Forscher 3D-drucken eine funktionierende Herzpumpe mit echten menschlichen Zellen

Forscher der Universität von Minnesota haben eine neuartige Bio-Tinte entwickelt, mit der sie ein funktionelles, gedrucktes, 3D-funktionales, schlagendes menschliches Herz herstellen können.

In der Vergangenheit haben Forscher versucht, Kardiomyozyten oder Herzmuskelzellen, die aus sogenannten pluripotenten menschlichen Stammzellen gewonnen wurden, in 3D zu drucken. Pluripotente Stammzellen sind Zellen mit dem Potenzial, sich zu jeder Art von Zelle im Körper zu entwickeln. Forscher würden diese Stammzellen zu Herzmuskelzellen umprogrammieren und sie dann mit speziellen 3D-Druckern innerhalb einer dreidimensionalen Struktur, der sogenannten extrazellulären Matrix, ausdrucken. Das Problem war, dass die Wissenschaftler nie die kritische Zelldichte erreichen konnten, damit die Herzmuskelzellen tatsächlich funktionieren.

In dieser neuen Studie haben Forscher der Universität von Minnesota den Prozess umgedreht, und es hat funktioniert.

“Zuerst versuchten wir den 3D-Druck von Kardiomyozyten, und auch wir scheiterten”, erklärte Brenda Ogle, die leitende Forscherin der Studie und Leiterin der Abteilung für Biomedizinische Technik am University of Minnesota College of Science and Engineering. “Mit der Expertise unseres Teams auf dem Gebiet der Stammzellenforschung und des 3D-Drucks haben wir uns daher entschlossen, einen neuen Ansatz zu versuchen. Wir optimierten die aus extrazellulären Matrixproteinen hergestellte Spezialtinte, kombinierten die Tinte mit menschlichen Stammzellen und verwendeten die Tinte plus Zellen, um die gekammerte Struktur in 3D zu drucken. Die Stammzellen wurden zunächst zu hohen Zelldichten in der Struktur expandiert, und dann differenzierten wir sie zu den Herzmuskelzellen”.

Was das Team herausfand, war, dass sie zum ersten Mal überhaupt das Ziel einer hohen Zelldichte innerhalb von weniger als einem Monat erreichen konnten, um die Zellen wie ein menschliches Herz zusammenschlagen zu lassen.

Ogle erklärte, dies sei auch ein entscheidender Fortschritt in der Herzforschung, denn diese neue Studie zeigt, wie sie in der Lage waren, Herzmuskelzellen in 3D so zu drucken, dass die Zellen sich organisieren und zusammenarbeiten konnten. Da sich die Zellen direkt nebeneinander unterscheiden, ähnelt es eher der Art und Weise, wie die Stammzellen im Körper wachsen und sich dann einer Spezifizierung zu Herzmuskelzellen unterziehen würden.

Im Vergleich zu anderen hochkarätigen Forschungsarbeiten in der Vergangenheit erklärte Ogle, dass diese Entdeckung eine Struktur schafft, die wie ein geschlossener Sack mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass aussieht, wo sie messen können, wie ein Herz Blut im Körper bewegt. Dies macht sie zu einem unschätzbaren Werkzeug für die Untersuchung der Herzfunktion.

“Wir verfügen jetzt über ein Modell, mit dem wir verfolgen und verfolgen können, was auf Zell- und Molekularebene in der Pumpstruktur geschieht, die sich dem menschlichen Herz anzunähern beginnt”, erklärte Ogle. “Wir können Krankheiten und Schäden in das Modell einbringen und dann die Auswirkungen von Medikamenten und anderen Therapeutika untersuchen.

Das Herzmuskelmodell ist etwa 1,5 Zentimeter lang und wurde speziell so konzipiert, dass es für weitere Studien in die Bauchhöhle einer Maus passt.

Die komplette Studie mit dem Titel “In Situ Expansion, Differentiation, and Electromechanical Coupling of Human Cardiac Muscle in a 3D Bioprinted, Chambered Organoid” kann hier abgerufen werden.