weit die Forschung sei und wann mit klinischen Studien zu rechnen sei.

Fisch bleibt vorsichtig: ?Wenn alles gut l?uft, finden wir innerhalb der n?chsten f¨¹nf Jahre hoffentlich den Bauplan f¨¹r das Elastin-Netzwerk.? Danach folgen klinische Studien, strukturierte Pr¨¹fverfahren und formale Zulassungsprozesse. Erst wenn diese regulatorischen H¨¹rden ¨¹berwunden sind, kann der k¨¹nstliche Ohrknorpel seinen Weg vom Labor in die Klinik finden.

?Die aktuelle Studie ist eine gute Einordnung des Forschungsstands?, res¨¹miert Fisch. ?Sie zeigt, wie nahe wir dem nat¨¹rlichen Ohr bereits kommen ¨C und was noch fehlt.?