3D-gedruckte Blutgefäße bringen künstliche Organe näher an die Realität

Die Züchtung funktionsfähiger menschlicher Organe außerhalb des Körpers ist ein lang ersehnter “heiliger Gral” der Organtransplantationsmedizin, der nach wie vor unerreichbar ist. Neue Forschungsergebnisse des Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und der John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) bringen dieses Ziel einen großen Schritt näher.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Advanced Materials, beschreibt die Studie die neue Technik, genannt “coaxial SWIFT” (co-SWIFT). Diese Methode baut auf einer früheren Technik namens “sacrificial writing in functional tissue” (SWIFT) auf, die hohle Kanäle innerhalb einer lebenden Zellmatrix erstellt.

“In früheren Arbeiten haben wir eine neue 3D-Bioprinting-Methode entwickelt, die als ‘sacrificial writing in functional tissue’ (SWIFT) bekannt ist und mit der Hohlkanäle in einer lebenden zellulären Matrix strukturiert werden können. Aufbauend auf dieser Methode führen wir hier koaxiales SWIFT (co-SWIFT) ein, das die mehrschichtige Architektur natürlicher Blutgefäße nachbildet und die Bildung eines vernetzten Endothels erleichtert sowie robuster ist, um dem Innendruck des Blutflusses standzuhalten”, so Erstautor Paul Stankey, Doktorand am SEAS im Labor von Co-Autorin und Wyss Core Faculty Mitglied Jennifer Lewis, Sc.D.

Der Schlüssel zur Innovation liegt in einer speziellen Düse mit zwei unabhängig kontrollierbaren Flüssigkeitskanälen für die Druckmaterialien: einer Kollagen-basierten Hülltinte und einer Gelatine-basierten Kerntinte. Diese Düse ermöglicht es, die zuvor gedruckten Gefäße vollständig zu durchdringen und verzweigte Netzwerke zu schaffen, die eine ausreichende Sauerstoffversorgung des Gewebes gewährleisten. Die Größe der Gefäße kann durch Anpassung der Druckgeschwindigkeit oder der Flussraten der Tinten variiert werden.

Um die Methode zu verifizieren, druckte das Team ihre mehrschichtigen Gefäße zunächst in eine transparente, granulare Hydrogelmatrix und anschließend in eine poröse, kollagenbasierte Matrix namens uPOROS. Nach dem Drucken wurde die Matrix erhitzt, wodurch das Kollagen vernetzte und die Gelatinkerntinte schmolz, was eine einfache Entfernung ermöglichte und zu einer offenen, durchlässigen Vasculatur führte.

“Wir waren in der Lage, ein Modell des Gefäßsystems der linken Koronararterie auf der Grundlage von Daten eines echten Patienten erfolgreich in 3D zu drucken, was den potenziellen Nutzen von co-SWIFT für die Schaffung patientenspezifischer, vaskularisierter menschlicher Organe demonstriert”, sagte Lewis, die auch Hansjörg Wyss Professorin für Biologically Inspired Engineering am SEAS ist.

In einem weiteren Schritt druckte das Team Gefäße mit einer Hülltinte, die mit glatten Muskelzellen (SMCs) angereichert war, und perfundierte diese anschließend mit Endothelzellen (ECs). Nach einer Woche Perfusion funktionierten die Zellen als Gefäßwände, wobei die Durchlässigkeit der Gefäße um das Dreifache abnahm.

Schließlich testeten die Forschenden ihre Methode in lebendem menschlichem Gewebe. Sie erzeugten hunderttausende winzige, schlagende Herzzellblöcke und druckten ein biomimetisches Gefäßnetzwerk darauf. Nach der Entfernung der Kerntinte und der Perfusion mit ECs begannen die Herzgewebeblöcke nach fünf Tagen synchron zu schlagen und reagierten auf gängige Herzmedikamente.

Die Forschenden druckten auch ein Modell der linken Koronararterie eines echten Patienten und demonstrierten das Potenzial der Technik für personalisierte Medizin.

“Es ist eine Untertreibung zu sagen, dass es schwierig ist, funktionelles lebendes menschliches Gewebe im Labor zu entwickeln. Ich bin stolz auf die Entschlossenheit und Kreativität, mit der das Team bewiesen hat, dass es tatsächlich bessere Blutgefäße in lebendem, schlagendem menschlichem Herzgewebe herstellen kann. Ich freue mich auf ihren anhaltenden Erfolg in ihrem Bestreben, eines Tages im Labor gezüchtetes Gewebe in Patienten zu implantieren”, sagte Wyss-Gründungsdirektor Donald Ingber, M.D., Ph.D.