Ein schneller Weg zu 3D-gedruckten Organen

Täglich sterben in den USA 20 Menschen und warten auf eine Organtransplantation. Während derzeit mehr als 30.000 Transplantationen pro Jahr durchgeführt werden, befinden sich derzeit mehr als 113.000 Patienten auf Organtransplantationslisten. Künstlich gewachsene menschliche Organe werden von vielen als „heiliger Gral“ zur Behebung dieses Organmangels angesehen, und Fortschritte im 3D-Druck haben zu einem Boom bei der Verwendung dieser Technik geführt, um lebende Gewebekonstrukte in Form menschlicher Organe aufzubauen. Bisher fehlt jedoch allen 3D-gedruckten menschlichen Geweben die Zelldichte und die Funktionen auf Organebene, die für die Verwendung bei der Organreparatur und beim Organersatz erforderlich sind.

Eine neue Technik namens SWIFT (sacrificial writing into functional tissue), die von Forschern des Wyss Institute for Biological Inspired Engineering und der John-A.-Paulson-Hochschule für Technik und Angewandte Wissenschaften (SEAS) in Harvard entwickelt wurde, überwindet diese große Hürde durch 3D-Druck von Gefäßkanälen in Lebende Matrizen, die aus stammzellabgeleiteten Organbausteinen (OBBs) bestehen und lebensfähige organspezifische Gewebe mit hoher Zelldichte und -funktion ergeben. Die Forschung wird in Science Advances berichtet.

SWIFT umfasst einen zweistufigen Prozess, der mit der Bildung von hunderttausenden von Stammzellen abgeleiteten Aggregaten zu einer dichten, lebenden Matrix von OBBs beginnt, die etwa 200 Millionen Zellen pro Milliliter enthält. Als nächstes wird ein Gefäßnetzwerk, durch das Sauerstoff und andere Nährstoffe an die Zellen abgegeben werden können, in die Matrix eingebettet, indem eine Opfertinte geschrieben und entfernt wird.

„Durch die Bildung einer dichten Matrix aus diesen OBBs werden zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen: Sie erreichen nicht nur eine hohe Zelldichte, die der der menschlichen Organe ähnelt, sondern die Matrixviskosität ermöglicht auch das Drucken eines durchdringenden Netzwerks perfusionsfähiger Kanäle, um das zu imitieren Blutgefäße, die die menschlichen Organe unterstützen“, sagte der Co-Erstautor Sébastien Uzel, Ph.D., ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Wyss Institute und am SEAS.

Bei kalten Temperaturen (0-4 ° C) hat die dichte Matrix die Konsistenz von Mayonnaise – weich genug, um sie zu manipulieren, ohne die Zellen zu beschädigen, aber dick genug, um ihre Form beizubehalten – und ist somit das perfekte Medium für den 3D-Opferdruck. Bei dieser Technik bewegt sich eine dünne Düse durch diese Matrix und setzt einen Strang Gelatine- „Tinte“ ab, der die Zellen aus dem Weg drückt, ohne sie zu beschädigen.

Wenn die kalte Matrix auf 37 ° C erwärmt wird, versteift sie sich, um fester zu werden (wie ein Omelett, das gekocht wird), während die Gelatinentinte schmilzt und ausgewaschen werden kann, wobei ein Netzwerk von Kanälen im Gewebekonstrukt zurückbleibt, das perfundiert werden kann mit sauerstoffhaltigen Medien, um die Zellen zu nähren. Die Forscher konnten den Durchmesser der Kanäle von 400 Mikrometer bis 1 Millimeter variieren und sie nahtlos miteinander verbinden, um verzweigte Gefäßnetzwerke im Gewebe zu bilden.

Organspezifische Gewebe, die mit SWIFT mit eingebetteten Gefäßkanälen bedruckt und auf diese Weise perfundiert wurden, blieben lebensfähig, während Gewebe, die ohne diese Kanäle gezüchtet wurden, innerhalb von 12 Stunden Zelltod in ihren Kernen erlebten.

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