07.08.2019

Hochaufgelöste Organteile aus dem 3D-Drucker

Spenderorgane sind knapp, daher suchen Wissenschaftler weltweit nach Möglichkeiten, neue Organe mithilfe von 3D-Druck und Gewebekulturen zu erzeugen. Dabei ist US-Forschern nun ein wichtiger Fortschritt gelungen: Sie haben eine 3D-Drucktechnik entwickelt, mit der Organe und Organteile aus Zellen und Kollagen präziser und mit feinerer Auflösung produziert werden können als zuvor. Dadurch können die komplexen Mikrostrukturen von Organen und Gefäßen nachgebildet werden – eine wichtige Voraussetzung für die spätere Funktion solcher biologischen Ersatzteile.

 

Die Idee, neue Organe und Gewebe einfach im Labor zu produzieren, ist nicht neu. Aber erst mit der Entwicklung des 3D-Drucks ist es möglich geworden, auch dreidimensionale Organe und Gewebestrukturen wirklichkeitsgetreu nachzubilden. Meist wird dabei ein Organgerüst aus Kollagen oder speziellen Zellulosegelen gedruckt, auf dem sich dann Zellen ansiedeln und so die gewünschten Gewebe bilden. Erst vor kurzem gelang es Forschern so, das erste vollständige Menschenherz mittels 3D-Druck zu erzeugen – wenn auch noch im Minimaßstab und nicht funktionsfähig. Ein Problem der bisherigen Methoden ist die Auflösung: Weder das Hüllmaterial noch der Drucker selbst sind fein genug, um die winzigen Strukturen der menschlichen Biologie vollständig nachzubauen. Vor allem bei Blutgefäßen oder Strukturen wie beispielsweise der Lunge ist aber genau dies von enormer Bedeutung.

Kollagendruck im Hydrogel

Ein großer Fortschritt in diese Richtung ist nun Forschern um Andrew Lee von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh gelungen. Denn sie haben die Auflösung und Präzision ihrer FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) getauften Methode um das Zehnfache verbessert. Erstmals gelang es ihnen so, Organgerüste aus Kollagenfasern von nur 25 Mikrometern Dicke zu drucken. Aber auch zellbesetzte Organteile haben sie bereits produziert. „Wir haben gezeigt, dass wir Teile des Herzens aus Zellen und Kollagen drucken können, die wirklich funktionieren, wie beispielsweise eine Herzklappe oder eine kleine, schlagende Herzkammer“, berichtet Co-Autor Adam Feinberg. „Indem wir Daten von Magnetresonanztomografien eines echten menschlichen Herzens genommen haben, konnten wir die patientenspezifische anatomische Struktur akkurat reproduzieren.“

 

Ausgangspunkt der Methode ist Kollagen in flüssiger Form. „Kollagen ist ein beim 3D-Druck besonders begehrtes Material, weil es in buchstäblich jedem Gewebe unseres Körpers enthalten ist“, erklärt Co-Autor Andrew Hudson. Damit die Kollagenlösung beim 3D-Druck nicht verläuft, findet der Druckvorgang in einem Bad aus zähem Hydrogel statt. Dieses sorgt dafür, dass die winzigen Kollagenstrukturen nicht aus der Form geraten und ermöglicht auch das Drucken von Hohlräumen und Poren. Indem die Forscher die Moleküle dieses Hydrogels bis auf 25 Mikrometer verkleinerten, erhöhten sie auch die Auflösung der druckbaren Teile bis auf diesen Bereich, wie sie berichten. Ist das Modell fertig gedruckt, härtet die Kollagenlösung langsam aus. Anschließend wird das gesamte Ensemble auf 37 Grad erwärmt, um das Hydrogel wegzuschmelzen. Übrig bleibt das fertige Organgerüst.

 

Schlagende Herzkammer

Mit der FRESH-Methode lassen sich aber nicht nur die reinen Kollagenstrukturen drucken, sondern auch komplette Organteile und Organe mitsamt Zellen und anderen biologischen Materialien. So erzeugten Lee und sein Team in einem ersten Test die linke Herzkammer eines menschlichen Herzens. „Wir nutzten dafür eine Druckstrategie mit zwei Materialien: Kollagen als Strukturkomponente in Kombination mit einer hochdichten Zelllösung aus Herzmuskelzell- Stammzellen“, berichten die Forscher. Das fertige Gebilde wurde in einer speziellen Nährlösung kultiviert. „Nach vier Tagen begannen die Ventrikel sichtbar zu kontrahieren und nach sieben Tagen schlugen sie synchron“, so Lee und seine Kollegen. Nähere Analysen ergaben zudem, dass die Zellen eine dichte Schicht aus miteinander vernetzten Muskelzellen gebildet hatten und dass sie die Herzkammer bei Kontraktion wie beim Pumpen dehnten und zusammenzogen.

 

„Wir haben hier das menschliche Herz als Beweis der Machbarkeit genutzt, aber der FRESH-Druck ist eine Plattform, mit der fortgeschrittene Gewebegerüste für eine breite Palette von Organsystemen hergestellt werden können“, betonen Lee und sein Team. „Wir haben nun die Möglichkeit, Konstrukte zu erzeugen, die die strukturellen, mechanischen und biologischen Eigenschaften natürlicher Gewebe rekapitulieren.“ Noch stehe man dabei zwar am Anfang und ein komplettes Herz müsse erst noch gedruckt werden. „Aber wir machen echte Fortschritte hin zu künstlich hergestellten Organgeweben und Organen – und unsere Studie ist ein Schritt auf diesem Weg“, sagt Feinberg.

 

 

Quelle: Nadja Podbregar für bild der wissenschaft

Foto: Carnegie Mellon University College of Engineering 

Bis auf feinste Äderchen und Fasern genau können mit FRESH Organteile erzeugt werden.
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