3D‑gedruckte Gerüste zur Reparatur des Rückenmarks

Mehr als 15 Millionen Menschen weltweit leben mit einer Rückenmarksverletzung (SCI). Allein in den USA leiden über 300.000 Menschen an SCI, laut dem National Spinal Cord Injury Statistical Center.

Trotz dieser Zahlen gibt es wirklich keinen Weg, den Schaden der Verletzung rückgängig zu machen. Angesichts der verheerenden Auswirkungen von SCI auf Patienten und Gesellschaft suchen Forscher und Unternehmen gleichermaßen aktiv nach wirksamen Behandlungen.

Die weltweite Belastung durch Rückenmarksverletzungen (SCI)

Eine Rückenmarksverletzung (SCI) ist ein stark entkräftender Zustand, der die Fähigkeit einer Person, tägliche Aktivitäten auszuführen, erheblich einschränkt. 

Sie beinhaltet eine Schädigung des Rückenmarks, einer zentralen Nervenstruktur, die vom Gehirn bis zum unteren Rücken verläuft. Als ein Schlüsselteil des zentralen Nervensystems leitet das Rückenmark Nervensignale zwischen Gehirn und Körper.

Dieses lange, zylindrische Rohr aus Gewebe verläuft in der Mitte unserer Wirbelsäule und wird von den Wirbeln und drei Membranschichten geschützt. Aber Aktivitäten wie Stürze, Verkehrsunfälle sowie Motorrad- und Autounfälle können das Rückenmark beschädigen. 

Männer sind häufiger von einer Rückenmarksverletzung betroffen als Frauen.

Je nach Art der Verletzung und deren Lage wird sie in den zervikalen Bereich (Hals), den thorakalen Bereich (oberer Rücken bis unterhalb des Bauchnabels), den lumbalen Bereich (unterer Rücken) und den sakralen Bereich (Gesäß bis Steißbein) eingeteilt.

Der menschliche Rückenmark besteht aus insgesamt 31 Segmenten: 8 zervikale, 12 thorakale, fünf lumbale, fünf sakrale und ein kokzygeales Segment. 

In Bezug auf die Schwere kann die Rückenmarksverletzung vollständig sein, ohne motorische oder sensorische Funktion unterhalb der Verletzungsstelle, oder unvollständig, wobei einige Funktionen erhalten bleiben.

Jede Schädigung des Rückenmarks kann unsere Bewegung, Funktion und Empfindung beeinträchtigen. Neben körperlichen Einschränkungen können Menschen mit SCI auch mentale, emotionale und soziale Nebenwirkungen erfahren.

Ein schwerer Fall von SCI kann Lähmung verursachen, aber auch zum Tod führen. Menschen mit dieser Erkrankung sterben häufig früher aufgrund unzureichenden Zugangs zu oder schlechter Qualität von Gesundheitsdiensten, sodass ihre Krankenhaussterblichkeitsrate in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen fast dreimal höher ist als in Ländern mit hohem Einkommen.

Menschen mit Rückenmarksverletzung sind zudem gefährdet, schwerwiegende und sogar lebensbedrohliche Sekundärerkrankungen zu entwickeln.

Während Kinder mit dieser Erkrankung seltener die Schule beginnen und, wenn sie eingeschrieben sind, seltener vorankommen, haben Erwachsene mit SCI Arbeitslosenquoten von über 60 %. Die geringeren Schul- und Wirtschaftsteilnahmeraten verursachen erhebliche individuelle sowie gesellschaftliche Kosten. 

Wirksame Behandlungen sind entscheidend, um die globale Belastung durch SCI zu verringern.

Durchbruchbehandlungen für Rückenmarksverletzungen in Entwicklung

Wissenschaftler weltweit arbeiten daran, Wege zur Reparatur von Rückenmarksverletzungen zu finden. Studien, die nach neuen Behandlungen suchen, laufen weltweit und öffnen Türen zu verbesserten Ergebnissen nach diesen Verletzungen.

Vor nur wenigen Monaten entwickelten Forscher in einer bahnbrechenden Studie ein ultradünnes Implantat, das direkt auf dem Rückenmark sitzt und elektrische Ströme an den verletzten Teil liefert, um natürliche Signale zu imitieren und die Nervenheilung zu stimulieren.¹

Als es an Ratten getestet wurde, stellte das Gerät Bewegung und Tastempfindung wieder her, ohne Entzündungen oder andere Schäden zu verursachen.

“Im Gegensatz zu einer Hautschnitte, die normalerweise von selbst heilt, regeneriert das Rückenmark nicht effektiv, wodurch diese Verletzungen verheerend und derzeit unheilbar sind.”

– Leitender Forscher Dr. Bruce Harland, Senior Research Fellow an der School of Pharmacy der Waipapa Taumata Rau, Universität Auckland

Mit ihrem Implantat will das Team das ändern. Langfristig soll es zu einem medizinischen Gerät werden, das Menschen mit diesen lebensverändernden Rückenmarksverletzungen zugutekommen könnte.

In einer weiteren Studie in diesem Jahr zeigten Forscher beeindruckende Erholungsraten bei SCI, indem sie die geschlossene Schleifen-Stimulation des Vagusnervs (CLV) mit individualisierter Rehabilitation kombinierten.

Die elektrischen Impulse werden über ein winziges Gerät, das im Nacken implantiert ist, zum Gehirn gesendet. Sie werden zeitlich so abgestimmt, dass sie während der rehabilitativen Übungen gesendet werden. Die Stimulation des Vagusnervs während der Physiotherapie hat gezeigt, dass sie beschädigte Hirnareale nach einem Schlaganfall umverdrahten und die Erholung verbessern.

Die Studie diente tatsächlich als klinische Prüfung, wobei das Implantat den Teilnehmern mit chronischer, unvollständiger zervikaler SCI zu einer bedeutenden Verbesserung der Arm- und Handkraft verhalf.

Basierend auf über einem Jahrzehnt Bioengineering- und Neurowissenschaftsarbeit an der UT Dallas wird der neueste Ansatz nun die letzte Hürde zur potenziellen FDA-Zulassung für die Behandlung von Oberarmbeeinträchtigungen durch SCI überwinden.

Im vergangenen Jahr entwickelte ein Team aus Chirurgen, Neurowissenschaftlern und Ingenieuren der Universität Cambridge ebenfalls ‘Wraparound’-Implantate zur Behandlung von SCI.³

Wie der Name schon sagt, umschließt das dünne, winzige, hochauflösende elektronische Gerät das Rückenmark und ermöglicht eine 360-Grad-Aufzeichnung und -Stimulation des Rückenmarks. Es könnte auch eine komplette SCI umgehen, bei der die Kommunikation unterbrochen war.

Obwohl eine Behandlung für Rückenmarksverletzungen noch weit entfernt ist, kann das Gerät uns helfen, diesen wenig untersuchten Teil der menschlichen Anatomie auf nicht-invasive Weise besser zu verstehen und damit die Entwicklung besserer Therapien zu unterstützen.

Eine weitere Studie, die elektrische Stimulation zur Behandlung von SCI einsetzt, stammt vom Royal College of Surgeons in Irland (RCSI).

Diese Studie beschrieb ein 3D-gedrucktes Implantat, das die Struktur des Rückenmarks mit einem ultradünnen, elektrisch leitfähigen Netz nachahmt, das gezielte Stimulation in beschädigte Bereiche liefert und das Wachstum von Neuronen und Stammzellen fördert.⁴

Das Team konnte die Wirksamkeit ihres Geräts durch Anpassung der Faseranordnung verbessern und eröffnete Möglichkeiten für Anwendungen in orthopädischer, kardialer und neurologischer Heilung.

Unterdessen haben Forscher der Rutgers University KI und Robotik eingesetzt, um SCI zu behandeln. Sie nutzten die Technologie, um hochsensible therapeutische Proteine zu formulieren, wodurch das Team das Enzym Chondroitinase ABC (ChABC) erfolgreich stabilisieren konnte, das dafür bekannt ist, Narbengewebe nach SCI zu reduzieren und die Geweberegeneration zu fördern.

Das Enzym ChABC ist bei normaler menschlicher Körpertemperatur (98,6 °F) extrem instabil und verliert seine Aktivität bereits nach wenigen Stunden. Daher sind häufig wiederholte Hochdosisinfusionen nötig, um den therapeutischen Nutzen aufrechtzuerhalten. Synthetische Copolymere können jedoch Enzyme umhüllen und sie in ansonsten feindlichen Umgebungen stabilisieren.

Die Forscher nutzten Flüssigkeitshandhabungsrobotik, um verschiedene Copolymere zu synthetisieren und deren Fähigkeit zu testen, ChABC bei 98,6 °F zu stabilisieren und aktiv zu halten. Sie fanden mehrere Copolymere, die dies ermöglichen, wobei eine Kombination 30 % des Enzyms bis zu einer Woche erhalten konnte – ein vielversprechendes Ergebnis für SCI‑Patienten.

Jetzt haben Forscher der University of Minnesota Twin Cities ein 3D‑gedrucktes Gerüst mit mikroskopischen Kanälen gebaut, das das Wachstum von Stammzellen zu funktionierenden Nervenzellen leitet. Es fördert das axonale Wachstum, die Zellreifung und die Bildung neuronaler Netzwerke.

Die Technik hat erfolgreich die Bewegung bei Ratten mit durchtrennten Rückenmarken wiederhergestellt und verspricht, zukünftige Behandlungen für Menschen mit Rückenmarksverletzungen zu revolutionieren.

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3D‑gedruckte Gerüste zur Reparatur des Rückenmarks

Obwohl bedeutende Fortschritte im klinischen Management zur Verbesserung der Lebensqualität von Patienten erzielt wurden, treten weiterhin Rückenmarksverletzungen auf. Außerdem gibt es derzeit keine verfügbaren Behandlungen dafür.

Angesichts der Komplexität von Rückenmarksverletzungen wären neue Behandlungsoptionen sehr willkommen und für Patienten mit SCI von großem Nutzen.

Die neue Studie berichtet, dass die Transplantation regionalspezifischer neuronaler Vorläuferzellen (sNPCs) ein entscheidender Ansatz für die funktionelle Wiederherstellung ist. Es wurde gezeigt, dass diese Zellen funktionierende Verbindungen zu neuronalen Schaltkreisen über das beschädigte Gebiet hinweg herstellen.

Um jedoch die Regenerationskapazität zu maximieren, ist es nicht nur notwendig, die Populationen transplantierter Zellen zu definieren und regionalspezifische Zellen im beschädigten Gebiet zu verabreichen, sondern auch der Wirkmechanismus dieser Zellen ist herausfordernd zu bestimmen.

Obwohl Studien funktionelle Vorteile verschiedener Therapien gezeigt haben, lassen sie sich nicht auf chronische SCI übertragen, da sie hauptsächlich neuroprotektive Mechanismen bei akuten und subakuten Verletzungen darstellen. Es besteht schlichtweg ein Bedarf, neue Strategien zu verfolgen, etwa einen Relaismechanismus zu etablieren, indem transplantierte Zellen in die neuronale Schaltkreise integriert werden.

Spinal‑Mark‑Organoide eignen sich ideal als Substrat für dieses Vorhaben. Sie sind schließlich strukturell dem Rückenmark am ähnlichsten. Hier hat der Einsatz von 3D‑Technologie für die Transplantation neuronaler Stammzellen vielversprechende Ergebnisse gezeigt.

Man kann die Zellen nicht einfach direkt in den Raum des Rückenmarks injizieren, da dies nicht genügend strukturelle Unterstützung bietet. Dieses Problem kann durch 3D‑gedruckte Gerüste gelöst werden, die nicht nur strukturelle Unterstützung bieten, sondern auch biologische und mechanische Führung für die Zellen bereitstellen.

3D‑Drucktechnologien haben ebenfalls gezeigt, dass sie zellbeladene Gerüste herstellen können, die die Form des Läsionsgebiets exakt nachbilden und damit die Wechselwirkungen zwischen Transplantat und Wirtsgewebe nach der Transplantation verbessern könnten.

Die Anwendung von 3D‑gedruckten Gerüsten auf Organoiden ist jedoch noch in den Anfängen.

Daher haben die Forscher der University of Minnesota 3D‑gedruckte Rückenmarks‑Organoid‑Gerüste erstellt, indem sie aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) abgeleitete sNPCs nutzten, die eine geringe Immunabwehr auslösen.

Studien haben gezeigt, dass aus PSC‑abgeleiteten regionalspezifischen sNPCs nach der Transplantation ihre regionale Spezifität beibehalten können. Die Mehrheit dieser Zellen differenziert sich zu Neuronen, um verlorene oder beschädigte Zellen zu ersetzen und damit das Rückenmarkgewebe zu replizieren.

Für das Material der Gerüste wandte sich das Team Silikon zu, das in medizinischen Anwendungen weit verbreitet ist.

Silikon, aus natürlichen Elementen gewonnen, ist ein synthetisches Polymer, das für seine hohe Biokompatibilität und ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit bekannt ist. Seine hohe Gasdurchlässigkeit unterstützt gleichzeitig das Überleben von sauerstoffbedürftigen Zellen.

Außerdem ist es nicht abbaubar, was Silikon zu einem geeigneten Gerüstmaterial macht, um gedruckte Zellen zu Organoiden zu kultivieren, da es nicht zerfällt. Das Forschungsteam hat Silikon‑Gerüste bereits in einer kontrollierten Laborumgebung analysiert.

Damit baute das Team 3D‑biogedruckte Silikon‑Gerüste für Rückenmarks‑Organoide, um die funktionelle Erholung bei einer Ratte mit durchtrenntem Rückenmark zu fördern.

Die Lücke zwischen Hoffnung und Heilung mit einem funktionalen Rahmen schließen

In diesem neuartigen Ansatz haben Forscher der University of Minnesota Stammzellbiologie, im Labor gezüchtete Gewebe und 3D‑Druck kombiniert, um Rückenmarksverletzungen zu heilen.

Der innovative Prozess wurde in der Studie mit dem Titel 3D-Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury beschrieben, die kürzlich im peer‑reviewten Fachjournal Advanced Healthcare Materials veröffentlicht wurde.

Mit der neuen Forschung gehen die Wissenschaftler die Hauptproblematik der Verletzung an, nämlich den Zelltod von Nervenzellen und die Unfähigkeit von Nervenfasern, über die Verletzungsstelle hinweg nachzuwachsen.

Das einzigartige 3D‑Druck‑Framework, das sie für im Labor gezüchtete Organe geschaffen haben, wird als Organoid‑Gerüst bezeichnet. Das 3D‑Gerüst mit mikroskopischen Kanälen wurde schichtweise gedruckt, während sNPCs mittels eines extrusionsbasierten Mehrmaterial‑Drucksystems in die Mikrokanäle eingebracht wurden.

sNPCs sind eine Art menschlicher Stammzellen, die so programmiert sind, dass sie spezifisch für das menschliche Rückenmark sind, mit dem Ziel, künftig für Zellersatztherapien nach einer Rückenmarksverletzung eingesetzt zu werden. Diese Zellen teilen sich und differenzieren sich in spezifische Typen reifer Zellen.

Im Gegensatz zu aus dem Gehirn stammenden neuralen Stammzellen integrieren sich sNPCs in das Wirts‑Rückenmark und differenzieren zu Neuronen, wobei sie neuronale Netzwerke bilden, die für die funktionelle Erholung und die Wiederherstellung von Verbindungen innerhalb bestehender neuronaler Schaltkreise essentiell sind.

“Wir nutzen die 3D‑gedruckten Kanäle des Gerüsts, um das Wachstum der Stammzellen zu lenken, wodurch sichergestellt wird, dass die neuen Nervenfasern in gewünschter Weise wachsen”, sagte der Erstautor der Studie, Guebum Han, ein ehemaliger Postdoktorand im Fachbereich Maschinenbau der University of Minnesota, der derzeit bei Intel (INTC ) Corporation arbeitet. “Diese Methode schafft ein Relais‑System, das, wenn es im Rückenmark platziert wird, den beschädigten Bereich umgeht.”

Die Forscher testeten ihr Framework an Ratten, um dessen Lebensfähigkeit zu prüfen. Die Gerüste wurden in Ratten transplantiert, deren Rückenmark vollständig durchtrennt war, und die Zellen differenzierten sich erfolgreich zu Neuronen.

Zwölf Wochen nach der Transplantation differenzierten sich zwar die meisten Zellen im Gerüst zu Neuronen, jedoch wuchsen viele in das Wirts‑Rückenmark hinein. Die Nervenfasern erstreckten sich sowohl rostral (in Richtung Kopf) als auch kaudal (in Richtung Schwanz) und bildeten neue Verbindungen zu den bestehenden Nerven­kreisen des Wirts.

Die neuen Nervenzellen integrierten sich im Laufe der Zeit nahtlos in das Rückenmarkgewebe der Ratte, was zu einer erheblichen funktionellen Erholung führte. Laut Ann Parr, Professorin für Neurochirurgie an der University of Minnesota:

“Regenerative Medizin hat eine neue Ära in der Forschung zu Rückenmarksverletzungen eingeleitet. Unser Labor ist begeistert, das zukünftige Potenzial unserer ‚Mini‑Rückenmarks‘ für die klinische Translation zu erforschen.”

Die Forschung befindet sich jedoch noch in der frühen Phase. Obwohl sie noch am Anfang steht, bietet sie ein potenziell neues und transformatives Behandlungskonzept für Menschen mit Rückenmarksverletzungen.

Finanziert von der Spinal Cord Society, den National Institutes of Health und dem State of Minnesota Spinal Cord Injury and Traumatic Brain Injury Research Grant Program, zielt das Forschungsteam nun darauf ab, die Produktion ihrer Technologie zu skalieren.

Zudem wird das Team seine Kombination aus Technologien weiterentwickeln: sNPCs, Organoid‑Assemblierung und 3D‑Druck‑Strategien für zukünftige klinische Anwendungen.

Investitionen in die nächste Generation der Rückenmarksreparatur

Eines der weltweit größten Medizintechnikunternehmen, Medtronic plc (MDT ), verfügt über umfangreiche Expertise in Implantaten, neuronalen Schnittstellen und von der FDA zugelassenen Geräten.

Es hat zudem Rückenmarkstimulatoren und Neuromodulationsgeräte für Schmerzen und Bewegungsstörungen entwickelt.

Die wiederaufladbaren Rückenmarkstimulations‑ (SCS‑) Geräte des Unternehmens umfassen Inceptiv, Intellis und das wiederaufladungsfreie Vanta. Diese kleinen, komfortablen Geräte bieten personalisierte Schmerzlinderung mittels geschlossener‑Schleifen‑Sensortechnologie und Therapieanpassungen basierend auf der Körperposition, während sie den Nutzern Vollkörper‑MRT‑Scans ermöglichen.

Medtronics nicht‑opioide Behandlungsoption ist darauf ausgelegt, chronische Schmerzen zu lindern, indem kleine elektrische Impulse abgegeben werden, die Schmerzsignale bereits vor dem Erreichen des Gehirns unterbrechen.

Medtronic plc (MDT )

Anfang dieses Jahres veröffentlichte das Unternehmen einjährige Daten aus seiner klinischen Studie, die den geschlossenen‑Schleifen‑Rückenmarkstimulator (CL‑SCS) Inceptiv bei Patienten mit Beinschmerzen und chronischen Kreuzschmerzen (CLBP) evaluiert hat. Die Daten zeigten Vorteile bei der Schmerzlinderung, der körperlichen Funktion und der Lebensqualität, während die Überstimulation reduziert wurde.

Die geschlossene‑Schleifen‑Funktion erkennt die einzigartigen biologischen Signale jeder Person und passt die Stimulation daraufhin nach Bedarf an.

Das in Irland ansässige globale Gesundheitsunternehmen hat das Ziel, Schmerzen zu lindern, Gesundheit wiederherzustellen und das Leben zu verlängern, indem es Technologien und Therapien einsetzt, die 70 Krankheitsbilder behandeln, darunter Insulinpumpen, kardiale Geräte, chirurgische Werkzeuge, chirurgische Robotik, Patientenüberwachungssysteme und mehr.

Der Kardiologie‑Sektor ist das Kerngeschäft von Medtronic und macht 37 % des Umsatzes aus, gefolgt von Neurowissenschaften, medizinscher Chirurgie und anderen Bereichen, die hauptsächlich die Diabetesbehandlung umfassen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 118 Milliarden $ handeln die MDT‑Aktien derzeit bei 92,36 $, ein Anstieg von 15,24 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 3,62 und ein KGV (TTM) von 25,44 auf. Medtronic bietet seinen Aktionären zudem eine Dividendenrendite von 3,09 %.

Was die Finanzdaten betrifft, meldete das umsatzstärkste MedTech‑Unternehmen der Welt einen Umsatzanstieg von 8,4 % auf 8,6 Milliarden $ für das erste Quartal des Geschäftsjahres 2026, das am 25. Juli 2025 endete.

Sein GAAP‑verwässertes EPS betrug 0,81 $, und sein non‑GAAP‑verwässertes EPS lag bei 1,26 $.

Während CEO Geoff Martha ein stetiges organisches Umsatzwachstum und Stärke aus mehreren Produktkategorien feststellte, äußerte CFO Thierry Piéton Zuversicht, künftig noch bessere Ergebnisse zu erzielen, da Medtronic “Effizienzsteigerungen in Produktion, Lieferkette und Betriebskosten umsetzt, um das Gewinnwachstum zu fördern, und unsere Wachstumsinvestitionen in F&E, Vertrieb und Marketing erhöht”.

In diesem Monat kündigte der Medizingerätehersteller die Aufnahme von zwei neuen Direktoren in seinen Vorstand an, um Investitionsmöglichkeiten zu suchen und das Gewinnwachstum zu steigern. Außerdem wurde ein Wachstumsausschuss eingerichtet, um die schwache Aktienperformance zu verbessern.

Neueste Medtronic plc (MDT) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Fazit

Eine Rückenmarksverletzung ist ein verheerender neurologischer Zustand, der zu erheblichen lebenslangen Funktionsbeeinträchtigungen führen kann. Sie stellt zudem eine erhebliche Belastung für Einzelpersonen, Familien und Gesundheitssysteme dar, weshalb es entscheidend ist, bessere Behandlungen zu finden und möglicherweise diesen Schlüsselteil unseres zentralen Nervensystems zu reparieren.

Mit Organoiden, Bioengineering und 3D‑Druck gehen Forscher eines der schwierigsten Probleme der Medizin an. Obwohl menschliche Therapien noch Jahre entfernt sind, kann die Technologie, sobald sie skaliert und realisiert ist, Millionen von Menschen helfen, sich zu erholen und ihre Unabhängigkeit zurückzugewinnen.

Referenzen:

1. Harland, B., Matter, L., Lopez, S., et al. Daily electric field treatment improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats. Nature Communications, 16, 5372, veröffentlicht am 26. Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60332-0
2. Kilgard, M.P., Epperson, J.D., Adehunoluwa, E.A., et al. Closed-loop vagus nerve stimulation aids recovery from spinal cord injury. Nature, 643, 1030–1036, veröffentlicht am 21. Mai 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09028-5
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