Forschern gelingt Durchbruch beim funktionellen 3D-Druck von menschlichem Gewebe

Jun 18, 2023

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Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Sydney und des Children's Medical Research Institute (CMRI) in Westmead hat den 3D-Fotolithografiedruck genutzt, um funktionelles menschliches Gewebe herzustellen, das die Architektur eines Organs genau nachahmt.

Die Forscher nutzten Biotechnik und Zellkulturtechniken, um aus Blutzellen und Hautzellen gewonnene Stammzellen zur Spezialisierung anzuleiten. Diese spezialisierten Zellen können dann organähnliche Strukturen bilden.

Dieses Projekt wurde von Professor Hala Zreiqat und Dr. Peter Newman von der Biomedizintechnik der Universität Sydney sowie Professor Patrick Tam geleitet, der die Embryologie-Forschungseinheit des CMRI leitet. Die Forschungsarbeit des Teams mit dem Titel „Programming of Multizellulär Patterning with Mechano-Chemically Microstructured Cell Niches“ wurde in Advanced Science veröffentlicht.

Mit Blick auf die Zukunft wird sich das Forschungsteam nun auf die Entwicklung seiner Technik konzentrieren, um den Bereich der regenerativen Medizin voranzutreiben und neue Behandlungen für eine Reihe von Krankheiten zu verfolgen.

„Unsere neue Methode dient als Anleitung für Zellen und ermöglicht es ihnen, Gewebe zu schaffen, die besser organisiert sind und ihren natürlichen Vorbildern ähnlicher sind. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum 3D-Druck funktionierender Gewebe und Organe“, kommentierte Professor Hala Zreiqat.

Eine „Bedienungsanleitung für Zellen“

Für den Gewebeaufbau benötigen Zellen detaillierte Anweisungen in Form von strategisch positionierten Proteinen und mechanischen Auslösern. Laut Dr. Newman ist es ohne diese spezifischen Anweisungen wahrscheinlich, dass sich die Zellen auf unvorhersehbare und ungenaue Weise gruppieren.

Im Rahmen dieser Forschung nutzten die Wissenschaftler eine neuartige fotolithografische 3D-Drucktechnik, um mikroskopische mechanische und chemische Signale zu erzeugen, die Zellen in präzise und organisierte organähnliche Strukturen führen.

Mit dieser Technik konnte erfolgreich eine Knochen-Fett-Anordnung geschaffen werden, die der Knochenstruktur ähnelt. Mit dieser Methode wurde auch eine Ansammlung von Geweben hergestellt, die Prozessen während der frühen Säugetierentwicklung ähneln.

„In der Vergangenheit wurden Stammzellen gezüchtet, um viele Zelltypen zu erzeugen, aber wir konnten nicht kontrollieren, wie sie sich in 3D differenzieren und zusammensetzen“, kommentierte Professor Tam. „Mit dieser biotechnologischen Technologie können wir nun die Stammzellen dazu bringen, bestimmte Zelltypen zu bilden und diese Zellen zeitlich und räumlich richtig zu organisieren und so die reale Entwicklung des Organs nachzubilden.“

Mögliche medizinische Anwendungen

Man hofft, dass diese Forschung dazu beitragen wird, das Verständnis darüber zu verbessern, wie sich Organe entwickeln und funktionieren und wie genetische Mutationen und Entwicklungsfehler Organerkrankungen beeinflussen.

Darüber hinaus bietet diese Studie Potenzial für die Entwicklung von Zell- und Gentherapien. Tatsächlich könnte die Fähigkeit, gewünschte Zelltypen zu produzieren, die Produktion klinisch relevanter Stammzellen für therapeutische Zwecke erleichtern.

„Diese Methode hat enorme praktische Auswirkungen. In der regenerativen Medizin beispielsweise, wo ein dringender Bedarf an Organtransplantationen besteht, könnte weitere Forschung mit diesem Ansatz das Wachstum funktioneller Gewebe im Labor erleichtern“, erklärte Professor Hala Zreiqat.

Dr. Peter Newman fügte hinzu: „Diese Technologie könnte die Art und Weise, wie wir Krankheiten untersuchen und verstehen, revolutionieren.“ Durch die Erstellung genauer Modelle erkrankter Gewebe können wir den Krankheitsverlauf und die Behandlungsreaktionen in einer kontrollierten Umgebung beobachten.“

Die Forscher sind besonders zuversichtlich, dass ihre Ergebnisse dazu beitragen können, Sehverlust zu behandeln, der durch Makuladegeneration und Erbkrankheiten verursacht wird und zum Verlust von Photorezeptorzellen in der Netzhaut führt.

„Wenn wir durch Biotechnik ein Stück Zellen erzeugen und sehen können, wie das gesamte System funktioniert, dann können wir Therapien untersuchen, die funktionelle Zellen verwenden, um Zellen im Auge zu ersetzen, die aufgrund einer Krankheit verloren gegangen sind“, erklärte Professor Tam.

„Es hätte große Auswirkungen, wenn wir gesunde Zellen ins Auge bringen könnten. Unabhängig davon, ob die Makula (der Bereich der Netzhaut, der für das zentrale Sehen verantwortlich ist) aufgrund einer Erbkrankheit oder aufgrund eines Traumas verloren gegangen ist, wäre die Behandlung dieselbe.“

3D-Druck von Organen

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse dieser Studie ist der 3D-Bioprinting lebensfähiger, transplantierbarer Organe noch weit von der Realität entfernt. Allerdings machen einige Unternehmen Fortschritte auf dem Weg zu diesem langfristigen Ziel.

Letztes Jahr wurde bekannt gegeben, dass Forscher des Stevens Institute of Technology in New Jersey Computermodellierungstechniken eingesetzt hatten, um den mikrofluidikbasierten 3D-Biodruck voranzutreiben, in der Hoffnung, dass dadurch der 3D-Druck ganzer menschlicher Organe ermöglicht werden könnte.

„Der Maßstab ist sehr wichtig, weil er die Biologie des Organs beeinflusst. Wir arbeiten im Maßstab menschlicher Zellen und können so Strukturen drucken, die die biologischen Merkmale nachahmen, die wir zu reproduzieren versuchen“, erklärte Robert Chang, außerordentlicher Professor an der Stevens Schaefer School of Engineering & Science

An anderer Stelle ist es einem Forschungsteam der Universität Utrecht bereits gelungen, funktionierende Lebern mithilfe des ultraschnellen volumetrischen 3D-Biodrucks herzustellen.

Dem Team gelang es, funktionelle Lebereinheiten von mehr als 1 cm³ in weniger als 20 Sekunden durch den 3D-Druck von Organoiden herzustellen, miniaturisierte Einheiten von etwa 1 mm, die aus Stammzellen hergestellt wurden, die Aspekte ihres Referenzgewebes kopieren. Diese Lebereinheiten waren in der Lage, wichtige Prozesse zur Toxineliminierung erfolgreich durchzuführen und ahmten damit die Prozesse natürlicher menschlicher Lebern nach.

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Alex ist Technologiejournalist bei 3D Printing Industry und recherchiert und schreibt gerne Artikel zu einer Vielzahl von Themen. Er besitzt einen BA in Militärgeschichte und einen MA in Kriegsgeschichte und hat ein großes Interesse an additiven Fertigungsanwendungen in der Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie.