Mit Hilfe von 3D-Druck und Elektrospinnen baut ein Team von Bioingenieuren am Wake Forest Institute for Regenerative Medicine unter der Leitung von Anthony Atala lebensfähiges Gewebe und Organe für Patienten an. Während sich viele dieser 3D-gedruckten Organe noch in der Forschungsphase befinden, sollten einige innerhalb von ein oder zwei Jahren für klinische Tests bereit sein.
Seit mehr als 25 Jahren arbeitet Atala an der Erzeugung von Gewebezellen im Labor. Von Fingern und Ohren bis hin zu Nieren und Herzen kann sein Team nun 40 verschiedene Organ- und Gewebestrukturen herstellen.

Was ist Elektrospinnen?

Diese Verfahren beginnen mit der Entnahme einer kleinen Probe von Patientenzellen aus dem Bereich, den Bioingenieure zu rekonstruieren versuchen. Zum Beispiel benötigen sie für die Haut nur ein Transplantat, das etwa so groß ist wie eine Briefmarke. Dann replizieren sie diese Zellen in einem Bioreaktor, bis genug vorhanden ist, um das Organ wachsen zu lassen.

3D-Bioprinter legen verschiedene Arten von Zellen ab, so wie ein Farb-3D-Drucker verschiedene Arten von Polymeren abscheidet. Foto: Wake Forest

Der nächste Schritt besteht darin, die extrazelluläre Matrix oder das Gerüst aufzubauen, auf dem sich die Zellen bilden. Das Team sät dann die Matrix mit Wachstumsförderern und Biochemikalien, die die Zellen dazu veranlassen, sich auf bestimmte Weise zu entwickeln. Die Matrix liefert auch mechanische Kräfte, die die Zellentwicklung prägen.Um Strukturen wie Haut oder Blutgefäße herzustellen, verwendet das Labor Elektrospinnen, eine 3D-Drucktechnik, die den Maschinen ähnelt, mit denen Zucker zu Zuckerwatte gesponnen wird.Bioingenieure verwenden diese Technik, um ein Hydrogelpolymer mit hohen Geschwindigkeiten zu spinnen und zwingen das Polymer, sich in lange Faserstränge zu verlängern. Sie legen dann einen dünnen Stab in die Mitte der Maschine. Die Hydrogelfasern haften an der Stange, so wie flauschige Zuckerwatte an einem Papierkegel haftet. Wissenschaftler manipulieren die Form des schwammigen Polymers, indem sie die Spannung variieren, bis sie die Struktur nachgeahmt haben, die sie erzeugen.
Weiterführende Literatur: 3D-Druck lebende Haut mit Blutgefäßen
Sobald die Forscher die gewünschte Form erreicht haben, sprühen sie Zellen aus dem Bioreaktor auf die Matrix und schichten sie wiederholt, um sie an natürliche Strukturen anzupassen. Um beispielsweise die Haut wiederherzustellen, würden sie zunächst Zellen aus der subkutanen Schicht und dann Zellen aus der Dermis und der Epidermis auftragen.

Einmal auf die Matrix geschichtet, wird die Struktur in einen Inkubator gelegt, der die Bedingungen des menschlichen Körpers nachahmt. Dort beginnt diese Kombination aus Matrix, Biochemikalien und Zellen ein Eigenleben anzunehmen, wobei die Matrix als Leitfaden verwendet wird.Obwohl diese Technik perfekt für einfache und leichte Strukturen wie Haut und Blutgefäße geeignet ist, fehlt ihr die Präzision und die Fähigkeit, solide dreidimensionale Strukturen wie ein Herz zu erzeugen.

Wie druckt man feste Organe?

Um ein festes Organ zu schaffen, brauchen Forscher einen Weg, um das Wachstum von Blutgefäßen zu fördern, so dass jede Zelle im Organ den Sauerstoff und die Nährstoffe erhält und Abfall beseitigen kann. Die Schaffung dieser Blutgefäßbäume, die sich von großen Arterien in die kleinsten Gefäße verzweigen, hat Forscher seit Jahrzehnten verblüfft. Das Team von Atala hat jedoch einige mögliche Lösungen entwickelt.

Einer der verschiedenen 3D-Drucker zum Drucken von Zellen. Foto: Wake Forest

Die erste Lösung beginnt mit einem vorhandenen Spenderorgan wie einer Leber. Zuerst legen Wake Forest Bioengineers es in einen Shaker, ähnlich wie eine Waschmaschine, mit milden Reinigungsmitteln für etwa zwei Wochen.“Nachdem man durch den Shaker gegangen war, konnte man das Organ halten und es würde aussehen und sich anfühlen wie das Organ, aber es hätte keine Zellen“, sagte Atala. „Im Wesentlichen hatten wir das Skelett der Orgel erhalten.“
Dieses Skelett besteht aus Kollagen, einem Protein, das im Bindegewebe des Körpers und seinen extrazellulären Matrizen vorkommt. Wie die elektrogesponnene Matrix liefert die Kollagenmatrix die Struktur und die mechanischen Kräfte, die Zellen benötigen, um sich zu teilen und organbezogene Funktionen zu übernehmen. Das Organskelett wird dann mit den Leberzellen des Patienten abgelagert, die das Organ wieder bevölkern und es mit vielen Funktionen einer menschlichen Leber wieder zum Leben erwecken.Obwohl diese Methode vielversprechend ist, bedeutet es immer noch, auf ein Spenderorgan zu warten, mit dem man arbeiten kann. Der 3D-Druck kann einen Weg bieten, dies zu umgehen. Diese Methode erfordert viel mehr Verständnis für das Organ selbst, verspricht aber, Patienten davon zu befreien, auf ein Spenderorgan zu warten.
Weiterführende Literatur: 3D-Bioprinter druckt gesunde Haut auf Patienten in Minuten
„In einem Organ wie dem Herzen ist so viel los, dass wir es nur sehen können, wenn wir bei Null anfangen“, sagte Atala. „Wir betrachten die Struktur aus einer 360-Grad-Perspektive, um sicherzustellen, dass wir die Funktionalität des Organs auf jede mögliche Weise replizieren können, sonst wird es nicht überleben.“
Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, weiterhin Organe zu bauen und von den Builds zu lernen. Zu diesem Zweck haben Atala und sein Team über ein Dutzend Drucker entwickelt, um die komplexen Prozesse des Baus einer soliden Orgel durchzuführen. Die Drucker arbeiten wie Farbtintenstrahldrucker, aber anstelle von Tinte enthalten ihre Patronen Zellen, die nach Typ getrennt sind.
Zu Beginn wird der Bioprinter mit Patienten- und Organinformationen geladen, einer Blaupause, was zu bauen ist. Durch ein System von Düsen legt der Drucker Zellschichten als dickes Gel ab. Dies erzeugt langsam die Organstruktur, während das Leben der darin eingebetteten Zellen erhalten bleibt.
Während das Team diese topografische Form des Engineerings noch beherrscht, gibt der 3D-Druck den Forschern die Möglichkeit, die Details zu erarbeiten. Durch Versuch und Irrtum haben sie erfolgreich die Drucker programmiert, um selbst kleinste Blutgefäße in einem komplexen Organ abzulegen.

Ist 3D-Bioprinting die Zukunft der Organtransplantation?

Egal, welche dieser Techniken das Team verwendet, es dauert etwa vier bis sechs Wochen, um einen gesunden Ersatz für einen Patienten zu bauen. Da das Ersatzgewebe oder —organ aus den eigenen Zellen des Patienten hergestellt wird, besteht praktisch keine Wahrscheinlichkeit einer Abstoßung – was bedeutet, dass Patienten schneller als je zuvor heilen und keine Medikamente einnehmen müssen, um ihr Immunsystem davon abzuhalten, das Transplantat anzugreifen.
Weiterführende Literatur: Top 10 Bioengineering-Trends für 2020
„In der Lage zu sein, diese Strukturen mit den eigenen Zellen eines Patienten so zu schaffen, dass sie sich wirklich anpassen und heilen können, das ist die Hoffnung für uns“, sagte Atala. „Wir wollen sicherstellen, dass wir so viele Patienten wie möglich erreichen können.“
Atala sagt, dass die vereinfachten Strukturen wie Haut und Blutgefäße bereits erfolgreiche Versuche am Menschen hatten und in ein paar Jahren in der Klinik sein werden. Feste Organe werden viel länger dauern.
Es war eine bemerkenswerte Reise für Atala und seine Fortschritte haben den Grundstein und die Wissensbasis für eine erfolgreiche Erzeugung von menschlichem Zellgewebe gelegt.Cassie Kelly ist ein Ingenieur und Umwelt Schriftsteller mit Sitz in Columbus, Ohio.
Registrieren Sie sich noch heute für AM Medical: Mai 27-28, 2020 in Minneapolis, MN