Forscher 3D-drucken Luftröhren mit Epithelzellen und Chondrozyten

Koreanische Forscher experimentierten weiter im Bioprinting von Trachealimplantaten und veröffentlichten kürzlich veröffentlichte Ergebnisse in “Experimental Tracheal Replacement Using 3-dimensional Bioprinted Artificial Trachea with Autologous Epithelial Cells and Chondrocytes”.

Nach dem Bioprint einer künstlichen Luftröhre mit diesen Materialien und Gewebe wurden sie in 15 Kaninchen transplantiert, von denen sechs eine Kontrollgruppe waren. Ziel war es, einen Weg zu finden, um Trachealprobleme aufgrund von Tumoren zu überwinden, von denen die häufigsten adenoide Zystenkarzinome und Plattenepithelkarzinome sind. Zuvor gab es erhebliche Herausforderungen bei der Schaffung lebensfähiger Luftröhren, die anatomisch korrekt sind und ein Flimmerepithel erzeugen können. Probleme sind aufgetreten bei Infektionen, Implantaten, die sich lösen, migriert sind oder Obstruktion erfahren haben.

“Die am aktivsten untersuchte Methode zur Herstellung künstlicher Luftröhren ist das Tissue-Engineering. Bei der Herstellung von Röhrengerüsten werden biologisch abbaubare synthetische Polymere verwendet”, erklären die Wissenschaftler. „Ein Gerüst, das mit Tissue Engineering hergestellt wird, neigt im Vergleich zu Fremdmaterialien, Allotransplantaten und autogenen Transplantaten zu einer glatten Vaskularisierung und weniger Verstopfung. Derzeit laufen Studien in verschiedenen Richtungen, einschließlich derer, die das Trachealepithel regenerieren.“

Trachealknorpel ähnliche Materialien umfassen Polycaprolacton (PCL), Polyglycolsäure (PGA), Polymilchsäure (PLA) und Poly (milchsäure-co-glykolsäure) (PLGA). Diese wurden alle im 3D-Druck und in der laufenden Forschung verwendet. In dieser Studie druckten die Forscher 3D-Luftröhren so nah wie möglich an die menschliche Trachealstruktur und bewerteten sie über einen Zeitraum von 3, 6, und 12 Monaten.

“Diese Studie ist die erste, die tracheale Läsionen mit 3D-bedruckter künstlicher Trachea mit autologen Epithelzellen und Chondrozyten behandelt. Es gibt nur wenige Studien, in denen die Langzeiteffekte von künstlichem Gewebe über ein Jahr untersucht wurden”, stellen die Forscher fest. „Respirationsepithelien und Knorpelchondrozyten, die die wichtigste Rolle in der Struktur der Trachea spielen, wurden kultiviert, um Hydrogel für den Biodruck herzustellen. Eine künstliche Luftröhre wurde mittels 3D-Druck mit einem biologisch abbaubaren Polymer hergestellt. Darüber hinaus wurde eine künstliche Trachea in ein bekanntes Trachea-Scaffold-Modell für die partielle Resektion implantiert, und es wurden Respiration Scoring, Röntgen, Computertomographie (CT), Endoskopie und histologische Untersuchung durchgeführt.“

Der Schwerpunkt lag auf der Schaffung von Epithel- und Knorpelregeneration mit Nasenzellen in der inneren Schicht und Ohrenknorpelzellen in der äußeren Schicht. Die Forscher stellten jedoch fest, dass die Verwendung von zwei verschiedenen Zelltypen in Implantaten eine Herausforderung war.

„Nasale Epithelzellkulturen wurden verwendet, um tracheaähnliche Flimmerepithelzellen zu transplantieren, ohne die Trachea des Kaninchens vor der Operation zu schädigen. In allen experimentellen Gruppen wurden erfolgreich Epithelzellen gebildet. Wir glauben, dass dies der Effekt der Transplantation von Epithelzellen in Gerüste ist und dass eine direkte Korrelation mit der frühen Überlebensrate besteht“, so die Forscher.

Für diese Arten von bioprintierten Transplantaten ist Knorpel von entscheidender Bedeutung. In der 3-Monats-Gruppe wurde keine Knorpelbildung festgestellt, obwohl nach 6 und 12 Monaten ein gewisses Wachstum zu verzeichnen war.

“Andere Studien, bei denen Kaninchenohrchondrozyten für Trachealtransplantate verwendet wurden, zeigten ebenfalls, dass die Knorpelinseln nach 6 Monaten der der einheimischen Trachea ähneln, aber keine vollständige C-Form hervorbrachte”, sagten die Forscher.

Sie beendeten die Forschung und erkannten, dass größere Methoden erforscht werden sollten, um Wege zu finden, um die Zeit für die Knorpelregeneration zu reduzieren. Abschließend erklärt das Forschungsteam:

„In diesem Experiment wurde eine künstliche Trachea unter Verwendung eines 3D-Biodruckverfahrens konstruiert und erfolgreich mit zwei verschiedenen Arten von autogen isolierten Zellen, Epithelzellen und Chondrozyten, transplantiert. Die künstliche Trachea wurde erfolgreich in die teilweise resektierte Trachea implantiert, was zu einer Epithelisierung und Bildung von Knorpelinseln führte. Dies führte bei der Versuchsgruppe zu dreizehn von fünfzehn Tieren, die bis zu 12 Monate ohne spezifische Atemwegserscheinungen überlebten, während bei der Kontrollgruppe nur vier von sechs Tieren überlebten. Unsere Forschung könnte zeigen, dass unser 3D-gedrucktes künstliches Transplantat, das autogene Zellen enthält, über einen Zeitraum von etwa einem Jahr stabil genug ist und eine Plattform für die Anwendung mit verschiedenen Zellarten oder geeigneten Biomaterialien zur Behandlung von Trachealerkrankungen darstellen kann.“