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Orgelregeneration geht mit "3D Sugar Printing" näher
Ein Team von Bioingenieuren ist dem Tag einen Schritt näher gekommen, an dem neue Organe aus den eigenen Zellen regeneriert werden können. Die Forscher haben 3D-Muster von Blutgefäßnetzwerken aus Zucker "gedruckt", die Gewebe um sich herum wachsen lassen und sich dann auflösen lassen, wobei eine ausgehöhlte "Gefäßarchitektur" zurückbleibt.
Sobald sich der Zucker auflöst, kann das ausgehöhlte Blutgefäßmuster schnell mit nährstoffreicher Flüssigkeit und Sauerstoff durchströmt werden, um die Gewebezellen am Absterben zu hindern.
(Ein häufiges Problem beim Versuch, dickeres Gewebe wie das der Leber zu konstruieren, ist, dass ohne ein anständiges vaskuläres System, um Nährstoffe und Sauerstoff zu liefern und Abfallprodukte zu entfernen, die Zellen tief untergehen.)
Obwohl das Tissue Engineering in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, ist es immer noch unmöglich, die komplexen 3D-Blutgefäßnetzwerke, die in natürlich gewachsenen Organen vorhanden sind, nachzubilden.
Schreiben in der Online - Ausgabe vom 1. Juli NaturmaterialienForscher der University of Pennsylvania (Penn) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA sagen, ihre 3D-Zuckerdruckmethode sei ein bedeutender Schritt in die richtige Richtung und frei von einigen der Probleme, die beim Versuch auftreten machen 3D-Gewebe und seine inneren Gefäße mit anderen Mitteln.
Ein üblicher Ansatz, den Bioingenieure verwenden, besteht darin, das Gewebe und sein vaskuläres Netzwerk Schicht für Schicht aufzuwachsen, aber dies hat ein signifikantes Problem dahingehend, dass die Nährflüssigkeit die Nähte zwischen den Schichten aufstoßen kann.
Christopher S Chen, der Skirkanich-Professor für Innovation in der Abteilung für Bioingenieurwesen in Penn, ist einer der führenden Forscher auf dieser Arbeit. Er sagte der Presse:
"Diese neue Plattformtechnologie macht die Gewebebildung aus der Sicht der Zelle zu einer sanften und schnellen Reise, da die Zellen nur ein paar Minuten manuellen Pipettierens ausgesetzt sind und in einem einzigen Schritt in die Formen gegossen werden, bevor sie von unserem Gefäßnetz genährt werden. "
Die schnelle Gießtechnik, die Chen und seine Kollegen entwickelt haben, beruht auf der Herstellung eines Materials, das steif genug ist, um als 3D-Netzwerk aus Filamenten zu bestehen, das sich aber auch leicht in Wasser lösen kann, ohne die Zellen zu vergiften.
Die andere Anforderung ist, dass das Material mit einem 3D-Drucker kompatibel sein muss, damit es komplexere vaskuläre Netzwerke viel schneller als die Schicht-für-Schicht-Annäherung und in einem größeren Maßstab herstellen kann.
Nach viel Versuch und Irrtum fanden sie das perfekte Material Zucker. Zucker ist mechanisch stark und reichlich in der Natur. Zum Beispiel ist es in Form von Zellulose das häufigste Material in der Biomasse der Erde. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Zuckerbausteine ??typischerweise in Nährmedien, die Zellen nähren, gelöst und gelöst werden.
Der Postdoktorand Jordan S Miller ist ein weiterer Co-Leiter des Forschungsteams und Mitglied des Tissue Microfabrication Laboratory von Chen in der Abteilung für Bioingenieurwesen in Penn. Er sagte, dass sie viele verschiedene Rezepturen von Zucker getestet haben, bis sie die bestmögliche Übereinstimmung mit diesen Anforderungen erreicht haben.
"Da es keine einzige Art von Gel gibt, die optimal für jede Art von Gewebe geeignet ist, wollten wir auch eine Zuckerformel entwickeln, die mit jedem Zelltyp und jedem Gel auf Wasserbasis kompatibel ist", erklärte er.
Sie entschieden sich schließlich für eine Formel, die Saccharose und Glucose mit Dextran für strukturelle Stärke kombiniert. Sie druckten es mit einem RepRap, einem Open-Source-3D-Drucker mit einem maßgeschneiderten Extruder und einer Steuerungssoftware.
Ein wichtiger Teil des Verfahrens besteht darin, dass der Zucker nach dem Drucken stabil sein muss, so dass er mit einer dünnen Schicht eines abbaubaren Polymers aus Mais beschichtet ist, das es der Zuckerstruktur ermöglicht, sich aufzulösen und aus dem Gelmedium durch die Kanäle zu fließen Erstellen Sie, ohne das Gel von der Einstellung zu stoppen und ohne die wachsenden Zellen in der Nähe zu beschädigen.
Sobald der Zucker aus dem Weg ist, führen die Forscher Flüssigkeit durch das Gefäßsystem, um die Zellen mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen, ähnlich wie es natürlich mit Blut im Körper geschieht.
Sie sagen, dass der gesamte Prozess schnell und kostengünstig istund sie können leicht zwischen mehreren Computersimulationen und physikalischen Modellen von vaskulären Gerüsten wechseln.
Als die Forscher menschliche Blutgefäßzellen in das ausgehöhlte Gefäßnetz injizierten, begannen sie spontan, neue Kapillarsprossen zu bilden, wodurch die Penetration des Netzwerks erhöht wurde. So wachsen Blutgefäße auf natürliche Weise im Körper.
Um diesen Effekt weiter zu testen, stellten die Forscher Gele her, die primäre Leberzellen enthielten. Als sie dann nährstoffreiche Flüssigkeit durch die ausgehöhlte Gefäßarchitektur pumpten, fanden sie heraus die Leberzellen erhöhten die Menge an Albumin und Harnstoff, die sie bildeten, was ein Zeichen für gesundes Verhalten in Leberzellen ist.
Es gab auch Hinweise, dass mehr Zellen um die vaskulären Kanäle, die die Nährflüssigkeit trugen, überlebten.
Eine weitere Herausforderung für die biotechnologischen Organe besteht darin, eine ausreichende Anzahl gesunder und funktionierender Zellen zu schaffen: Die derzeitige Technologie ist weit davon entfernt, die Zelldichten einer voll funktionsfähigen Leber zu erreichen.
Aber mit ihrem gedruckten Gefäßsystem, Chen und Kollegen erreichte Zelldichten, die klinische Relevanz erreichten, was darauf hindeutet, dass die neue Technik weitere Forschungen zu laborgezüchteten Organen und organähnlichen Strukturen anstoßen könnte.
Als therapeutische Schwelle für die Human-Lebertherapie gelten rund 10 Milliarden funktionierende Leberzellen. Chen und Kollegen haben es geschafft, sich dieser Zahl zu nähern, aber sie sind noch weit entfernt: Pro Gel erreichen sie etwa zehn Millionen Leberzellen, sagten sie.
Und es gibt noch viel zu tun in anderen Bereichen, zum Beispiel wie man diese Gefäßnetzwerke mit echten Blutgefäßen verbindet und wie das künstliche Gefäßsystem mit Leberzellen interagiert.
Gelder von den National Institutes of Health, dem Penn Centre for Engineering Cells and Regeneration und der American Heart Association-Jon Holden DeHaan Foundation halfen, die Forschung zu finanzieren.
Geschrieben von Catharine Paddock
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