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Setzt man Zellen Schallwellen aus, ordnen sie sich innerhalb von Sekunden in geometrischen Mustern an. Was auf den ersten Blick eher wie ein Kunstprojekt wirkt, hat das Potenzial, zu einem Gamechanger in der wiederherstellenden Medizin zu werden.
Bild: MimiX
Wellen, die am Ufer brechen und Sand zu fantastischen Strukturen formen; Wind, der nicht nur die Landschaft verändert, sondern auch Gräsern, Blättern und Wasser Leben einhaucht; und Regentropfen, die beim Auftreffen auf Wasser sich ausweitende Kreise verursachen. Solch natürliche Phänomene dienten Tiziano Serra, Focus Area Leader am AO Research Institute in Davos und Mitgründer der MimiX Biotherapeutics, als Inspiration. Der Materialwissenschaftler und passionierte Hobbymusiker folgte seiner Neugier und fand heraus, was passiert, wenn Schallwellen auf Zellen treffen.
Im November 2016 platzierte Tiziano Serra Zellen in einer Kulturschale auf einem Lautsprecher. Das Ergebnis übertraf seine Erwartungen. «Innerhalb von Sekunden gruppierten sich die Zellen in geometrischen Mustern», führt er aus. Er stellte in weiteren Experimenten fest, dass die Art des Musters von der Wellenlänge abhängig ist: Die beschallten Zellen bilden konzentrische Kreise oder Strukturen, die einem vierflügeligen Fidget Spinner (eine Art Handkreisel) ähnlichsehen. Gewebeorganisation durch Klang – die Idee wurde von der AO Foundation in Davos und einem Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds unterstützt und führte 2019 zur Gründung der Firma MimiX Biotherapeutics mit dem Ziel, die Technologie in der Klinik anzuwenden.
Auch wenn die Zellen heute nicht mehr auf Lautsprechern den Schallwellen ausgesetzt werden, bleibt das Prinzip dasselbe: Sie werden in einem Hydrogel, einem in Wasser gequollenen Netzwerk, für wenige Sekunden beschallt und fixiert, sobald sich die erwünschte Geometrie ausgebildet hat. Das so entstandene Implantat ist ein dreidimensionales, künstlich hergestelltes Gewebestück, bei dem die Skalierung wenig Probleme bereiten sollte. Präklinische Studien an Mäusen zeigen, dass die Implantate als Keimzelle für physiologische Strukturen dienen: Sie organisieren krankes oder defektes Gewebe in der unmittelbaren Umgebung und bilden gefässähnliche Strukturen, die für die Heilung essenziell sind. Zudem werden die Implantate vom Körper gut vertragen, da sie aus körpereigenen Zellen hergestellt werden. Somit sind sie für Anwendungen in der wiederherstellenden Medizin prädestiniert und könnten zu einem Gamechanger in der Knochen- oder Hautregeneration sowie in der Entwicklung von künstlichen Miniorganen werden.
Um verschiedene Zellarten einzubetten und die Komplexität der Implantate zu erhöhen, können mehrere davon gestapelt werden. Dies entspricht zwar nicht 3D-Druck im klassischen Sinn, führt aber zu einer gezielten räumlichen Anordnung von Zellen. Das Verfahren ist schnell und für die Zellen gut verträglich, generiert quasi-physiologische Strukturen und ist technisch einfach. So einfach, dass der Einsatz direkt in Spitälern in den Operationssälen angestrebt wird – Fertigung am Bett sozusagen. Die Anwendungsmöglichkeiten beschränken sich aber nicht auf die Medizin. Tiziano Serra sieht Potenzial für die Technologie in der Herstellung von Laborfleisch. Heute wachsen tierische Muskelzellen in einem Behälter heran und bilden dank eines Trägergerüsts eine grössere Masse. Ein Steak mit der der typischen Faserstruktur kann aber so nicht hergestellt werden. Dazu müssen die Muskelzellen in alle Richtungen ausfasern können. Und das ist genau die Stärke der schallinduzierten Gewebeorganisation.
Zukunftsvisionen fehlen Tiziano Serra nicht. In seinem Davoser Laboratorium sagt er: «Ich träume davon, die patentierten Implantate mit künstlicher Intelligenz und klassischem 3D-Druck zu kombinieren. Dazu soll jeweils das Beste dieser drei Technologien dienen.» Imitation der Natur, um das Leben zu orchestrieren.
Umfassende und weiterführende Informationen zum Thema finden sich im Beitrag 3D-Biodruck.