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Seit vielen Jahren wird an der Herstellung von Ohren im Labor geforscht. Einem Team der ETH-Zürich ist nun ein Durchbruch gelungen.
Menschliche Ohrknorpelzellen aus dem Labor, deren Eigenschaften nahe an das menschliche Gewebe herankommen – diesen Meilenstein konnte nun ein Team der ETH Zürich, des Friedrich Miescher Instituts in Basel sowie des Luzerner Kantonsspitals vermelden. Der künstliche Knorpel sei ähnlich stabil wie ein echtes Ohr und behalte im Tiermodell auch nach sechs Wochen Form und Elastizität, freuen sich die Wissenschaftler. Was sie sich von ihrer Arbeit versprechen: Vor allem Kindern mit Fehlbildung des äußeren Ohrs, der sogenannten Mikrotie, zu helfen. Denn bis heute gilt die Rekonstruktion mit körpereigenem Rippenknorpel als Standard – ein schmerzhafter Prozess, der Narben oder Verformungen im Brustbereich verursacht.
Für ihre jetzt in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie hat das Team als Ausgangsmaterial kleine Knorpelreste genutzt, die bei Operationen zur Korrektur der Ohrform anfallen. Daraus wurden dann zunächst einhunderttausend Zellen isolieren. Die wurden dann in einer speziellen Nährlösung zum Wachsen animiert, da für ein gedrucktes Ohr mehrere hundert Millionen Zellen nötig sind. Damit das Gewebe gleichmäßig reift, entwickelten die Forschenden zusätzlich eine spezielle Kulturumgebung, sodass auch das Innere des gedruckten Ohrs ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt wird.
Herausforderung Elastin
Eine zentrale Herausforderung bleibt jedoch das Elastin. Dieses Protein verleiht dem Ohr seine Biegsamkeit. Die Forschenden müssen es nicht nur produzieren, sondern korrekt vernetzen und langfristig stabilisieren. Ein genauer biologischer Bauplan dafür fehlt bislang. Deshalb testete das Team 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.
„Wir implantieren kein weiches Gewebe in der Hoffnung, dass es im Körper stabil wird. Wir wollen die Stabilität bereits im Labor erreichen“, erklärt Philipp Fisch, Erstautor Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Gewebetechnologie und Biofabrikation von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong.
Dafür betteten die Forschenden die vermehrten Zellen in eine sogenannte Bio-Tinte, ein gelartiges Material, das als Träger 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“, erklärt Fisch. Die gedruckten Ohren reiften deshalb mehrere Wochen in einem Inkubator und wurden kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt.
Formstabil im Tiermodell
Entscheidend für ihren Erfolg sei eine Kombination von vier Faktoren gewesen, führt Fisch weiter aus: „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. „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, damit die Ohrform langfristig erhalten bleibt.
Geduld gefragt
„In unserer Gruppe arbeiten wir seit über zehn Jahren an diesem Problem“, erklärt Fisch. Für Außenstehende mag das nach einer langen Zeit klingen. Doch in der Biofabrikation von Gewebe, dem sogenannten Tissue Engineering, seien Fortschritte selten schnell sichtbar. Auch deshalb sei das Interesse an künstlichem Ohrknorpel groß und das Team habe bereits Nachfragen von Eltern erhalten. Denoch bleibt Fisch vorsichtig: „Wenn alles gut läuft, finden wir innerhalb der nächsten fünf Jahre hoffentlich den Bauplan für das Elastin-Netzwerk.“ Danach müssen allerdings noch klinische Studien, strukturierte Prüfverfahren und formale Zulassungsprozesse folgen. 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.“
