Bioingenieure überwinden große Hürden auf dem Weg zum 3D-Druck von Ersatzorgane

Die neue Innovation ermöglicht es Wissenschaftlern, eng miteinander verflochtene vaskuläre Netzwerke zu schaffen, die die natürlichen Durchgänge des Körpers für Blut, Luft, Lymphe und andere lebenswichtige Flüssigkeiten nachahmen.

Die Forschung ist auf der Titelseite der Science-Ausgabe dieser Woche zu sehen. Dazu gehört ein visuell atemberaubender Proof-of-Principle – ein Hydrogel-Modell eines Lungen-Imitators, in dem Atemwege Sauerstoff in die umliegenden Blutgefäße transportieren. Ebenfalls berichtet wurden Experimente, um bioprintierte Konstrukte, die Leberzellen enthalten, in Mäuse zu implantieren.

Die Arbeit wurde von den Bioingenieuren Jordan Miller von der Rice University und Kelly Stevens von der University of Washington (UW) geleitet und umfasste 15 Mitarbeiter von Rice, UW, Duke University, Rowan University und Nervous System, einem Designbüro in Somerville, Massachusetts.

“Eines der größten Hindernisse für das Generieren von funktionellem Gewebeersatz war die Unfähigkeit, die komplexen Gefäße zu drucken, die dicht bevölkerten Geweben Nährstoffe liefern können”, sagte Miller, Assistenzprofessor für Biotechnik an der Brown School of Engineering von Rice. “Darüber hinaus enthalten unsere Organe tatsächlich unabhängige vaskuläre Netzwerke – wie die Atemwege und Blutgefäße der Lunge oder die Gallengänge und Blutgefäße in der Leber. Diese interpenetrierenden Netzwerke sind physisch und biochemisch miteinander verschränkt und die Architektur selbst ist eng mit dem Gewebe verbunden Funktion. Unsere ist die erste Bioprinting-Technologie, die die Herausforderung der Multivaskularisation direkt und umfassend angeht.”

Stevens, Assistant Professor für Bioengineering am UW College of Engineering, Assistant Professor für Pathologie an der UW School of Medicine und Forscher am UW Medicine Institute für Stammzellen und regenerative Medizin, sagte, Multivaskularisation sei wichtig, da Form und Funktion oft Hand in Hand gehen in der Hand.

“Das Tissue-Engineering hat seit einer Generation damit zu kämpfen”, sagte Stevens. “Mit dieser Arbeit können wir jetzt besser fragen: “Wenn wir Gewebe drucken können, die aussehen und jetzt sogar mehr wie gesunde Gewebe in unserem Körper atmen, werden sich diese dann auch funktional wie diese Gewebe verhalten?” Dies ist eine wichtige Frage, denn wie gut bioprintierte Gewebefunktionen den Erfolg einer Therapie beeinflussen können.”

Das Ziel des Bioprintings von gesunden, funktionellen Organen wird durch die Notwendigkeit von Organtransplantationen bestimmt. Allein in den Vereinigten Staaten stehen mehr als 100.000 Menschen auf Wartelisten für Transplantationen, und diejenigen, die letztendlich Spenderorgane erhalten, müssen sich immer noch lebenslange Immunsuppressiva gegen die Abstoßung von Organen ausgesetzt sehen. Bioprinting ist in den letzten zehn Jahren auf großes Interesse gestoßen, da theoretisch beide Probleme angegangen werden könnten, da Ärzte die Möglichkeit haben, Ersatzorgane aus den eigenen Zellen eines Patienten zu drucken. Eines Tages könnte ein Vorrat an funktionellen Organen eingesetzt werden, um Millionen von Patienten weltweit zu behandeln.

“Wir gehen davon aus, dass Bioprinting in den nächsten zwei Jahrzehnten zu einem wichtigen Bestandteil der Medizin werden wird”, sagte Miller.

“Die Leber ist besonders interessant, weil sie verblüffende 500 Funktionen erfüllt, übergeordnet ist wahrscheinlich nur das Gehirn”, sagte Stevens. “Die Komplexität der Leber bedeutet, dass es derzeit keine Maschine oder Therapie gibt, die alle Funktionen ersetzen kann, wenn sie versagt. Bioprintierte menschliche Organe könnten diese Therapie eines Tages liefern.”

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte das Team eine neue Open-Source-Bioprinting-Technologie, die als “Stereolithographie-Gerät für das Tissue Engineering” (SLATE) bezeichnet wurde. Das System verwendet die additive Fertigung, um weiche Hydrogele Schicht für Schicht herzustellen.

Schichten werden aus einer flüssigen Pre-Hydrogel-Lösung gedruckt, die bei Belichtung mit blauem Licht fest wird. Ein digitaler Lichtverarbeitungsprojektor strahlt von unten und zeigt sequentielle 2D-Schnitte der Struktur mit hoher Auflösung und Pixelgrößen zwischen 10 und 50 Mikrometern an. Mit jeder verfestigten Schicht wird das wachsende 3D-Gel mit einem oben liegenden Arm gerade so weit angehoben, dass die Flüssigkeit dem nächsten Bild des Projektors ausgesetzt wird. Die wichtigste Erkenntnis von Miller und Bagrat Grigoryan, einem Absolventen von Rice und Hauptautor der Studie, bestand in der Zugabe von Lebensmittelfarbstoffen, die blaues Licht absorbieren. Diese Photoabsorber beschränken die Verfestigung auf eine sehr feine Schicht. Auf diese Weise kann das System innerhalb weniger Minuten weiche, wasserbasierte, biokompatible Gele mit komplizierter innerer Architektur erzeugen.

Tests der lungenähnlichen Struktur zeigten, dass die Gewebe robust genug waren, um ein Bersten während des Blutflusses und pulsierenden “Atmens” zu vermeiden, einer rhythmischen Ansaugung und Ausströmung von Luft, die den Druck und die Häufigkeit der menschlichen Atmung simulierte. Tests haben gezeigt, dass rote Blutkörperchen Sauerstoff aufnehmen können, wenn sie durch ein Netzwerk von Blutgefäßen fließen, die den “atmenden” Luftsack umgeben. Diese Sauerstoffbewegung ähnelt dem Gasaustausch, der in den alveolaren Luftsäcken der Lunge stattfindet.

Um die komplizierteste Struktur der Lunge imitieren zu können, die auf dem Cover von Science zu finden ist, arbeitete Miller mit den Co-Autoren der Studie Jessica Rosenkrantz und Jesse Louis-Rosenberg, Mitbegründer von Nervous System, zusammen.

“Als wir Nervous System gründeten, hatten wir das Ziel, Algorithmen aus der Natur in neue Wege zu bringen, um Produkte zu entwerfen”, sagte Rosenkrantz. “Wir hätten nie gedacht, dass wir die Gelegenheit haben könnten, das zurückzubringen und lebende Gewebe zu entwerfen.”

Bei Tests von therapeutischen Implantaten für Lebererkrankungen druckte das Team 3D-Gewebe, belegte sie mit primären Leberzellen und implantierte sie in Mäuse. Die Gewebe hatten getrennte Kompartimente für Blutgefäße und Leberzellen und wurden in Mäuse mit chronischer Leberschädigung implantiert. Tests zeigten, dass die Leberzellen die Implantation überlebten.

Miller sagte, dass das neue Bioprinting-System auch intravaskuläre Merkmale erzeugen kann, wie beispielsweise Bicuspid-Klappen, die den Fluss von Flüssigkeit in nur eine Richtung ermöglichen. Beim Menschen finden sich intravaskuläre Klappen in Herz, Beinvenen und komplementären Netzwerken wie dem Lymphsystem, die keine Pumpe haben, um den Fluss anzutreiben.

“Mit der Hinzufügung von multivaskulärer und intravaskulärer Struktur führen wir eine umfassende Reihe von Gestaltungsfreiheiten für die Konstruktion von lebendem Gewebe ein”, sagte Miller. “Wir haben jetzt die Freiheit, viele der komplizierten Strukturen im Körper aufzubauen.”

Miller und Grigoryan kommerzialisieren Schlüsselaspekte der Forschung durch ein in Houston ansässiges Startup-Unternehmen namens Volumetric. Das Unternehmen, dem Grigoryan Vollzeit beigetreten ist, entwickelt und produziert Bioprinters und Bioinks.

Miller, ein langjähriger Verfechter des Open-Source-3D-Drucks, sagte, alle Quelldaten aus den Experimenten der veröffentlichten Science-Studie seien frei verfügbar. Darüber hinaus sind alle 3D-druckbaren Dateien, die zum Bau der Stereolithographiedruckvorrichtung benötigt werden, sowie die Designdateien zum Drucken der in der Studie verwendeten Hydrogele verfügbar.

“Durch die Bereitstellung der Hydrogel-Designdateien können andere unsere Bemühungen hier erkunden, selbst wenn sie eine zukünftige 3D-Drucktechnologie einsetzen, die heute nicht existiert”, sagte Miller.

Miller sagte, sein Labor wende bereits die neuen Design- und Bioprinting-Techniken an, um noch komplexere Strukturen zu untersuchen.