Die neue Innovation ermöglicht es Wissenschaftlern, exquisit verflochtene Gefäßnetze zu schaffen, die die natürlichen Durchgänge des Körpers für Blut, Luft, Lymphe und andere lebenswichtige Flüssigkeiten nachahmen.
Die Forschungsarbeit wird auf der Titelseite der Science-Ausgabe dieser Woche vorgestellt. Sie enthält einen visuell beeindruckenden Grundsatzbeweis – ein Hydrogelmodell eines lungenähnlichen Luftsacks, in dem die Atemwege Sauerstoff an die umliegenden Blutgefäße abgeben. Außerdem wird über Versuche berichtet, Mäusen bioprinted Konstrukte mit Leberzellen zu implantieren.
Die Arbeit wurde von den Bioingenieuren Jordan Miller von der Rice University und Kelly Stevens von der University of Washington (UW) geleitet und umfasste 15 Mitarbeiter von Rice, UW, Duke University, Rowan University und Nervous System, einer Designfirma in Somerville, Massachusetts.
„Eines der größten Hindernisse bei der Herstellung von funktionellem Gewebeersatz war, dass wir nicht in der Lage waren, das komplexe Gefäßsystem zu drucken, das dicht besiedeltes Gewebe mit Nährstoffen versorgen kann“, sagte Miller, Assistenzprofessor für Bioengineering an der Brown School of Engineering in Rice. „Außerdem enthalten unsere Organe unabhängige Gefäßnetze – wie die Atemwege und Blutgefäße der Lunge oder die Gallengänge und Blutgefäße in der Leber. Diese sich gegenseitig durchdringenden Netzwerke sind physikalisch und biochemisch miteinander verflochten, und die Architektur selbst steht in engem Zusammenhang mit der Gewebefunktion.
Stevens, Assistenzprofessor für Bioengineering am UW College of Engineering, Assistenzprofessor für Pathologie an der UW School of Medicine und Forscher am UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, sagte, die Multivaskularisierung sei wichtig, weil Form und Funktion oft Hand in Hand gingen.
„Das Tissue Engineering hat eine Generation lang mit diesem Problem zu kämpfen gehabt“, sagte Stevens. „Mit dieser Arbeit können wir jetzt besser fragen: ‚Wenn wir Gewebe drucken können, die den gesunden Geweben in unserem Körper ähnlicher sehen und sogar atmen, werden sie sich dann auch funktionell ähnlicher verhalten wie diese Gewebe?‘ Das ist eine wichtige Frage, denn wie gut ein biologisch gedrucktes Gewebe funktioniert, hat Einfluss darauf, wie erfolgreich es als Therapie sein wird.“
Das Ziel, gesunde, funktionelle Organe im Bioprint-Verfahren herzustellen, wird durch den Bedarf an Organtransplantationen angetrieben. Allein in den Vereinigten Staaten stehen mehr als 100.000 Menschen auf der Warteliste für eine Transplantation, und diejenigen, die schließlich ein Spenderorgan erhalten, müssen ein Leben lang immunsuppressive Medikamente einnehmen, um eine Abstoßung des Organs zu verhindern. Das Bioprinting hat in den letzten zehn Jahren großes Interesse geweckt, weil es theoretisch beide Probleme lösen könnte, indem es Ärzten ermöglicht, Ersatzorgane aus den eigenen Zellen eines Patienten zu drucken. Ein fertiger Vorrat an funktionsfähigen Organen könnte eines Tages eingesetzt werden, um Millionen von Patienten weltweit zu behandeln.
„Wir können uns vorstellen, dass das Bioprinting innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte zu einem wichtigen Bestandteil der Medizin wird“, sagte Miller.
„Die Leber ist besonders interessant, weil sie unglaubliche 500 Funktionen erfüllt, wahrscheinlich mehr als das Gehirn“, sagte Stevens. „Die Komplexität der Leber bedeutet, dass es derzeit keine Maschine oder Therapie gibt, die alle ihre Funktionen ersetzen kann, wenn sie ausfällt. Bioprinting menschlicher Organe könnte eines Tages diese Therapie liefern“
Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das Team eine neue Open-Source-Bioprinting-Technologie mit der Bezeichnung „Stereolithographie-Apparat für Tissue Engineering“ oder SLATE. Das System nutzt die additive Fertigung, um weiche Hydrogele Schicht für Schicht herzustellen.
Die Schichten werden aus einer flüssigen Vor-Hydrogel-Lösung gedruckt, die bei der Bestrahlung mit blauem Licht zu einem festen Material wird. Ein digitaler Lichtverarbeitungsprojektor leuchtet von unten und zeigt aufeinanderfolgende 2D-Scheiben der Struktur mit hoher Auflösung an, wobei die Pixelgröße zwischen 10 und 50 Mikrometern liegt. Wenn jede Schicht verfestigt ist, hebt ein Überkopfarm das wachsende 3D-Gel gerade so weit an, dass die Flüssigkeit für das nächste Bild aus dem Projektor sichtbar wird. Die wichtigste Erkenntnis von Miller und Bagrat Grigoryan, einem Rice-Absolventen und Hauptmitautor der Studie, war die Zugabe von Lebensmittelfarbstoffen, die blaues Licht absorbieren. Diese Fotoabsorber beschränken die Verfestigung auf eine sehr feine Schicht. Auf diese Weise kann das System innerhalb weniger Minuten weiche, biokompatible Gele auf Wasserbasis mit einer komplizierten inneren Architektur herstellen.
Tests der lungenähnlichen Struktur zeigten, dass die Gewebe stabil genug waren, um ein Platzen während des Blutflusses und der pulsierenden „Atmung“ zu vermeiden, einer rhythmischen Ein- und Ausströmung von Luft, die den Druck und die Frequenz der menschlichen Atmung simuliert. Die Tests ergaben, dass die roten Blutkörperchen Sauerstoff aufnehmen können, wenn sie durch ein Netz von Blutgefäßen strömen, das den „atmenden“ Luftsack umgibt. Diese Bewegung des Sauerstoffs ähnelt dem Gasaustausch, der in den Alveolen der Lunge stattfindet.
Um die komplizierteste lungenähnliche Struktur der Studie zu entwerfen, die auf dem Titelblatt von Science abgebildet ist, arbeitete Miller mit den Co-Autoren der Studie, Jessica Rosenkrantz und Jesse Louis-Rosenberg, den Mitbegründern von Nervous System, zusammen.
„Als wir Nervous System gründeten, war es unser Ziel, Algorithmen aus der Natur in neue Möglichkeiten des Produktdesigns zu adaptieren“, sagte Rosenkrantz. „
In den Tests der therapeutischen Implantate für Lebererkrankungen druckte das Team 3D-Gewebe, belud sie mit primären Leberzellen und implantierte sie in Mäuse. Die Gewebe hatten getrennte Abteilungen für Blutgefäße und Leberzellen und wurden Mäusen mit chronischen Leberschäden implantiert. Tests zeigten, dass die Leberzellen die Implantation überlebten.
Miller sagte, dass das neue Bioprinting-System auch intravaskuläre Merkmale herstellen kann, wie z.B. bikuspide Ventile, die den Flüssigkeitsfluss in nur eine Richtung ermöglichen. Beim Menschen finden sich intravaskuläre Klappen im Herzen, in den Beinvenen und in komplementären Netzwerken wie dem Lymphsystem, die keine Pumpe haben, um den Fluss anzutreiben.
„Mit der Hinzufügung der multivaskulären und intravaskulären Struktur führen wir eine umfangreiche Reihe von Designfreiheiten für das Engineering von lebendem Gewebe ein“, sagte Miller. „
Miller und Grigoryan vermarkten Schlüsselaspekte der Forschung durch ein in Houston ansässiges Startup-Unternehmen namens Volumetric. Das Unternehmen, dem Grigoryan hauptberuflich angehört, entwickelt und produziert Bioprinter und Biotinten.
Miller, ein langjähriger Verfechter des Open-Source-3D-Drucks, sagte, dass alle Quelldaten der Experimente in der veröffentlichten Science-Studie frei verfügbar seien. Darüber hinaus sind alle 3D-Druckdateien, die für den Bau der Stereolithographie-Druckvorrichtung benötigt werden, verfügbar, ebenso wie die Designdateien für den Druck aller in der Studie verwendeten Hydrogele.
„Die Bereitstellung der Hydrogel-Designdateien wird es anderen ermöglichen, unsere Bemühungen hier zu erforschen, selbst wenn sie eine zukünftige 3D-Drucktechnologie verwenden, die heute noch nicht existiert“, sagte Miller.
Miller sagte, dass sein Labor die neuen Design- und Bioprinting-Techniken bereits einsetzt, um noch komplexere Strukturen zu erforschen.
„Wir stehen erst am Anfang unserer Erforschung der Architekturen, die im menschlichen Körper zu finden sind“, sagte er. „
Zusätzliche Co-Autoren der Studie sind Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat und Anderson Ta von Rice, Daniel Corbett, Chelsea Fortin und Fredrik Johansson von der UW, John Gounley und Amanda Randles von Duke und Peter Galie von Rowan.
Die Arbeit wurde unterstützt von der Robert J. Kleberg, Jr. und Helen C. Kleberg Foundation, der John H. Tietze Foundation, der National Science Foundation (1728239, 1450681 und 1250104), den National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 und DP5OD019876) und den Gulf Coast Consortia.
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