3D-Bioprinting mit biotechnologisch erstellten funktionellen Komponenten des menschlichen Herzens

Ein Forscherteam der Carnegie Mellon University hat ein Papier in Science veröffentlicht, das eine neue Technik beschreibt, die es allgemein möglich macht, über 3D-Druck Gewebegerüste aus Kollagen zu erstellen, dem wichtigsten Strukturprotein im menschlichen Körper. Dieses vollständig neue Verfahren bringt den Bereich des Tissue Engineering einen Schritt näher an die Möglichkeit, ein vollwertiges menschliches Herz im 3D-Druck zu erstellen.

Die als FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) bekannte Technik hat es den Forschern ermöglicht, zahlreiche Hürden der bestehenden 3D-Bioprinting-Verfahren zu überwinden und eine beispiellose Auflösung und Detailtreue mit nachgiebigen und lebenden Materialien zu erzielen.

Jedes der Organe im menschlichen Körper, wie z.B. das Herz, besteht aus spezialisierten Zellen, die von einem biologischen Gerüst, der sogenannten extrazellulären Matrix (EZM) zusammengehalten werden. Das Netzwerk der EZM-Proteine liefert die Struktur und die biochemischen Signale, die Zellen benötigen, um ihre normale Funktion zu erfüllen. Es war bislang nicht möglich, diese komplexe EZM-Architektur mit herkömmlichen Biofabrikationsverfahren nachzubilden.

“Wir haben aufgezeigt, dass wir Teile des Herzens aus Zellen und Kollagen drucken können, die wirklich funktionieren, beispielsweise eine Herzklappe oder eine kleine schlagende Herzkammer”, erklärt Adam Feinberg, Professor für Biomedical Engineering (BME) und Materialwissenschaft und Engineering an der Carnegie Mellon, dessen Labor diese Arbeit durchgeführt hat. “Wir konnten mit Hilfe der MRT-Daten eines menschlichen Herzens die patientenindividuelle anatomische Struktur exakt reproduzieren und mit 3D-Druck Kollagen und menschliche Herzzellen erstellen”.

In den Vereinigten Staaten warten über 4000 Patienten auf eine Herztransplantation, und weltweit gibt es Millionen von Menschen, die ein neues Herz brauchen, aber auf keiner Warteliste stehen. Der Bedarf an Ersatzorganen ist immens und macht neue Ansätze erforderlich, um künstliche Organe zu entwickeln, die eine Organfunktion dauerhaft reparieren, ergänzen oder ersetzen können. Feinberg, ein Mitglied der Bioengineered Organs Initiative der Carnegie Mellon University, arbeitet daran, diese Herausforderungen mit einer neuen Generation von biotechnologisch hergestellten Organen zu lösen, die die natürlichen Organstrukturen besser nachbilden.

“Kollagen ist ein äußerst wünschenswertes Biomaterial für den 3D-Druck, da buchstäblich jedes einzelne Gewebe im Körper aus Kollagen gebildet wird”, erläutert Andrew Hudson, BME Doktorand in Feinbergs Labor und Co-Erstautor der Arbeit. “Was den 3D-Druck so erschwert, ist die flüssige Ausgangsform des Materials – wenn man versucht, unter normalen Bedingungen zu drucken, bleibt nur eine Pfütze auf der Build-Plattform. Wir haben also eine Technik entwickelt, die verhindert, dass sich das Ergebnis verformt”.

Das in Feinbergs Labor entwickelte FRESH 3D-Bioprinting-Verfahren ermöglicht, das Kollagen Schicht für Schicht in einem unterstützenden Gelbad abzulagern, so dass es an Ort und Stelle erstarren kann, bevor es aus dem Trägerbad entfernt wird. Das stützende Gel lässt sich mit Hilfe des FRESH-Verfahrens leicht abschmelzen, wenn das Gel nach Fertigstellung des Drucks von Raumtemperatur auf Körpertemperatur erwärmt wird. Die Forscher können auf diese Weise das tragende Gel entfernen, ohne die gedruckte Kollagen- oder Zellstruktur zu beschädigen.

Das Verfahren ist in der Tat spannend für den 3D-Bioprinting-Bereich, da es ermöglicht, Kollagengerüste im großen Maßstab für menschliche Organe zu drucken. Es ist zudem nicht auf Kollagen beschränkt, da sich mit der Technik eine Vielzahl von weiteren Gelen, darunter Fibrin, Alginat, und Hyaluronsäure, für das 3D-Bioprinting einsetzen lässt, was eine robuste und anpassungsfähige Tissue Engineering-Plattform liefert. Wichtig ist ebenfalls, dass die Forscher auch Open-Source-Designs entwickelt haben, so dass nahezu jeder Anwender, vom medizinischen Labor bis zum naturwissenschaftlichen Gymnasium, kostengünstige hochleistungsfähige 3D-Biodrucke erstellen kann bzw. Zugang zu Bioprintern hat.

FRESH bietet zahlreiche zukünftige Einsatzmöglichkeiten in vielen Feldern der regenerativen Medizin, von der Wundheilung bis zum Bioengineering von Organen, ist aber nur ein Teil des wachsenden Bereichs der Biofabrikation. “Wir sprechen hier in Wirklichkeit von einer Konvergenz der Technologien”, sagt Feinberg. “Dies umfasst nicht die Bioprint-Projekte in meinem Labor, sondern andere Labors und kleine Unternehmen in den Bereichen Stammzellforschung, maschinelles Lernen und Computersimulationen, und neue 3D-Bioprinting-Hardware und Software”.

“Es ist dabei wichtig zu wissen, dass wir noch viele Jahre Forschung vor uns haben”, ergänzt Feinberg, “aber es ist bereits sehr spannend, dass wir echte Fortschritte bei der Entwicklung von funktionalem menschlichem Gewebe und Organen erzielen, und diese Arbeit zeigt auf, wo wir stehen”.

An der Abhandlung haben unter anderem Co-Erstautor Andrew Lee, BME Doktorand in Feinbergs Labor, BME Postdoktorand Dan Shiwarski sowie die BME Doktoranden Joshua Tashman, TJ Hinton, Sai Yerneni und Jacqueline Bliley und BME Research Professor Phil Campbell mitgewirkt.