Forscher revolutionieren 3D-Bioprinting mit biotechnologisch erstellten funktionellen Komponenten des menschlichen Herzens
(ots) - Ein Forscherteam der Carnegie Mellon
University hat ein Papier in Science veröffentlicht, das eine neue
Technik beschreibt, die es allgemein möglich macht, über 3D-Druck
Gewebegerüste aus Kollagen zu erstellen, dem wichtigsten
Strukturprotein im menschlichen Körper. Dieses vollständig neue
Verfahren bringt den Bereich des Tissue Engineering einen Schritt
näher an die Möglichkeit, ein vollwertiges menschliches Herz im
3D-Druck zu erstellen.
Die als FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended
Hydrogels) bekannte Technik hat es den Forschern ermöglicht,
zahlreiche Hürden der bestehenden 3D-Bioprinting-Verfahren zu
überwinden und eine beispiellose Auflösung und Detailtreue mit
nachgiebigen und lebenden Materialien zu erzielen.
Jedes der Organe im menschlichen Körper, wie z.B. das Herz,
besteht aus spezialisierten Zellen, die von einem biologischen
Gerüst, der sogenannten extrazellulären Matrix (EZM) zusammengehalten
werden. Das Netzwerk der EZM-Proteine liefert die Struktur und die
biochemischen Signale, die Zellen benötigen, um ihre normale Funktion
zu erfüllen. Es war bislang nicht möglich, diese komplexe
EZM-Architektur mit herkömmlichen Biofabrikationsverfahren
nachzubilden.
"Wir haben aufgezeigt, dass wir Teile des Herzens aus Zellen und
Kollagen drucken können, die wirklich funktionieren, beispielsweise
eine Herzklappe oder eine kleine schlagende Herzkammer", erklärt Adam
Feinberg, Professor für Biomedical Engineering (BME) und
Materialwissenschaft und Engineering an der Carnegie Mellon, dessen
Labor diese Arbeit durchgeführt hat. "Wir konnten mit Hilfe der
MRT-Daten eines menschlichen Herzens die patientenindividuelle
anatomische Struktur exakt reproduzieren und mit 3D-Druck Kollagen
und menschliche Herzzellen erstellen".
In den Vereinigten Staaten warten über 4000 Patienten auf eine
Herztransplantation, und weltweit gibt es Millionen von Menschen, die
ein neues Herz brauchen, aber auf keiner Warteliste stehen. Der
Bedarf an Ersatzorganen ist immens und macht neue Ansätze
erforderlich, um künstliche Organe zu entwickeln, die eine
Organfunktion dauerhaft reparieren, ergänzen oder ersetzen können.
Feinberg, ein Mitglied der Bioengineered Organs Initiative (https://c
212.net/c/link/?t=0&l=de&o=2540402-1&h=2052622877&u=https%3A%2F%2Fc21
2.net%2Fc%2Flink%2F%3Ft%3D0%26l%3Den%26o%3D2540402-1%26h%3D3084943587
%26u%3Dhttps%253A%252F%252Fengineering.cmu.edu%252Forgans%252F%26a%3D
Bioengineered%2BOrgans%2BInitiative&a=Bioengineered+Organs+Initiative
) der Carnegie Mellon University, arbeitet daran, diese
Herausforderungen mit einer neuen Generation von biotechnologisch
hergestellten Organen zu lösen, die die natürlichen Organstrukturen
besser nachbilden.
"Kollagen ist ein äußerst wünschenswertes Biomaterial für den
3D-Druck, da buchstäblich jedes einzelne Gewebe im Körper aus
Kollagen gebildet wird", erläutert Andrew Hudson, BME Doktorand in
Feinbergs Labor und Co-Erstautor der Arbeit. "Was den 3D-Druck so
erschwert, ist die flüssige Ausgangsform des Materials - wenn man
versucht, unter normalen Bedingungen zu drucken, bleibt nur eine
Pfütze auf der Build-Plattform. Wir haben also eine Technik
entwickelt, die verhindert, dass sich das Ergebnis verformt".
Das in Feinbergs Labor entwickelte FRESH 3D-Bioprinting-Verfahren
ermöglicht, das Kollagen Schicht für Schicht in einem unterstützenden
Gelbad abzulagern, so dass es an Ort und Stelle erstarren kann, bevor
es aus dem Trägerbad entfernt wird. Das stützende Gel lässt sich mit
Hilfe des FRESH-Verfahrens leicht abschmelzen, wenn das Gel nach
Fertigstellung des Drucks von Raumtemperatur auf Körpertemperatur
erwärmt wird. Die Forscher können auf diese Weise das tragende Gel
entfernen, ohne die gedruckte Kollagen- oder Zellstruktur zu
beschädigen.
Das Verfahren ist in der Tat spannend für den
3D-Bioprinting-Bereich, da es ermöglicht, Kollagengerüste im großen
Maßstab für menschliche Organe zu drucken. Es ist zudem nicht auf
Kollagen beschränkt, da sich mit der Technik eine Vielzahl von
weiteren Gelen, darunter Fibrin, Alginat, und Hyaluronsäure, für das
3D-Bioprinting einsetzen lässt, was eine robuste und anpassungsfähige
Tissue Engineering-Plattform liefert. Wichtig ist ebenfalls, dass die
Forscher auch Open-Source-Designs entwickelt haben, so dass nahezu
jeder Anwender, vom medizinischen Labor bis zum
naturwissenschaftlichen Gymnasium, kostengünstige hochleistungsfähige
3D-Biodrucke erstellen kann bzw. Zugang zu Bioprintern hat.
FRESH bietet zahlreiche zukünftige Einsatzmöglichkeiten in vielen
Feldern der regenerativen Medizin, von der Wundheilung bis zum
Bioengineering von Organen, ist aber nur ein Teil des wachsenden
Bereichs der Biofabrikation. "Wir sprechen hier in Wirklichkeit von
einer Konvergenz der Technologien", sagt Feinberg. "Dies umfasst
nicht die Bioprint-Projekte in meinem Labor, sondern andere Labors
und kleine Unternehmen in den Bereichen Stammzellforschung,
maschinelles Lernen und Computersimulationen, und neue
3D-Bioprinting-Hardware und Software".
"Es ist dabei wichtig zu wissen, dass wir noch viele Jahre
Forschung vor uns haben", ergänzt Feinberg, "aber es ist bereits sehr
spannend, dass wir echte Fortschritte bei der Entwicklung von
funktionalem menschlichem Gewebe und Organen erzielen, und diese
Arbeit zeigt auf, wo wir stehen".
An der Abhandlung haben unter anderem Co-Erstautor Andrew Lee, BME
Doktorand in Feinbergs Labor, BME Postdoktorand Dan Shiwarski sowie
die BME Doktoranden Joshua Tashman, TJ Hinton, Sai Yerneni und
Jacqueline Bliley und BME Research Professor Phil Campbell
mitgewirkt.
Informationen zum College of Engineering: Das College of
Engineering der Carnegie Mellon University ist eine erstrangige
ingenieurswissenschaftliche Hochschule, die sich durch ihre gezielte
Ausrichtung auf interdisziplinäre Zusammenarbeit in der Forschung
auszeichnet. Das College ist bekannt dafür, an Problemen von
wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung zu arbeiten. Unsere
"Macher"-Kultur ist in allem, was wir tun, verankert, was neue
Ansätze und umwälzende Resultate hervorbringt. Unsere renommierte
Fakultät hat ihren Schwerpunkt im Bereich Innovationsmanagement und
Engineering, um transformative Ergebnisse zu erzielen, die die
intellektuelle und wirtschaftliche Vitalität unserer Gemeinschaft,
unseres Landes und der Welt vorantreiben.
Informationen zur Carnegie Mellon University: Carnegie Mellon
(www.cmu.edu) ist eine private, international renommierte
Universität, die Studienprogramme in den Bereichen Wissenschaft,
Technik und Wirtschaft bis hin zu Politik, Geisteswissenschaften und
Künsten anbietet. Die mehr als 13.000 Studenten der sieben
Hochschulen und Colleges der Universität profitieren von der guten
Betreuungsrelation und einer Ausbildung, die sich durch ihren Fokus
auf die Schaffung und Umsetzung von umsetzbaren Lösungen für reale
Probleme, interdisziplinäre Zusammenarbeit und Innovation
auszeichnet.
Informationen zu FluidForm: Die Carnegie Mellon University hat die
FRESH-Technologie auf einer exklusiven Basis an FluidForm, Inc. mit
Sitz in Pittsburgh und Boston lizensiert. FluidForm konzentriert sich
darauf, die Einsatzmöglichkeiten der Technologie in den Bereichen
Biofabrikation, regenerative Medizin und anderen Branchen
weiterzuentwickeln. Das LifeSupport(TM) Bioprinting Support Gel wird
von Forschern weltweit eingesetzt und verbessert deutlich die
Fähigkeit, Zellen und nachgiebig-weiche Biomaterialien in komplexe
Strukturen mit hoher Detailtreue zu verwandeln.
Kontakt: Emily Durham
412-268-2406
edurham1(at)andrew.cmu.edu
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Datum: 01.08.2019 - 20:15 Uhr
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