Mit Fasern infundierte Tinte lässt 3D-gedruckten Herzmuskel schlagen

Forschende der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben eine Methode entwickelt, um ein schlagendes Herzgewebe mit 3D-Drucktechnologie zu erzeugen. Durch die Verwendung einer neuartigen Hydrogel-Tinte, die mit Gelatinfasern angereichert ist, konnten die Wissenschaftler ein funktionierendes Herzventrikelmodell erstellen, das sich ähnlich wie ein menschliches Herz verhält.

Der 3D-Druck eröffnet in den letzten zehn Jahren Bioingenieur*innen neue Möglichkeiten, Herzgewebe und -strukturen zu schaffen. Forscher*innen haben nun einen Weg gefunden, Herzmuskelzellen so zu drucken, dass sie sich wie eine menschliche Herzkammer ausrichten und schlagen.

“Man hat versucht, die Strukturen und Funktionen von Organen nachzubilden, um die Sicherheit und Wirksamkeit von Medikamenten zu testen und so vorherzusagen, was in der klinischen Praxis passieren könnte”, sagt Suji Choi, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SEAS und Erstautor der Studie.

Doch bisher war es mit 3D-Drucktechniken allein nicht möglich, eine physiologisch relevante Ausrichtung der Kardiomyozyten zu erreichen, also der Zellen, die für die koordinierte Übertragung elektrischer Signale zur Kontraktion des Herzmuskels verantwortlich sind.

“Wir haben dieses Projekt gestartet, um einige der Unzulänglichkeiten beim 3D-Druck von biologischem Gewebe zu beheben”, erklärt Kevin “Kit” Parker, Tarr Family Professor für Bioengineering und angewandte Physik, Leiter der Disease Biophysics Group am SEAS und Hauptautor.

“FIG-Tinte ist in der Lage, durch die Druckdüse zu fließen, aber sobald die Struktur gedruckt ist, behält sie ihre 3D-Form bei”, sagt Choi. “Aufgrund dieser Eigenschaften habe ich festgestellt, dass es möglich ist, eine ventrikelartige Struktur und andere komplexe 3D-Formen zu drucken, ohne zusätzliche Stützmaterialien oder Gerüste zu verwenden.”

Zur Herstellung der FIG-Tinte nutzte Choi ein von Parkers Labor entwickeltes Rotationsstrahl-Spinnverfahren, mit dem Mikrofasermaterialien ähnlich wie Zuckerwatte gesponnen werden können. Der Postdoktorand Luke MacQueen, ein Mitautor der Arbeit, hatte die Idee, dass die mit dem Rotationsstrahlverfahren hergestellten Fasern einer Tinte hinzugefügt und in 3D gedruckt werden könnten.

“Als Luke dieses Konzept entwickelte, bestand die Vision darin, den Bereich der räumlichen Skalen, die mit 3D-Druckern gedruckt werden können, zu erweitern, indem wir den unteren Grenzbereich verlassen und bis in den Nanometerbereich vordringen”, sagt Parker. “Der Vorteil der Herstellung der Fasern mit dem Rotationsdüsenspinnen anstelle des Elektrospinnens” – einer konventionelleren Methode zur Erzeugung ultradünner Fasern – “besteht darin, dass wir Proteine verwenden können, die sonst durch die elektrischen Felder beim Elektrospinnen abgebaut würden.”

Mit der Rotationsdüse zum Spinnen von Gelatinefasern erzeugte Choi eine Materialbahn, die ähnlich wie Baumwolle aussieht. Als Nächstes brach sie dieses Blatt mit Hilfe von Schallwellen in Fasern mit einer Länge von 80 bis 100 Mikrometern und einem Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern auf. Dann dispergierte sie diese Fasern in eine Hydrogel-Tinte.

Die größte Herausforderung lag darin, das optimale Verhältnis zwischen Fasern und Hydrogel in der Tinte zu finden, um die Ausrichtung der Fasern und die Integrität der 3D-gedruckten Struktur zu gewährleisten.

Als Choi 2D- und 3D-Strukturen mit der FIG-Tinte druckte, richteten sich die Kardiomyozyten in der Tinte in die Richtung der Fasern aus. Durch die Steuerung der Druckrichtung konnte Choi also kontrollieren, wie sich die Herzmuskelzellen ausrichten würden.

Diese Erfindung bietet eine spannende Perspektive für die Schaffung von In-vitro-Plattformen zur Entdeckung neuer Therapeutika für Herzkrankheiten und zur Bewertung der Wirksamkeit von Behandlungen bei individuellen Patient*innen.

Weitere Autoren sind Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T. Pu, und Andreas Bausch.