ForscherInnen der Carnegie Mellon University haben eine eine Technik entwickelt, die es ermöglicht, biologisches Gewebe aus Kollagenen per 3D-Druck herzustellen. Die neue Methode ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg ein erstes funktionierendes menschliches Herz zu drucken.
Die FRESH-Technik (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) hat es den WissenschaftlerInnen bereits ermöglicht, viele der Probleme hinsichtlich bestehender 3D-Biodruck-Methoden zu lösen und beispiellose Möglichkeiten für den Gebrauch weicher und lebender Materialien zu erzielen. Bislang war es allerdings nicht möglich, die komplexe Extrazellularmatix (EZM) mit den klassischen Biodruck-Methoden nachzubilden.
Professor Adam Feinberg, Erstautor der Studie, äußert sich: "Wir haben nachgewiesen, dass wir Teile des Herzens aus Zellen und Kollagenen drucken können und dass diese Teile, wie zum Beispiel eine Herzklappe oder kleine schlagende Ventrikel, tatsächlich funktionieren. Durch den Gebrauch von MRT-Daten des menschlichen Herzens waren wir in der Lage, Patienten-spezifische anatomische Strukturen exakt nachzubilden und Kollagene sowie Herzzellen per 3D-Biodruck herzustellen."
Feinberg und seine KollegInnen arbeiten daran, die Problematik dringend benötigter Organe mit einer neuen Generation künstlich hergestellter Organe, die eine detailliertere Nachbildung natürlicher Organstrukturen darstellen, anzugehen. "Kollagene sind ein äußerst wünschenswertes Biomaterial für den 3D-Druck, weil sich tatsächlich jedes einzelne Gewebe des Körpers damit nachbilden lässt", erläutert Andrew Hudson, Mitautor der Studie. "Was es allerdings für den Gebrauch im 3D-Druck erschwert, ist die Tatsache, dass man bei Kollagenen zunächst mit einer Flüssigkeit arbeitet. Versucht man also, es einfach in der Luft zu drucken, bleibt nichts als eine Pfütze auf dem Drucker. Deshalb haben wir eine Technik entwickelt, die verhindert, dass das Material sich deformiert."
Die vom Forschungsteam um Professor Feinberg entwickelte FRESH 3D-Biodruck-Methode ermöglicht es, Kollagene Schicht für Schicht in ein Gel-Bad zu tauchen, wo sich das Material zunächst verfestigen kann. Durch die FRESH-Methodik kann das Gel im Anschluss an den Druck leicht beseitigt werden, indem es von Raumtemperatur auf Körpertemperatur erwärmt wird. Die gedruckte Struktur aus Kollagenen oder Zellen wird dabei nicht beschädigt.
Für die neue 3D-Biodruck-Methode lassen sich allerdings auch andere weiche Gele wie Fibrin, Algin oder Hyaluronsäure nutzen. Zudem haben die ForscherInnen lizenzfreie Baupläne entwickelt, damit möglichst viele Menschen im Bereich der Forschung Zugriff auf kostengünstige hochleistungsfähige 3D-Biodrucker haben.
Bezüglich potenzieller Möglichkeiten der FRESH-Technik äußert sich Feinberg: "Wir reden hier über die Konvergenz verschiedenster Technologien. Es geht nicht nur um das, was wir in meinem Labor bearbeiten, sondern auch um die Arbeit anderer Labore und kleiner Firmen im Bereich von Stammzellen, maschinellem Lernen und Computersimulationen ebenso wie 3D-Biodruck Hardware und Software." Er fügt hinzu: "Es ist wichtig zu verstehen, dass noch viele Jahre der Forschung vor uns liegen. Aber nichtsdestotrotz ist es aufregend, dass wir echte Fortschritte in der künstlichen Herstellung menschlicher Gewebe und Organe machen."
Quelle:
A. Lee, A. R. Hudson, D. J. Shiwarski, J. W. Tashman, T. J. Hinton, S. Yerneni, J. M. Bliley, P. G. Campbell, A. W. Feinberg. 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science, 2019; 365 (6452): 482 DOI: 10.1126/science.aav9051