Kunsthaut
2. Februar 2012
Die Haut ist das größte Organ des Menschen - und eines der komplexesten: Sie ist bis zu zwei Quadratmeter groß und kann bis zu 16 Prozent des Körpergewichts ausmachen. Die menschliche Haut schützt vor Fremdkörpern und -stoffen, reguliert die Temperatur und den Wasserhaushalt. Sie ermöglicht, Berührungen wahrzunehmen und Dinge zu ertasten - nicht zuletzt kann sie kommunizieren, zum Beispiel durch Erröten. All diese Aufgaben erfüllt sie mit Hilfe von elastischen Fasern, Blut- und Lymphgefäßen, Nervenzellen, Kälte- und Wärmefühlern, Tastkörpern, Immunabwehrzellen, Schweiß-, Talg- und Duftstoffdrüsen, Haaren, Fettgewebe.
Auf einer neuen Stufe
Menschliche Haut im Labor nachzubilden war bisher nur sehr begrenzt möglich. Zudem war die Konstruktion und Züchtung von natürlichem Gewebe aus lebenden Zellen, das sogenannte "Tissue Engineering", bisher eine zeit-, arbeits- und personalintensive Labortätigkeit. "Das hat mich schon lange geärgert, dass wir nicht so richtig vorangekommen sind, weil uns Technologien fehlten", sagt Professor Heike Walles vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Verfahrenstechnik IGB. "Alles wurde per Hand gemacht. Das macht die Produkte letztlich zu teuer und nicht hochwertig genug. Außerdem dauert es viel zu lange, bis man damit dann wirklich in die klinische Anwendung gehen kann."
So entstand die Idee, einen Prototypen zur industriellen Fertigung von Gewebe zu entwickeln. Drei Jahre arbeitete Walles mit einem Team aus Naturwissenschaftlern und Ingenieuren an der Umsetzung. Mit Erfolg: Seit April 2011 produziert die "Tissue Factory" briefmarkengroße menschliche Hautäquivalente - zum ersten Mal auf der Welt vollautomatisch, schnell, preisgünstig und von gleichbleibender Qualität. 5000 Stück pro Monat sind möglich. "Das war wirklich Pionierarbeit", sagt Walles. "Wir haben das erste Mal gezeigt, dass es geht." Derzeit werden noch zweischichtige Hautmodelle hergestellt. Läuft alles nach Plan, ist ab Ende 2012 auch die automatische Fabrikation von Vollhaut möglich, das heißt von Haut mit ihren drei Gewebeschichten Ober-, Leder- und Unterhaut. In den nächsten zwei Jahren soll die Technologie so weiterentwickelt werden, dass sich auch andere Gewebe, zum Beispiel Knorpel, fertigen lassen.
Entstanden aus Organmangel
Tissue Engineering als Versuch, Ersatzgewebe und -organe aus patienteneigenen Zellen zu züchten, entstand ursprünglich aus der Suche nach Ersatztherapien für Patienten, die auf ein Spenderorgan warten - und als Reaktion auf den Mangel an diesen Organen. Es ist eine der zentralen Technologien der regenerativen Medizin und beruht auf der Anwendung von Methoden und Erkenntnissen aus Biologie, Biochemie und Molekularbiologie, Medizin, Werkstoff- und Ingenieurswissenschaften.
Zur Herstellung von Gewebe werden den Patienten körpereigene Zellen entnommen, anschließend isoliert und im Labor vermehrt. Liegen sie in ausreichender Menge vor, werden sie auf ein Trägermaterial aufgetragen - auf dem sie anwachsen und das sie nach und nach auflösen und durch eigene Eiweiße ersetzen. Das Ergebnis ist sogenanntes "bioartifizielles autologes Gewebe", das, sobald es ausreichend gereift ist, dem Patienten transplantiert werden kann. Da es sich um Gewebe handelt, das aus patienteneigenen Zellen entstanden ist, wird es in der Regel nicht abgestoßen und besitzt ein eigenes Potential für Regeneration und Wachstum.
Körpersimulation komplett maschinell
Damit beim Tissue Engineering tatsächlich Zellen entstehen, die in Struktur, Form und Eigenschaften den natürlichen Zellen entsprechen, müssen zuvor die Zelltypen, aus denen das natürliche Gewebe besteht, identifiziert und verstanden werden. Zudem müssen die Zuchtbedingungen im Bioreaktor so angepasst werden, dass sie dem späteren Einsatzort des Gewebes möglichst nahe kommen. Neben der Regulierung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit werden die Zellen bei der Züchtung von Knochengewebe beispielsweise variierendem mechanischem Druck ausgesetzt, bei der Züchtung von Blutgefäßgewebe werden sie von einer rhythmisch pulsierenden Flüssigkeit umströmt. Für die Herstellung menschlicher Haut sind diese komplexen Prozesse am Fraunhofer-Institut nun erstmalig komplett maschinell integriert und laufen vollständig automatisch ab.
Bewährt sich das Prinzip und gelingt damit auch die Produktion menschlicher Vollhaut, könnte die patientenspezifische Automatenhaut zum "Pflaster der Zukunft" werden. Das Problem der Hauttransplantate wäre gelöst, Patienten mit großflächigen Verbrennungen und Hautkrebs-Operierten könnte geholfen werden. Bis dahin werden die produzierten Hautstücke für kleinflächige Transplantationen, vor allem aber für die Pharma- und Kosmetikindustrie genutzt.
Tierversuche überflüssig machen
Bewährt sich das Prinzip und gelingt damit auch die Produktion von Vollhaut, könnte die patientenspezifische Automatenhaut zum "Pflaster der Zukunft" werden. Das Problem der Hauttransplantate wäre gelöst, Patienten mit großen Verbrennungen und Hautkrebs-Operierten könnte geholfen werden. Bis dahin werden die produzierten Hautstücke für kleinflächige Transplantationen, vor allem aber für die Pharma- und Kosmetikindustrie genutzt. "Es wird immer wichtiger, dass wir die Gewebemodelle für Tests, zum Beispiel von neuen Medikamenten und Kosmetika, zur Verfügung stellen können und so langfristig Tierversuche überflüssig machen", sagt Walles. Das sei nicht nur aus Gründen des Tierschutzes sinnvoll: "Tests mit diesen Modellen liefern genauere und aussagekräftigere Ergebnisse, weil - wenn wir beim Beispiel der Hautäquivalente bleiben - die Modellhaut ja wie die menschliche strukturiert ist und eben keine Tierhaut ist."
Doch Walles hat sich längst neue Ziele gesteckt: Die Züchtung von Hauttumoren auf bioartifizieller Haut, um neue Erkenntnisse über Entstehung und Therapie der verschiedenen Formen von Hautkrebs zu gewinnen. Und: die Entwicklung komplexer, hintereinandergeschalteter Testsysteme, beispielsweise aus Hautmodell, Knochengewebe-, Darm-, Leber- und Nierenmodell, um unter anderem die Ausbreitung von Metastasen oder die Aufnahme- und Verteilungsmechanismen von Wirkstoffen in den Körper zu beobachten. Es gibt für das Team des IGB noch viel Pionierarbeit zu leisten.
Autor: Lydia Heller
Redaktion: Judith Hartl