Einsatz von medizinischem 3D-Druck für künftige Astronauten

Die Astronauten von Apollo nahmen während ihrer Kurzreise zum Mond eine kleine medizinische Tasche mit, die Verbände, Antibiotika und Aspirin enthielt. Raumfahrer, die sich monate- oder jahrelang von der Erde entfernt befinden, benötigen allerdings eine viel größere und flexiblere medizinische Unterstützung, die ihnen unverzüglich zur Verfügung stehen muss.

Aus diesem Grund wird in einem von der ESA geleiteten Projekt der Einsatz von 3D-Biodrucken für die medizinische Behandlung von Langzeit-Raumexpeditionen und Siedlungen auf anderen Planeten untersucht. Experten einschlägiger Universitäten, Unternehmen und Forschungseinrichtungen trafen sich dazu im September im ESA-Zentrum ESTEC im niederländischen Noordwijk.

So wie herkömmliche 3D-Drucker Kunststoffe oder Metalle verwenden, um dreidimensionale Objekte zu konstruieren, verwenden 3D-Biodrucker „Bio-Tinten", die auf menschlichen Zellen basieren, und enthalten Nährstoffe und Materialien, die zum Nachwachsen von Körpergewebe wie Haut, Knochen und Knorpel benötigt werden. Temporäre "Gerüste" können gleichzeitig bedruckt werden, um Stabilität und optimale physikalische Bedingungen für die Wiederherstellung zu schaffen.

Das Drucken ganzer Organe ist ein Ziel der nächsten Jahrzehnte, beinhaltet aber die präzise Kombination mehrerer Zell- und Gewebetypen, um als Einheit zusammenzuarbeiten.

Die Workshop-Teilnehmer diskutierten den aktuellen Stand des 3D-Biodrucks und die noch zu leistende Arbeit, um die Praxis von der Laborforschung bis zu dem Punkt voranzubringen, an dem sie sowohl terrestrischen als auch Astronautenpatienten helfen kann. Dazu gehören sowohl regulatorische als auch medizinische und technologische Herausforderungen.

"Zum ersten Mal in Europa kamen alle wichtigen Experten zusammen, um über die Anwendung von 3D-Biodruck und regenerativer Medizin im Weltraum zu diskutieren", sagte Projektverantwortlicher Tommaso Ghidini, Leiter der Abteilung für Strukturen, Mechanismen und Materialien bei der ESA.

"Wir fragen uns, welche Bedürfnisse Astronauten kurz-, mittel- und langfristig haben könnten und welche Schritte notwendig sind, um das 3D-Biodrucken auf ein Niveau zu bringen, auf dem es im Weltraum nützlich werden könnte. Wir erarbeiten eine Entwicklungs-Roadmap und einen Zeitplan mit dem Ziel, dass diese Gruppe in Zukunft zu einer wissenschaftlichen Arbeitsgruppe wird, die den Prozess vorantreibt."

Erhöhtes Risiko für Astronauten auf einer Langzeitmission

"Die Herausforderungen für die Crew von Langstreckenmissionen zu weiteren Zielen sind im Vergleich zur heutigen erdnahen Crew ganz anders, kommentierte Sandra Podhajsky von der Life Sciences Group von OHB System, die dieses Projekt leitet.

"Im Falle eines medizinischen Notfalls ist eine schnelle Rückkehr nach Hause nicht möglich. Stattdessen müssen sie vor Ort behandelt werden. Daher prüfen wir die Machbarkeit und den Mehrwert der Implementierung verschiedener 3D-Drucktechnologien und Bioprintgewebe für künftige Explorationsmissionen." 

Darüber hinaus muss ein breites Spektrum an medizinischen Fragen geklärt werden. Die Experten für 3D-Biodruck orientieren sich hierfür an der früheren ESA-Studie "HUMEX".  

Die anhaltende Schwerelosigkeit kann den Knochen- und Muskelabbau von Astronauten begünstigen, die allerdings teilweise durch körperliche Übungen und medizinische Maßnahmen eingedämmt werden. Die Gefahr für solche Verletzungen steigt aber, wenn die Astronauten nicht bloß Monate, sondern Jahre im Orbit verbringen. Die Lebensumstände in der Partialgravitation anderer Planeten sind möglicherweise etwas besser, allerdings steigt hier das Risiko von Knochen- und Gelenkschäden sowie Hautverletzungen durch Rutschen und Unfälle. Wer sich über den magnetischen Schutzschild der Erde hinaus wagt, ist mit einer höheren Strahlenbelastung und einem daraus resultierenden Krebsrisiko konfrontiert. 

An Bord eines beengten Raumschiffs ist es schlichtweg nicht möglich, alle Eventualitäten zu berücksichtigen. Ein 3D-Biodrucker würde eine flexiblere und vielseitigere Reaktion auf Notfälle ermöglichen.

Die Behandlung schwerer Verbrennungen erfolgt heute beispielsweise in der Regel mit Hauttransplantationen aus anderen Teilen des Körpers eines Patienten. Es handelt sich dabei um eine sekundäre Verletzung des Transplantationsbereichs, die bei weitem nicht ideal ist, zumal die Forschungsergebnisse zeigen, dass die orbitale Umgebung die Heilung von Wunden erschwert. Stattdessen könnte neue Haut gezüchtet und aus den eigenen Zellen des Patienten gedruckt und anschließend transplantiert werden.

Im Falle von Krebs ist durch den 3D-Drucker möglich, das Ersatzgewebe maßgeschneidert an die erkrankte Körperstelle anzupassen, sowohl für Haut, Knochen oder einem inneren Organ. Damit werden neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnet, die nicht nur für die Weltraumforschung interessant sind, sondern auch auf der Erde.   

Wir machen es möglich

"Unbekannt ist weiterhin, wie biogedruckte Gebilde nach dem Druck reifen und wie ihre Implementierung im menschlichen Körper von den veränderten Raumbedingungen beeinflusst wird", sagt Prof. Michael Gelinsky, Leiter des Zentrums für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung am Universitätsklinikum der Technischen Universität Dresden.

"Der chirurgische Eingriff für die Transplantation des gedruckten Gewebes erfordert ebenfalls ein Umdenken. Möglicherweise sind die sterile Umgebung, die Ausrüstung und das geschulte Personal eines medizinischen Operationssaals nicht verfügbar, ebenso wenig wie die Einwegartikel, die am Boden verwendet werden."

Jede Kommunikationsverzögerung hätte zur Folge, dass die direkte Telemedizin unmöglich wird. Stattdessen sollten autonome Roboterchirurgen, die von künstlicher Intelligenz geleitet werden, die Lücke schließen.

Neben den technologischen Hürden wiesen die Teilnehmer auch auf die damit verbundenen rechtlichen und regulatorischen Aspekte hin. Die Transplantation von biogedrucktem Gewebe oder Organen bei menschlichen Patienten müsste im Voraus nicht nur von Weltraum-Regulierungsbehörden, sondern zuerst von den Gesundheits-Regulierungsbehörden geklärt werden.

Das Projekt 3D Printing of Living Tissue for Space Exploration wird durch das ESA-Programm Discovery and Preparation unterstützt und von OHB System in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden geleitet.