Die 3D-Bioprinting-Technik von UC San Diego erstellt aus natürlichen Materialien lebensechte Gewebe

Bioingenieure an der University of California in San Diego haben eine benutzerfreundliche 3D-Bioprinting-Technik entwickelt, um lebensechte Organgewebemodelle aus natürlichen Materialien herzustellen. Als Beweis für das Konzept des UC San Diego-Teams wurden 3D-Blutgefäßnetzwerke gedruckt, mit denen ein Brustkrebstumor außerhalb des Körpers und ein Modell eines vaskularisierten menschlichen Darms lebendig gehalten werden können.

Das Ziel ist nicht, künstliche Organe herzustellen, die in den Körper implantiert werden können, so die Forscher, sondern einfach herzustellende menschliche Organmodelle, die außerhalb des Körpers untersucht oder für das Screening von Arzneimitteln verwendet werden können.

“Wir möchten es den Wissenschaftlern des Alltags, die nicht über die für andere 3D-Drucktechniken erforderliche Spezialisierung verfügen, erleichtern, 3D-Modelle aus allen menschlichen Geweben herzustellen, die sie untersuchen”, sagte der erste Autor Michael Hu, Doktor der Biotechnologie. Student an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. “Die Modelle wären fortgeschrittener als Standard-2D- oder 3D-Zellkulturen und für den Menschen relevanter, wenn es um das Testen neuer Medikamente geht, was derzeit an Tiermodellen durchgeführt wird.”

“Sie brauchen nichts Kompliziertes, um dies in Ihr Labor aufzunehmen”, sagte Prashant Mali, Professor für Biotechnik an der San Diego Jacobs School of Engineering der Universität San Diego, dem leitenden Autor der Studie. „Wir hoffen, dass mehrere Labore damit arbeiten und experimentieren können. Je mehr es angenommen wird, desto mehr Auswirkungen könnte es haben.“

Die Methode ist einfach. Um beispielsweise ein lebendes Blutgefäßnetzwerk aufzubauen, entwerfen Forscher zunächst ein Gerüst mit Autodesk. Mit einem handelsüblichen 3D-Drucker drucken die Forscher das Gerüst aus einem wasserlöslichen Material namens Polyvinylalkohol. Sie gießen dann eine dicke Schicht aus natürlichen Materialien über das Gerüst, lassen es aushärten und erstarren, spülen dann das Gerüstmaterial aus und spülen das Innere des Gerüsts aus, um hohle Blutgefäßkanäle zu bilden. Als nächstes überziehen sie die Innenseiten der Kanäle mit Endothelzellen, die die Innenseiten der Blutgefäße auskleiden. Der letzte Schritt besteht darin, Zellkulturmedien durch die Gefäße zu leiten, um die Zellen am Leben zu erhalten und zu wachsen.

Die Gefäße bestehen aus natürlichen Materialien, die im Körper vorkommen, wie Fibrinogen, eine Verbindung, die in Blutgerinnseln gefunden wird, und Matrigel, einer kommerziell erhältlichen Form einer tatsächlichen extrazellulären Säuger-Matrix.

Das Finden der richtigen Materialien war eine der größten Herausforderungen, sagte Xin Yi (Linda) Lei, Student der Bioengineering-Universität, ein Co-Autor der Studie. „Wir wollten Materialien verwenden, die natürlicher und nicht synthetischer Natur sind, damit wir etwas so nah wie möglich an das machen können, was sich im Körper befindet. Sie mussten auch mit unserer 3D-Druckmethode arbeiten können.“

“Wir können aus diesen biologisch alltäglichen Materialien alltägliche Gewebe für die Herstellung vaskulärer Gewebe herstellen”, sagte Mali. “Und das ist ein wichtiger Aspekt, wenn wir Gewebe herstellen wollen, die für sehr lange Zeiträume außerhalb des Körpers gehalten werden können.”

In einer Reihe von Experimenten verwendeten die Forscher die bedruckten Blutgefäße, um Brustkrebs-Tumorgewebe außerhalb des Körpers am Leben zu erhalten. Sie extrahierten Tumore von Mäusen und betteten einige der Stücke in die gedruckten Blutgefäßnetzwerke ein. Andere Stücke wurden in einer Standard-3D-Zellkultur gehalten. Nach drei Wochen waren die in den Blutgefäßabdrücken eingeschlossenen Tumorgewebe am Leben geblieben. In der Zwischenzeit waren die in der Standard-3D-Zellkultur größtenteils abgestorben.

“Wir hoffen, dass wir unser System dazu nutzen können, Tumormodelle herzustellen, mit denen Krebsmedikamente außerhalb des Körpers getestet werden können”, sagte Hu, der sich besonders für die Untersuchung von Brustkrebs-Tumormodellen interessiert. „Brustkrebs ist eine der häufigsten Krebserkrankungen – es hat einen der größten Forschungsbereiche und einen der größten Arzneimittelbereiche, die dafür entwickelt werden. Alle Modelle, die wir herstellen können, wären also für mehr Menschen von Nutzen.“

In einer weiteren Versuchsreihe entwickelten die Forscher ein vaskularisiertes Darmmodell. Die Struktur bestand aus zwei Kanälen. Eine war eine gerade Röhre, die mit Darmepithelzellen ausgekleidet war, um den Darm zu imitieren. Der andere war ein Blutgefäßkanal (mit Endothelzellen ausgekleidet), der sich um den Darmkanal windete. Ziel war es, einen von einem Blutgefäßnetz umgebenen Darm neu aufzubauen. Jeder Kanal wurde dann mit für seine Zellen optimierten Medien gespeist. Innerhalb von zwei Wochen haben die Kanäle begonnen, realistischere Morphologien zu entwickeln. Zum Beispiel hatte der Darmkanal begonnen, Zotten zu sprießen, die winzigen, fingerartigen Vorsprünge, die die Innenseite der Darmwand auskleiden.

„Mit dieser Strategie können wir anfangen, komplexe, langlebige Systeme in einer ex vivo-Umgebung herzustellen. In der Zukunft könnte dies möglicherweise die Verwendung von Tieren ersetzen, um diese Systeme herzustellen, was gerade jetzt durchgeführt wird“, sagte Mali.

„Dies ist ein Beweis des Konzepts, das zeigt, dass wir verschiedene Zelltypen zusammen kultivieren können. Dies ist wichtig, wenn wir Multi-Organ-Interaktionen im Körper modellieren möchten. Mit einem einzigen Ausdruck können wir zwei unterschiedliche lokale Umgebungen erstellen, von denen jede einen anderen Zelltyp am Leben erhält und nahe genug nebeneinander platziert wird, damit sie interagieren können“, sagte Hu.

Das Team arbeitet an der Erweiterung und Verbesserung dieser Technik. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Optimierung der gedruckten Blutgefäße und die Entwicklung vaskularisierter Tumormodelle konzentrieren, die denen des Körpers näher kommen.

Vollständige Arbeit: “Facile Engineering of Long-Term Culturable Ex Vivo Vascularized Tissues Using Biologically Derived Matrices” Zu den Mitautoren gehören Amir Dailamy, Udit Parekh, Daniella McDonald und Aditya Kumar, alle bei UC San Diego.