Bioprinting – Organe aus dem 3D Drucker?

Bioprinting – Organe aus dem 3D Drucker?

“3 Menschen sterben täglich in Deutschland, weil sie kein Spenderorgan erhalten.”

focus.de / 2018

Ausblick

In diesem Beitrag werden wir dir alles rund um das Thema Bioprinting erzählen. Wir werden dir zuerst erklären, was man überhaupt unter dem Begriff “Bioprinting” versteht und anschließend werden wir genauer auf die Geschichte des Bioprintings eingehen. Danach werden wir dir erzählen, wie Bioprinting funktioniert und welche Verfahren heute schon zum Einsatz kommen. Anschließend werden wir auf ein paar Chancen eingehen, die sich durch Bioprinting ergeben und zum Schluss werden wir dir noch ein paar spannende Aktien vorstellen, die sich bereits mit dem Bioprinting beschäftigen.

Du kannst dir diesen Artikel auch gerne anhören auf unserem Podcast-Kanal Finanzen.Parkett. Hier ist die Folge zum Thema Bioprinting:

Einleitung

Willkommen auf unserem Blog finanzenparkett.de! Heute soll es um einen möglichen spannenden Zukunftsmarkt gehen. Das Bioprinting ist ein Überbegriff für das Drucken von jeglichen Organen oder Geweben, die dann bei Mensch oder Tier zum Einsatz kommen. Im Moment sind die Menschen auf eine Organspende angewiesen, wenn sie an einem Organ erkranken oder eine Fehlfunktion vorliegt. Die Forschung beschäftigt sich schon mehrere Jahrzehnte mit der Thematik des Bioprintings. Es gibt sogar schon erste erfolgreiche Drucke von Organen. Diese können aber im Moment noch nicht eingesetzt werden, da sie entweder direkt abgestoßen werden oder manche Funktionalitäten leider noch nicht gegeben sind.

Organe sind knapp…

Abseits dieser Problematik warten jeden Tag unzählige Menschen in Deutschland, aber auch woanders auf dieser Welt, auf ein Spenderorgan. In Deutschland sind es 10.000 Menschen jährlich und in den USA sogar mehr als 113.000 Menschen im Jahre 2019, die unbedingt ein neues Organ implantiert haben müssen. Das U.S. Gesundheitsministerium ist der Auffassung, dass jeden Tag in den USA 20 Menschen ums Leben kommen, weil es keinen Organspender gibt oder das Organ dem Patienten nicht rechtzeitig zur Implantation zur Verfügung gestellt wird.

Wird daher das 3D-Bioprinting für uns Menschen immer wichtiger werden und ist es die Lösung in naher Zukunft, damit noch viel mehr Menschenleben gerettet werden können? Das klingt jetzt wahrscheinlich sehr sarkastisch, aber sollten wir uns 3D gedruckte Organe nicht auf Vorrat legen?

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Was ist Bioprinting?

Ein Bioprinter, Biodrucker, seltener aber auch organischer Drucker ist eine wirklich sehr spezielle Form eines 3D-Druckers. Solch ein Drucker bzw. 3D-Druck kann nämlich menschliches Gewebe und Zellen drucken. Dieses Verfahren wird auch Bioprinting genannt. Bioprinter nutzen die computergesteuerte Techniken des Tissue Engineering, d.h. es werden regelmäßige Strukturen aus zuvor gezüchteten einzelnen Zellen hergestellt. So sollen benötigte Gewebe, in der künstlichen Biologie – synthetische Lebensformen, in der Medizin – spezifische Organe oder in der Lebensmittelindustrie sogar künstliches Fleisch irgendwann einfach nach Bedarf gedruckt werden.

Ein 3D- Druck ermöglicht somit das Drucken in einzelnen Schichten, das lässt sich zu nutze machen, dadurch kann dann mit verschiedenen Konsistenzen und Arten von Lebensmitteln experimentiert werden. Bisher liegt jedoch die Schwierigkeit darin, die gedruckten Zellen lebensfähig zu halten.

Kurz gesagt: Durch diese spezielle Art von 3D-Drucktechnik lassen sich Zellen und Biomaterialien kombinieren und können Schicht für Schicht abgeschieden werden, um darauf biomedizinische Teile herstellen lassen zu können. Diese Biomaterialien haben ähnliche bzw. gleiche Eigenschaften wie das natürliche, menschliche Gewebe.

Geschichte des Bioprintings

1988 hat ein Doktor namens Dr. Robert den Prozess Zytoscribing vorgestellt, dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Mikropositionieren von Zellen. Dabei werde zwei- und dreidimensionale synthetische Gewebe unter Verwendung eines gemeinsamen Tintenstrahldruckers hergestellt.

2002 schuf der Professor Anthony Atala das erste Organ – eine kleine Niere mit dem 3D-Druck Verfahren.

Damit diese Technik gefördert wird und neue Innovationen entstehen können, wurde 2010 das Unternehmen Organovo gegründet.

Durch eine Zusammenarbeit mit Invetech kam dann der erste Biodrucker unter dem Namen NovoGen MMX auf den Markt. Bis heute hat sich Organovo somit als einer der führenden Anbieter in der Branche positioniert, außerdem arbeitet das Unternehmen weiter im Bereich des Knochengewebes.

Wie funktioniert Bioprinting?

Hier sieht man einen Bioprinter im Einsatz

Zum Aufbau von gewebeähnlichen Strukturen können bei dem Prozess verschiedene Bioinks (Tinten) verwendet werden, die zum Aufbau  und in der Medizin und Gewebeforschung grundlegend wichtig sind. Dabei kann man in sechs verschiedene Verfahren unterscheiden:

1. Verfahren – Inkjet Biodruck:

Hier werden FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling, zu deutsch Schmelzschichtung) so verändert und optimiert, dass es möglich ist Biomaterialien beim Drucken zu verwenden.  Extrem kleine Tropfen aus der Biotinte bzw. dem Material für den Druck werden Schichtweise in ein Hydrogel-Substrat (Ein Hydrogel ist ein Wasser enthaltendes, aber wasserunlösliches Polymer) oder auf eine Gewebekulturschale platziert. Das Verfahren kann auf zweierlei Arten angewandt werden: Piezoelektrische und thermische Methode

Wie die Vokabel “thermisch” schon vermuten lässt, werden durch ein Hitzsystem extrem kleine Luftblasen erzeugt, die mit der Zeit in sich zusammenfallen und dabei genug Druck abgeben, um kleine Bio-Tropfen von sich abzustoßen.

Bei der piezoelektrischen Methode wird für den Druckaufbau eine elektrische Ladung und polykristallines piezoelektrische Keramik in den Düsen des Bioprinters. Bei langfristiger Verwendung wird jedoch die Zellmembran kaputt gemacht.

Organovo zum Beispiel nutzt das Bioprinting Verfahren, um Teile eines geschädigten Organs zu drucken und einpflanzen zu können, was die Lebensdauer des Organs erheblich verlängern kann, so lange bis ein geeigneter Spender gefunden ist.

2. Verfahren – Extrusions-Biodruck:


Hierbei werden Biomaterialien in Form von Lösungen durch mechanischen Druck aus einer sehr kleinen Nadel „herausgespresst“. Das Gerüst für Zellen entsteht somit Schicht für Schicht.

Vorteile: gleichmäßige Zellverteilung, Verarbeitung bei Umgebungstemperatur, direkte Zellintegration

Beispiel: Bioplotter von EnvisionTec.

3. Verfahren – Biodruck mit Lasern:

Wie der Name schon sagt, kommt hier eine Laser zum Einsatz, der für die Energieaufbereitung benutzt wird, um das eingesetzte Biomaterial in eine Substanz hinterlegen zu können. Der Aufbau hat drei Bestandteile: Die Laserquelle, ein Band, welches mit Biomaterial beschichtet ist und dem Empfängersubstrat, dem Stoff, der in einer enzymatisch (biologisches Riesenmolekül) gesteuerten Reaktion umgesetzt wird.

Der Laser bestrahlt dann das Band und verdunstet bzw. evaporiert das Material, welches dann eine Aufnahmesubstanz in Form von kleinen Tröpfchen erreicht. In diesem befinden sich dann Biopolymere, die widerum Zellen aneinanderhaften lassen und dessen Wachstum unterstützen.

Vorteile: 

Alles kann ohne Kontakt und ohne Düse ablaufen, dabei zeigen die Zellen eine hohe Aktivität und können genauestens platziert werden.

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4. Verfahren – Stereolithografie:

Dieses Verfahren hat mit Abstand die höchste Genauigkeit in der Fertigungstiefe und basiert auf der Verfestigung eines Photopolymers durch die Bestrahlung mit Licht. (Polymer, das seine Eigenschaften ändert, wenn es mit Licht aus dem UV-VIS-Bereich des elektromagnetischen Spektrums bestrahlt wird). Das ist ebenfalls auf den Biodruck anwendbar, sofern lichtsensitive Hydrogele (Hydrogel ist ein Wasser enthaltendes, aber wasserunlösliches Polymer) verwendet werden. Diese Technologie ist allerdings noch nicht ausgereift und befindet sich in der Entwicklung.Der Mangel an biologisch kompatiblen und abbaubaren Materialien sind nur ein Beispiel.

5. Verfahren – Druck durch akustische Wellen


Dieses Verfahren funktioniert mit sogenannten akustischen Pinzetten, einer Mikrofluidikvorrichtung für die Beeinflussung von individuelle Zellen, sowie akustischen Wellen.
Dies ermöglicht ein Aufeinandertreffen der Wellen entlang dreier Achsen genau zu bestimmen. An diesem Treffpunkt wurde ein Knoten geformt, der die individuellen Zellen fest macht.. Die Zellen bzw. die Zellkonstruktionen werden dann zusammengetragen und bilden eine 2D bzw. 3D Struktur.

Damit können Eierstöcke hergestellt werden oder menschliche Haut die eingepflanzt werden kann.

6. SWIFT – Technik


SWIFT steht hier für (Sacrificial Writing Into Functional Tissue), dieses Verfahren ermöglicht das Bioprinting von Blutgefäßen mit lebenden Geweben. Mit anderen Worten, sie drucken Gefäßkanäle in lebende Matrizen, die aus von Stammzellen abgeleiteten Organbausteinen bestehen.

Diese Technik konzentriert sich darauf nur die Gefäße zu drucken, die notwendig sind, um ein lebendes Gewebe-Konstrukt zu unterstützen, dass große Mengen an Organbausteinen enthält, die letztendlich therapeutisch verwendet werden können, um menschliche Organe zu reparieren und durch im Labor gezüchtete Versionen mit patienteneigenen Zellen zu ersetzen.

Was ergeben sich für Chancen aus dem Bioprinting?

Im April letzten Jahres gelang es Forschern aus Tel-Aviv ein Herz mit menschlichen Zellen zu drucken. Das Herz besitzt bzw. besaß vollständig den immunologischen, zellulären und anatomischen Eigenschaften eines menschlichen Patienten. Das Herz war allerdings so groß wie das von einem Kaninchen.

(Das US-amerikanische Unternehmen BIOLIFE4D ist nach dem Durchbruch der Forscher in Tel-Aviv, das erste Unternehmen, welches es geschafft hat, auch ein miniaturisiertes menschliches Herz zu “bioprinten”.)

Diese biomedizinischen Techniken werden dazu führen, dass Medizin zukünftig personalisiert geschieht. Ärzte können ihre Behandlungen auf die Bedürfnisse einzelner Kunden anpassen.
Schwierig wird es, die Sicherheit und Wirksamkeit solcher Behandlungen zu testen. Durch die möglichen Verfahren und Techniken wissen wir nun, dass man funktionelle Organe entwickeln kann, die menschliche Organe ersetzen können, allerdings lässt sich derzeit nicht beurteilen, wie der Körper des Patienten auf das eingepflanzte Gewebe oder künstliche Organ reagiert. Hier müssen ebenfalls regulatorische und gesetzlichen Anforderungen klar im Fokus stehen, bevor es der breiteren Masse zur Verfügung gestellt wird.

Kann das Bioprinting missbraucht werden?

Das Bioprinting oder das 3D-Drucken von Organen und Gewebe kann natürlich auch missbraucht werden, daher sollten mögliche negative Folgen dieser personalisierten und maßgeschneiderten Medizin berücksichtigt werden. Vielleicht lassen sich ja daraus übermenschliche Fähigkeiten entwickeln, wie elastische Knochen oder Lungen. Somit kann man sich auch die Frage stellen, ob diese Technik soweit für die Organtransplantation ausgereift werden kann, dass das Drucken von ganzen Körperteilen möglich gemacht wird. Wie wir nach unserer Recherche wissen, ist es bereits möglich Knochen, Knorpel, Herzen und Haut herzustellen. Dies wäre auch ein interessanter Schritt für das Militär.

Grand View Research, Das Marktforschungsunternehmen teilte mit, dass es erwartet, dass der globale Markt für Bioprinting bis 2026 4,1 Milliarden US-Dollar erreichen wird, das entspricht einer Wachstumsrate von 19,5%.
Die Hauptprofiteure aus Nordamerika werden somit weiter wachsen, wobei die USA, wie sonst auch, stark an erste Stellen bleiben werden, gefolgt von Kanada. In Europa ist anscheinend England bisher am stärksten in dieser Branche vertreten, obwohl viele weitere europäische Länder ebenfalls daran forschen und entwickeln.

KI und Bioprinting

Durch die Ergänzung der KI-Technik (künstlichen Intelligenz) lassen sich mittlerweile sogar viel leichter die richtigen Kombinationen von Biomaterial für die Umwandlung von Gerüsten in Gewebe bestimmen. Einhergehend werden die angewendeten Drucker ebenfalls weiterentwickelt und optimiert, sodass sie sich auf mehr Biomaterialien fokussieren können oder mit mehr Druckköpfen, die die Verwendung von noch mehr Bioinks auf demselben Druck unterstützen. Parallel dazu kann auch die Software, die für das Bioprinting benötigt wird ebenfalls geupdatet werden, dadurch ergeben sich dann wiederum mehr Optionen für den Anwender. Auch kann erwartet werden, dass weitere Unternehmensbereiche die Nutzung von Funktionen des Biodrucks in ihrem Markt beginnen werden.

Wir sind der Meinung, dass man in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten noch viel mehr über 3D-gedruckte Organe und Transplantate sprechen wird. Sicher ist, dass das 3D- Bioprinting mit eine der größten und profitabelsten medizinischen Entwicklungen sein könnte.

Spannende Aktien im Bereich Bioprinting

Wir haben dir nun viel über das Bioprinting erzählt. Du fragst dich nun sicher, ob es auch Unternehmen an der Börse in diesem Bereich gibt. Wir können diese Frage mit einem klaren Ja beantworten. An der Börse gibt es folgende Unternehmen in dem Bereich Genprinting:

  • Cellink
  • Organovo
  • Modern Meadow (leider nicht an der Börse)
  • United Theapeutics
  • Allevia (leider nicht an der Börse)

Selbstverständlich werden wir die genannten Unternehmen kurz vorstellen. Wir begrenzen uns hier aber auf die Bioprinting Unternehmen, die auch an der Börse sind. Vorweg können wir schonmal sagen, dass wir in keiner dieser Unternehmen investiert sind. Außerdem wollen wir hier auch keine Anlageberatung betreiben, sondern lediglich unsere eigene Meinung äußern.

Cellink:

WKN: A2PX00

ISIN: SE0013647385

Es handelt sich um das Biotech-Unternehmen Cellink, das 2016 in Schweden gegründet wurde und seinen Sitz in Boston, USA. Das Unternehmen beschäftigt in 55 Ländern mehr als 200 Mitarbeiter.

Das Unternehmen ist laut eigenen Angaben weltweit führend im Bereich Bioprinting, und kann prominente Kunden wie führende Universitäten (Harvard, Stanford, MIT), große Pharmakonzerne (Roche, Johnson&Johnson, Novo Nordisk uvm) und auch Institutionen wie die FDA oder die US Army vorweisen. Das Unternehme vertreibt 3D-Bioprinter vor allem an Universitäten und Hochschulen inklusive der Tinte (Die Tinte besteht hier aus vorher gezüchteten Zellen oder ganzen Gewebestücken). Einen solchen Drucker bekommt man bei Cellink bereits ab 15.000 Dollar. Der Bioprinter könnte dann folgendermaßen aussehen:

3D Bioprinter Bio X von Cellink / Bioprinting
Ein Bioprinter (Bio X) von Cellink

Laut Cellink eignen sich diese Bioprinter für die folgenden Anwendungsfälle:

  • Fleischproduktion
  • Organe jeglicher Art
  • Gewebestrukturen jeglicher Art
  • und vieles mehr

Organovo:

WKN: A2QA6Q

ISIN: US68620A2033

Organovo ist ein US-amerikanisches medizinisches Labor- und Forschungsunternehmen, das 2007 gegründet wurde, seit 2012 an der amerikanischen Technologiebörse Nasdaq. Das Unternehmen hat seine Hauptsitz in San Diego, Kalifornien. Organovo hat momentan einen 3D Bioprinter im Vertrieb und schreibt noch Verluste. 

Organovo entwickelt funktionales, dreidimensionales menschliches Gewebe (3D Bioprinting) für die Forschung und verschiedene therapeutische Anwendungen. Organovo verfolgt hier das Ziel komplette Organe für die Transplantation zu reproduzieren.

United Therapeutics:

WKN: 923818

ISIN: US91307C1027

United Therapeutics ist eine US-amerikanische Biotechnologie-Firma, das im Jahr 1996 von Martine Rothblatt einer Anwältin und einer Autorin. Das Unternehme ist neben dem Bioprinting auch im Pharmabereich tätig. Im Bereich des Bioprintings forscht United Thearpeutics laut neuesten Informationen vor allem im Bereich der Lungen-Reproduktion.

Vielen Dank, für ein Interesse an unserem Blog Beitrag 🙂 Außerdem findest du auf unserem Blog noch viele weitere spannende Themen rund um das Thema Finanzen und Wirtschaft:

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