Forscher stellen gehirn-ähnliches Gewebe am 3D-Drucker her

Wissenschaftlern der University of Wollongong in Australien ist ein Durchbruch im Bereich 3D-Druck von menschlichen Stammzellen gelungen, der sie einen Schritt näher in Richtung 3D-gedruckter Organe und Gewebe zur Transplantation bringt. Aus einer Biotinte mit menschlichen Stammzellen konnten Nervenzellen gedruckt werden, die im Gehirn zu finden sind.

Das Forscherteam des ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science (ACES) hat eine neue Möglichkeit gefunden menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) mit einer speziell entwickelten Biotinte zu drucken. iPS-Zellen werden aus gewöhnlichen Gewebezellen durch die Zugabe von genetischen Faktoren neu programmiert und können jede Zelle des menschlichen Körpers hervorbringen, ähnlich wie embryonale Stammzellen. Sie haben ein hohes medizinisches Potential, da sich speziell auf Patienten angepasste Zellen erzeugen lassen die das Risiko für Immunabstoßung reduzieren. Gehirngewebe könnte beispielsweise aus iPS-Zellen gewonnen aus Hautzellen des Patienten am Bioprinter hergestellt werden.

Durch die Weiterentwicklung dieser Tissue Engineering Technologie hofft Associate Professor Jeremy Crook von der University of Wollongong jede Gewebeart im menschlichen Körper mit 3D-gedrucktem Gewebe ersetzten zu können, beispielsweise nach Verletzungen oder Erkrankungen. Die Forscher haben bereits mit vorklinischen Sicherheitsstudien begonnen, um das 3D-gedruckte Gewebe weiter für medizinische Forschung, regenerative und patientenbezogene Medizin zu entwicklen.

“Es gibt keinen Zweifel daran, dass Tissue Engineering durch Bioprinting von iPS-Zellen routinemäßig bei operativen Eingriffen von Patienten mit beschädigtem oder abgestorbenem Gewebe zukünftig eingesetzt wird,” sagt Dr. Crook.

Laut Dr. Crook entstehen viele neuropsychiatrische Störungen aufgrund eines Ungleichgewichts von Neurotransmittern, die von bestimmten Nervenzellen im Gehirn produziert werden. Defekte Nervenzellen, die beispielsweise Serotonin oder GABA produzieren, werden mit Schizophrenie und Epilepsy in Verbindung gebracht, während defekte dopamin-produzierende Zellen in Zusammenhang mit Parkinson stehen.

In ihrer Studie haben die Forscher Nervenzellen am 3D-Drucker hergestellt, die Serotonin und GABA produzieren sowie Gliazellen (Zellen im Nervengewebe) unterstützen. Zukünftig sollen auch Nervenzellen gedruckt werden die Dopamin produzieren, so Dr. Crook:

“Wir könnten Gewebe herstellen, das speziell diesen Neurotransmitter produziert und in das Gehirn von Parkinson-Patienten transplantieren.”

Für die Herstellung der Nervenzellen druckten die Forscher Schichten eines Schraffurmusters um würfelförmige Strukturen mit 5 mm Kantenlänge zu produzieren. Diese Struktur wurde dann mit einer gelartigen Substanz querverbunden und mit Wachstumsfaktoren und Nährstoffen versetzt, um das Wachstum der Nervenzellen anzuregen. So könnten kleinere Transplantate theoretisch entwickelt werden. Für größere Gewebeteile würden man allerdings Blutgefäße zur Versorgung integrieren müssen – einer der Schlüsselfaktoren für das Bioprinting von Organen.

Während die Forschungsergebnisse ein erster Schritt in Richtung 3D-Druck von kompletten Organen sind, wäre die Herstellung eines kompletten, funktionierenden Gehirns eine weitaus komplexere Aufgabe, so Crook, jedoch ein Ziel auf das hingearbeitet wird.

Neben patientenspezifischen Transplantaten könnte das 3D-gedruckte Gewebe aber auch zu Forschungszwecken eingesetzt werden. Hierbei würde man beispielsweise Gewebe von Patienten mit Epilepsie oder Schizophrenie herstellen um ihre spezielle Form der Krankheit zu untersuchen. Zudem könnte man dieses Gewebe auch zu Tests mit Medikamenten oder Elektrostimulationstherapie heranziehen.

Die Studie mit dem Titel “3D Bioprinting Human Induced Pluripotent Stem Cell Constructs for In Situ Cell Proliferation and Successive Multilineage Differentiation” wurde im Advanced Healthcare Materials Journal publiziert.