Forscher entwickeln neues 3D-Bioprinting-Verfahren mit Minecraft inspirierter Technik

Forscher der University of Virginia haben eine neue 3D-Bioprinting-Methode namens DASP (Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles) entwickelt. DASP bietet eine größere strukturelle Vielseitigkeit und ahmt die natürlichen Bedingungen des Körpers besser nach als die derzeitigen Bioprinting-Techniken. Das Team will das DASP-Verfahren anwenden, um Transplantationsmechanismen für Typ-1-Diabetes zu ermögliuchen.

DASP bietet auch für eine Reihe anderer biosynthetischer Anwendungen nützliche Modifikationen. Durch 3D-Bioprinting – eine vielseitige Technik des Tissue Engineering – können Forscher Zellen, wichtige Moleküle und künstliches Gewebe herstellen, das menschlichem Gewebe und Organen sehr ähnlich ist. Die Anwendungen reichen von der Untersuchung der Wirksamkeit von Medikamenten über medizinische Modellierung bis hin zu Organtransplantationen.

Die Leiterin des Teams, Liheng Cai, Assistenzprofessor für biomedizinische Technik, erklärt, dass 3D-Bioprinting deswegen große Möglichkeiten bieten kann. Allerdings haben die Standard-Bioprinting-Techniken funktionelle Einschränkungen. Beim Bioprinting werden derzeit Hydrogele und Zellen gemischt, um Biotintenfilamente herzustellen. Hydrogele sind 3D-Netzwerke aus hydrophilen Polymeren, die in Wasser quellen können und gleichzeitig sowohl das Wasser als auch ihre Struktur beibehalten. Die Filamente werden Schicht für Schicht gestapelt, um 3D-Strukturen zu bilden, was die natürliche Umgebung des Körpers nicht sehr genau nachahmt und mehr strukturelle Einschränkungen mit sich bringt.

“Man [baut] Schicht für Schicht auf, um eine 3D-Struktur zu schaffen, aber das reproduziert nicht wirklich, was die Natur macht”, erklärte Cai. “In echten biologischen Geweben ist jede Zelle von vielen anderen Zelltypen und auch von vielen anderen Proteinen umgeben.”

Bei ihren Überlegungen, wie dieses Problem behoben und die Möglichkeiten des Bioprinting erweitert werden können, ließen sich die Ingenieure von dem Videospiel Minecraft inspirieren. Minecraft verwendet Voxel, kleine Würfel, um Objekte in einem vom Spieler selbst geschaffenen Universum zu bauen.

Während Videospieler aus diesen digitalen Voxeln verschiedene Charaktere und Objekte erschaffen können, überlegten die Ingenieure, wie man aus biosynthetischen Voxeln zelluläre Strukturen und Gewebe erzeugen kann.

“Das ist wirklich unser langfristiges Ziel – ein biologisches Voxel zu schaffen, um diese Voxel zu 3D-Gewebeimitaten zusammenzusetzen”, erklärte Cai.

Herausforderungen bei der DASP-Technologie

Bei der Entwicklung eines biosynthetischen Voxels stieß das Team auf zwei große Herausforderungen. Die biologischen Materialien, die zur Herstellung von Voxeln verwendet werden, sind sehr zähflüssig, so dass es schwierig ist, die Druckdüse von diesen Tröpfchen zu lösen, was die Präzision ihrer Form und Platzierung beeinträchtigt. Die zweite Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, diese Tröpfchen in einem Raum zu fixieren, bevor sie zusammengesetzt werden.

Um die Herausforderung zu meistern, entwickelte das Team ein Umkehrverfahren, bei dem die Düse des 3D-Druckers einzelne Tröpfchen in einer Trägermatrix und nicht in der Luft freisetzt, so dass sich die Düse leichter ablösen und die Tröpfchen präzise platzieren lassen. In ihrer wasserlöslichen Umgebung quellen diese Tröpfchen – oder Voxel – auf und verschmelzen teilweise miteinander, nachdem sie in der Trägermatrix platziert wurden, und bilden eine vollständige Struktur aus einzelnen Tröpfchen.

Anwendung der Technologie

Das Team, das mit seinem Doktoranden Yi He zusammenarbeitet, fand eine spezifische Anwendung für DASP in Zusammenarbeit mit Assoc. Prof. Yong Wang von der School of Medicine und Jose Oberholze, Professor für Chirurgie und biomedizinische Technik und Direktor des Charles O. Strickler Transplant Center, die an der Verbesserung von Typ-1-Diabetes-Transplantationen arbeiten. Typ-1-Diabetes ist eine chronische Erkrankung, von der 9,5 Prozent der Weltbevölkerung betroffen sind und bei der das Immunsystem die Betazellen der Inselzellen fälschlicherweise als fremde Eindringlinge ansieht und sie vernichtet.

Diese Zellen, die sich in der Bauchspeicheldrüse befinden, sind für die Produktion von Insulin zuständig, das der Körper zur Aufnahme von Zucker und zur Energiegewinnung benötigt. Die Patienten müssen Insulin zu sich nehmen, um diesen Mangel auszugleichen, aber die Transplantation der betroffenen Zellen ist eine gängige Methode, um den Patienten die Möglichkeit zu geben, ihre geschädigten Zellen auszugleichen.

Die neuen Inseltransplantate sind nicht völlig unempfindlich. Auf herkömmliche Weise werden Millionen einzelner Zellen in Mikrokapseln eingekapselt und verpflanzt, die sich im Laufe der Zeit ausbreiten und verklumpen, bis die Zellen Glukose nicht mehr richtig wahrnehmen können. Außerdem ist es schwierig, diese Transplantate wieder zu entfernen, wenn sie versagen oder etwas Unerwartetes passiert.

DASP könnte diese Probleme lösen, indem diese einzelnen Zellen direkt in eine 3D-Struktur für die Transplantation gedruckt werden, anstatt einzelne Zellen zu transplantieren. Das DASP-Gerüst ist derzeit als temporäre Struktur konzipiert, mit dem Ziel, Zellen zu trainieren, eine Gewebestruktur zu bilden. Inseltransplantate benötigen jedoch eine strukturelle Unterstützung, so dass die stützende Matrix verstärkt werden muss, um langfristig im Körper eines Diabetes-Patienten zu verbleiben und funktionsfähige Zellen anzubieten. Derzeit wird die DASP-Technik an Mäusen getestet, und die Forscher werden die Auswirkungen der Transplantationen weiter beobachten. Im Erfolgsfall werden die Forscher mit klinischen Tests an nicht-menschlichen Primaten fortfahren.