Forschende entwickeln Biotinte für den 3D-Druck von Lungengewebe

Jährlich sterben Millionen Menschen auf der ganzen Welt an Lungenkrankheiten. Die Behandlungsmöglichkeiten sind begrenzt, und Tiermodelle zur Untersuchung dieser Krankheiten und experimenteller Medikamente sind unzureichend. Jetzt beschreiben Forscher in ACS Applied Bio Materials ihren Erfolg bei der Herstellung einer schleimbasierten Biotinte für den 3D-Druck von Lungengewebe.

Lungenerkrankungen fordern jährlich Millionen von Menschenleben weltweit. Obwohl einige Patienten Lungentransplantationen erhalten, bleibt die Verfügbarkeit von Spenderorganen begrenzt. Alternative Behandlungsmethoden wie Medikamente können die Symptome nur lindern, bieten aber keine Heilung für Krankheiten wie die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und Mukoviszidose. Die Suche nach besseren Medikamenten erfolgt häufig durch Tests an Nagetieren, doch diese Modelle erfassen oft nur teilweise die Komplexität menschlicher Lungenerkrankungen und können die Sicherheit und Wirksamkeit neuer Medikamente nicht immer genau vorhersagen.

Bioingenieur*innen erkunden daher die Herstellung von Lungengewebe im Labor als präziseres Modell zur Untersuchung menschlicher Lungen oder als potenzielles Material für Implantate. Eine Methode besteht darin, Strukturen zu drucken, die menschliches Gewebe nachahmen, doch die Entwicklung einer geeigneten Bioink zur Unterstützung des Zellwachstums stellt eine Herausforderung dar. Um dieses Hindernis zu überwinden, wandte sich das Team um Ashok Raichur dem Mucin zu, einer bisher wenig erforschten Komponente des Schleims.

Mucin, ein Bestandteil des Schleims, zeigt in seiner molekularen Struktur Segmente, die dem epidermalen Wachstumsfaktor ähneln und das Zellwachstum fördern. Das Team modifizierte Mucin durch Reaktion mit Methacrylsäureanhydrid, um methacryliertes Mucin (MuMA) zu erzeugen. Dieses wurde dann mit Lungenzellen vermischt. Um die Viskosität der Bioink zu erhöhen und das Zellwachstum sowie die Haftung an MuMA zu verbessern, wurde Hyaluronsäure hinzugefügt. Die gedruckten Strukturen wurden anschließend blauem Licht ausgesetzt, um die MuMA-Moleküle zu vernetzen und eine stabile, poröse Gelstruktur zu erzeugen, die Wasser aufnimmt und das Überleben der Zellen unterstützt.

Die Forschenden stellten fest, dass die miteinander verbundenen Poren im Gel die Diffusion von Nährstoffen und Sauerstoff erleichtern, was das Zellwachstum und die Bildung von Lungengewebe fördert. Die gedruckten Strukturen waren nicht toxisch und wurden unter physiologischen Bedingungen langsam abgebaut, was sie potenziell für Implantate geeignet macht, bei denen das gedruckte Gerüst allmählich durch neu gewachsenes Lungengewebe ersetzt wird. Die Bioink könnte auch zur Herstellung von 3D-Modellen der Lunge dienen, um Krankheitsprozesse besser zu verstehen und potenzielle Behandlungen zu bewerten.

Diese Fortschritte im 3D-Druck könnten somit sowohl die Forschung an Lungenerkrankungen als auch die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden erheblich voranbringen.