Funktionelle menschliche Körperteile mit 3D-Bioprinting-Technik

Nach einem Durchbruch in der Regenerativen Medizin haben Wissenschaftler mit der 3D-Bioprinting-Technologie funktionelle Ohr-, Knochen- und Muskelstrukturen entwickelt.
Die Forscher nutzten eine neuartige 3D-Drucktechnik, um ein funktionelles menschliches Ohr zu bauen.
Bildnachweis: Wake Forest Baptist Medical Center

Das Forscherteam des Wake Forest Baptist Medical Centers in Winston-Salem, NC, sagt ihre neuartige Technologie - das Integrated Tissue and Organ Printing (ITOP) -System genannt - und die daraus resultierenden Kreationen markieren "einen wichtigen Fortschritt" bei der Entwicklung von Ersatzgewebe und Organe für die Patiententransplantation.

Dr. Anthony Atala, Direktor des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM), und seine Kollegen erklären, wie sie die 3D-gedruckten Körperteile in der Zeitschrift erstellt haben Natur Biotechnologie.

In den letzten Jahren hat sich der 3D-Druck als vielversprechende Strategie für das Wachstum von komplexen Geweben und Organen erwiesen, die die des menschlichen Körpers reproduzieren können.

Dr. Atala und Kollegen stellen jedoch fest, dass aktuelle 3D-Drucker nicht in der Lage sind, menschliche Gewebe und Organe zu produzieren, die stark genug sind, um in den Körper transplantiert zu werden oder die nach der Transplantation überleben können.

Das Team glaubt jedoch, dass ihre ITOP-Technologie dazu beitragen könnte, solche Probleme zu überwinden.

Funktionelles Ohr, Knochen und Muskel mit ITOP erstellt

Die Forscher haben in den letzten 10 Jahren das ITOP-System entwickelt.

Die 3D-Drucktechnologie kombiniert ein biologisch abbaubares, kunststoffähnliches Material und ein optimiertes Gel auf Wasserbasis. Der Kunststoff bildet die Form der 3D-Struktur, während das Gel Gewebezellen enthält und sie zum Wachstum anregt.

Die 3D-Drucke bestehen auch aus Mikrokanälen, die wie ein Schwamm wirken, um nach der Transplantation die Nährstoffe und den Sauerstoff des Körpers aufzusaugen. Dies hilft den Strukturen zu überleben, während sie ein Blutgefäßsystem entwickeln, das sie benötigen, um im menschlichen Körper zu funktionieren.

In ihrer Studie haben Dr. Atala und seine Kollegen das ITOP-System verwendet, um menschliche Ohrstrukturen in Babygröße - etwa 1,5 Zoll - zu bauen und sie unter die Haut von Mäusen zu implantieren.

Innerhalb von 2 Monaten nach der Transplantation hatten die Ohrstrukturen, deren Form gut erhalten war, Knorpelgewebe und ein System von Blutgefäßen gebildet.

Zum Vergleich hatten frühere Forschungen gezeigt, dass eine 3D-gedruckte Gewebestruktur ohne ein vorher existierendes Blutgefäßsystem kleiner als 200 Mikrometer (0,007 Zoll) sein musste, um im menschlichen Körper zu überleben.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus Biotinte und Mikrokanälen die richtige Umgebung bietet, um die Zellen am Leben zu erhalten und das Zell- und Gewebewachstum zu unterstützen", sagt Dr. Atala.

Die Forscher verwendeten auch das ITOP-System und menschliche Stammzellen, um Kieferknochenfragmente zu bilden. Das Team merkte an, welche Größe und Form für die Rekonstruktion des menschlichen Gesichts erforderlich war. Fünf Monate nach der Implantation in Ratten hatten die Knochenfragmente Blutgefäße gebildet.

Zusätzlich druckten die Forscher Muskelgewebe und implantierten es in Ratten. Das Gewebe hatte Blutgefäße gebildet und in nur 2 Wochen Nervenbildung ausgelöst, und seine strukturellen Eigenschaften wurden beibehalten.

Technologie öffnet die Tür zur personalisierten Geweberegeneration

Neben der Fähigkeit, das Zellwachstum zu unterstützen und Gewebestrukturen am Leben zu erhalten, verfügt das ITOP-System über einen weiteren Vorteil: Es kann Informationen aus Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) verwenden, um individuelle Strukturen zu erstellen jeder Patient.

Im Gespräch mit BBC NewsDr. Atala verwendet das Beispiel eines Patienten, dem ein Segment im Kieferknochen fehlt.

"Wir brachten den Patienten mit, machten die Bildgebung und dann nahmen wir die Bilddaten und übertrugen sie durch unsere Software, um den Drucker anzutreiben, um ein Stück Kieferknochen zu erzeugen, das genau in den Patienten passte", erklärt er.

Zu den möglichen Auswirkungen ihrer Ergebnisse kommentiert Dr. Atala:

"Dieser neuartige Gewebe- und Organdrucker stellt einen wichtigen Fortschritt auf unserem Weg zur Herstellung von Ersatzgewebe für Patienten dar. Er kann stabiles menschliches Gewebe jeder Form herstellen.

Mit der Weiterentwicklung könnte diese Technologie potenziell zum Drucken lebender Gewebe- und Organstrukturen für die chirurgische Implantation verwendet werden. "

Die Ergebnisse des Teams bauen auf den Ergebnissen einer anderen Studie aus dem Jahr 2014 auf, in der Vagina aus dem Laboratorium mit glatten Muskelzellen und vaginalen Epithelzellen, die bei vier Weibchen erfolgreich transplantiert wurden, geschaffen wurde.

Dr. Atala und Kollegen stellten jedoch fest, dass sich eine solche Technik für komplexe Organe wie Leber und Niere als schwierig erweisen könnte. Aber das Team sagt, dass ihre neueste Technologie zeigt, dass es möglich ist, 3D-Druck zu verwenden, um komplexeres Gewebe zu bauen.

"In dieser Studie haben wir eine breite Palette von Gewebestärken gedruckt - von Muskeln als Weichgewebe bis zu Knorpel und Knochen, da ein hartes Gewebe, das eine ganze Reihe von Gewebestärken zeigt, möglich ist", sagte Dr. Atala BBC News. "Die Hoffnung besteht darin, die Arbeit an diesen Technologien fortzusetzen, um auch andere menschliche Gewebe anzusprechen."

Früher in diesem Monat, Medizinische Nachrichten heute berichteten über eine Studie, die zeigt, wie eine 3D-gedruckte Knochenstruktur die Regeneration von natürlichem Gewebe ermöglicht.

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