Der mobile Bioprinter am Bett kann Wunden heilen

Stellen Sie sich einen Tag vor, an dem ein Bioprinter, der mit den eigenen Zellen eines Patienten gefüllt ist, direkt an das Bett gerollt werden kann, um große Wunden oder Verbrennungen zu behandeln, indem die Haut Schicht für Schicht auf die Haut gedruckt wird, um den Heilungsprozess zu beginnen. Dieser Tag ist nicht mehr weit entfernt.

Die Wissenschaftler des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) haben ein derartiges mobiles Bioprinting-System für die Haut geschaffen – das erste seiner Art -, mit dem die zweischichtige Haut direkt in eine Wunde gedruckt werden kann.

“Der einzigartige Aspekt dieser Technologie ist die Mobilität des Systems und die Fähigkeit, umfangreiche Wunden vor Ort durch Scannen und Messen bereitzustellen, um die Zellen direkt dort abzulegen, wo sie zur Hautbildung benötigt werden”, sagte Sean Murphy. Ph.D., ein WFIRM-Assistenzprofessor, der Hauptautor der in diesem Monat in Nature’s Scientific Reports veröffentlichten Arbeit war.

Millionen von Amerikanern sind von chronische, große oder nicht heilende Wunden betroffen. Diabetische Druckgeschwüre sind besonders teuer, da sie häufig mehrfach behandelt werden müssen. Es wird auch geschätzt, dass Verbrennungen 10 bis 30 Prozent der Kriegsopfer im konventionellen Krieg für militärisches Personal ausmachen.

Die wichtigsten Hautzellen – dermale Fibroblasten und epidermale Keratinozyten – können leicht aus einer kleinen Biopsie von unverletztem Gewebe isoliert und expandiert werden. Fibroblasten sind Zellen, die die extrazelluläre Matrix und das Kollagen synthetisieren, die eine entscheidende Rolle bei der Wundheilung spielen, während Keratinozyten die vorherrschenden Zellen in der Epidermis, der äußersten Hautschicht, sind.

Die Zellen werden in ein Hydrogel gemischt und in den Bioprinter gestellt. Die integrierte Bildgebungstechnologie mit einem Gerät, das die Wunde scannt, führt die Daten in die Software ein, um den Druckköpfen mitzuteilen, welche Zellen Schicht für Schicht genau in die Wunde gebracht werden sollen. Dies repliziert und beschleunigt die Bildung einer normalen Hautstruktur und -funktion.

Die Forscher demonstrierten den Proof-of-Concept des Systems, indem sie Haut direkt auf präklinische Modelle drucken.

Haut Bioprinter-Prototyp und In-situ-Bioprinting-Konzept. (A) Schematische Darstellung des Maßstabs, des Designs und der Bestandteile des Hautbioprinter. (B) Die Hauptkomponenten des Systems bestehen aus Düsen mit einem Durchmesser von 260 µm, die neben dem 3D-Wundscanner durch bis zu 8 unabhängige, an einen Druckkopf mit einem XYZ-Bewegungssystem angeschlossene Ausgabesysteme angetrieben werden. Alle Komponenten sind auf einem Rahmen montiert, der klein genug ist, um im Operationssaal mobil zu sein. (C) Hautbioprinting-Konzept. Wunden werden zuerst gescannt, um genaue Informationen über die Wundtopographie zu erhalten, die dann die Druckköpfe dazu bringen, bestimmte Materialien und Zelltypen an geeigneten Stellen abzulegen (Bilder mit freundlicher Genehmigung von LabTV – National Defense Education Program, Washington, DC). (D) Beispiel eines Hautbioprintprozesses, bei dem Markierungen, die um den Wundbereich gelegt werden, als Bezugspunkte (a) verwendet werden, bevor mit einem Handscanner ZScanner Z700 (b) gescannt wird. Durch Scannen erhaltene geometrische Informationen werden dann in Form einer STL-Datei eingegeben, um die gescannten Bilder nach dem Standardkoordinatensystem (c) auszurichten. Die gescannten Daten mit ihrem Koordinatensystem werden verwendet, um das Füllvolumen und die Wegpunkte für den Düsenkopf zu erzeugen, um das Füllvolumen zu drucken (d). Ein Ausgabecode wird dann an die benutzerdefinierte Bioprinter-Steuerschnittstelle zur Erzeugung des Düsenpfads geliefert, der zum Drucken des Füllvolumens (e, f) benötigt wird. (E) Dieses System ermöglicht das Ablegen mehrerer Zelltypen mit hoher Präzision und Kontrolle. Dargestellt ist die Schichtung von Fibroblasten (grün) und Keratinozyten (rot).

Der nächste Schritt ist die Durchführung einer klinischen Studie am Menschen. Gegenwärtig sind Hauttransplantate zur Behandlung von Wunden und Verbrennungen die “Goldstandard” -Technik, aber eine angemessene Abdeckung von Wunden ist oft eine Herausforderung, insbesondere wenn gesunde Haut nur begrenzt zur Ernte zur Verfügung steht. Hauttransplantate von Spendern sind eine Option, riskieren jedoch eine Immunabstoßung der Transplantat- und Narbenbildung. Mit dem WFIRM-Bioprinter-System konnten die Forscher sehen, dass sich neue Haut vom Wundzentrum aus nach außen gebildet hat. Dies geschah nur, wenn die eigenen Zellen des Patienten verwendet wurden, da die Gewebe akzeptiert und nicht abgestoßen wurden.

“Die Technologie hat das Potenzial, die Notwendigkeit schmerzhafter Hauttransplantate zu beseitigen, die Patienten, die unter großen Wunden oder Verbrennungen leiden, zu einer weiteren Entstellung führen”, sagte WFIRM-Direktor Anthony Atala, M. D., und Mitautor der Zeitung. “Ein mobiler Bioprinter, der umfangreiche Wunden vor Ort verwalten kann, könnte dazu beitragen, die Versorgung zu beschleunigen und die Kosten für die Patienten zu senken.”

“Wenn Sie die eigenen Zellen des Patienten liefern, tragen sie aktiv zur Wundheilung bei, indem sie sich im Voraus organisieren, um den Heilungsprozess viel schneller zu beginnen”, sagte Dr. James Yoo, Ph. D, der das Forschungsteam leitete und die Arbeit gemeinsam verfasste . “Während es andere Arten von Wundheilungsprodukten gibt, um Wunden zu behandeln und sie zu schließen, tragen diese Produkte nicht direkt zur Hautbildung bei.”