Haut aus dem 3-D-Drucker: Neue Modelle könnten Tierversuche bei Hautkrankheiten ersetzen

3-D-gedrucktes, lebendes Hautgewebe könnte künftig eine zentrale Rolle in der Erforschung chronisch entzündlicher Hautkrankheiten spielen – und Tierversuche weitgehend überflüssig machen. Wiener Forschende zeigen in einem aktuellen Übersichtsartikel, wie moderne Bioprinting-Technologien genutzt werden können, um realistische Hautmodelle für Krankheiten wie Psoriasis, Neurodermitis oder Akne herzustellen.

Der Bedarf an besseren Forschungsmodellen ist groß: Rund ein Viertel der europäischen Bevölkerung leidet an chronisch entzündlichen Hauterkrankungen. Trotz dieser hohen Betroffenenzahl sind die therapeutischen Möglichkeiten bislang begrenzt. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in den Schwierigkeiten der Forschung. Tierversuche liefern häufig nur eingeschränkt verwertbare Ergebnisse, da sich tierische Haut in Aufbau, Funktion und Immunreaktionen deutlich von menschlicher Haut unterscheidet. Zudem stehen sie zunehmend in der ethischen Kritik.

Grenzen bisheriger Hautmodelle

Zwar existieren bereits verschiedene Methoden, um menschlicher Haut ähnliche Gewebeproben herzustellen, doch diese sind mit erheblichen Nachteilen verbunden. Georg Stary von der Universitätsklinik für Dermatologie der Medizinischen Universität Wien, Koautor der Studie, verweist auf Probleme wie mangelnde Kontrolle über die räumliche Struktur des Gewebes, kurze Lebensdauer der Modelle, hohen manuellen Aufwand sowie eingeschränkte Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

Diese Schwächen könnten nach Ansicht der Forschenden durch moderne 3-D-Druck-Technologien überwunden werden. An der Technischen Universität Wien wurde dafür ein Bioprinting-Verfahren weiterentwickelt, das den gezielten Aufbau komplexer Hautstrukturen erlaubt.

Lebende Haut Schicht für Schicht

„Wir bauen aus lebenden Zellen, Biopolymeren und sorgfältig ausgewählten Materialien Schicht für Schicht ein dreidimensionales Gewebe auf“, erklärte Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe „3-D-Printing and Biofabrication“ an der TU Wien und Mitautor der Studie. Der entscheidende Unterschied zu bisherigen Methoden liege in der präzisen Kontrolle über den Aufbau des Gewebes.

Grundlage des Verfahrens ist eine sogenannte Biotinte. Diese besteht aus lebenden Zellen und einem Hydrogel und weist eine dickflüssige Konsistenz auf. Die Biotinte wird in winzigen Tropfen aufgetragen – vergleichbar mit der Funktionsweise eines Tintenstrahldruckers. Dadurch lassen sich Zelltypen, Schichtdicken und räumliche Anordnung exakt steuern.

Das verwendete Hydrogel basiert auf Gelatine, einem aus Kollagen gewonnenen Material. Dieses wird chemisch modifiziert, um stabil zu sein und den Anforderungen des Bioprintings zu entsprechen, erläuterte Erstautorin Andrea Ulloa-Fernández von der TU Wien. Das Material bietet den Zellen eine geeignete Umgebung, in der sie wachsen, sich organisieren und funktionelles Gewebe bilden können.

Krankheitsmodelle nach Maß

Ein besonderer Vorteil der Methode ist ihre Anpassungsfähigkeit. Je nachdem, welche Hauterkrankung erforscht werden soll, kommen unterschiedlich zusammengesetzte Biotinten zum Einsatz. Für ein Psoriasis-Modell nutzten die Forschenden beispielsweise dermale Fibroblasten und epidermale Keratinozyten, um gesunde Haut zu simulieren. Die krankhaften Veränderungen wurden anschließend gezielt durch proinflammatorische Interleukine oder Immunzellen ausgelöst.

Darüber hinaus lassen sich sogar komplexere Strukturen wie Blutgefäße in das 3-D-gedruckte Gewebe integrieren. Auf diese Weise könnten künftig auch Gefäßveränderungen untersucht werden, etwa bei diabetesbedingten Hautschäden.

Realistische Bedingungen für die Forschung

Damit die Hautmodelle möglichst realitätsnah funktionieren, benötigen sie eine spezielle Kultivierungsumgebung. Die Forschenden setzen dabei auf eine sogenannte Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche. Das Gewebe wird von unten mit Nährstoffen aus einem Zellkulturmedium versorgt, während die Oberseite der Luft ausgesetzt bleibt. Diese Bedingungen ermöglichen eine Reifung der Epidermis, die der menschlichen Haut sehr nahekommt.

Noch werden die 3-D-gedruckten Hautmodelle nicht in präklinischen Studien eingesetzt. Das Interesse aus der Industrie sei jedoch bereits groß, betonen die Forschenden. Langfristig könnten solche Modelle nicht nur Tierversuche ersetzen, sondern auch die Entwicklung neuer Therapien beschleunigen und präziser machen.

Der Einsatz von Bioprinting in der Dermatologie könnte damit einen wichtigen Schritt hin zu ethisch vertretbarer, effizienterer und patientennäherer Forschung darstellen.