Vielen Dank an das iGEM team Bonn-Rheinbach 2022
für die Übersetzung des Artikels ins Deutsche.
Habt ihr schon einmal von 3D-Druckern gehört? Stellt ihr euch vor, dass wir anstelle von Plastik biologisches Material verwenden, um Organe und Gewebe zu drucken. Für mich, klingt das wie der Plot eines Science-Fiction Films mit einem futuristischen Labor der Zukunft. Aber erstaunlicher Weise ist das eine Technologie, die es schon seit geraumer Zeit gibt.
Im Jahr 1984 erfand ein Mann namens Charles Hull die Stereolithographie (STL) für den Biodruck von 3D-Objekten aus Digitalen Daten [1]. STL ist ein System zum Erstellen von dreidimensionalem Struktur, welche Schicht für Schicht mit photochemischen Prozessen aufgebaut wird[2]. Diese Erfindung soll die Geburt von 3D Drucken sein. Seitdem wurden in vitro Modelle entwickelt, aus
einfachen zweidimensionalen Strukturen in fortgeschrittenere dreidimensionale Strukturen wie Organoide (Miniaturversionen eines Organs), Mikrogewebe und dynamische Kultursysteme [3]. Vier Jahre nach der Erfindung von Charles Hull wurde das erste Bioprinting durch Mikropositionierung von Zellen in einem zweidimensionalen Muster demonstriert. Heute wird Bioprinting Technologie hauptsächlich verwendet, um eine Vielzahl von Geweben, Organen und ihren Krankheiten zu modellieren [3]. Dies ermöglicht es Forschern und Ärzten, Zugang zu Modellen zu erhalten, die das Verhalten und deren Interaktion zwischen Zellen von realen Gewebe und Organen simulieren, was ihre Forschung erleichtert.
Wie kam es zum Bioprint?
Jetzt, wo wir vorgestellt haben, was Bioprinting ist, und verstanden haben, warum dies eine revolutionäre Technologie auf dem Gebiet der Medizin ist. Und möglicherweise auch in weiteren Feldern der Wissenschaft. Bleibt noch eine wichtige Frage: Wie funktioniert Bioprinting? Wie macht man Bioprint macht?
Vier Methoden
Das gebrauchte Material zum Biodruck wird bioink genannt. Bioink besteht aus Zellen in einem Trägermaterial namens Hydrogel [4]. Mit diesem Bioink werden dreidimensionale Strukturen gebildet, in denen die Zellen wachsen, sich teilen und wandern können.
Als Nächstes gibt es vier verschiedene Methoden, die beim Bioprinting verwendet werden [5]. Es gibt den Extrusion Biodruck, Tintenstrahldruck, Lithographie-Biodruck und Zell-Sphäroid-basierten Biodruck. Extrusion Biodruck ist die gebräuchlichste und zugänglichste Methode. Diese Methode verwendet eine druckgetriebene Extrusion von Biotinte aus einer Düse, um Filamente zu drucken, die vom zuvor entworfen wurden. Tintenstrahl Drucker sind den Extrusion Drucker sehr ähnlich, der Hauptunterschied liegt bei dem Bilden von Tropfen statt in einem kontinuierlichen Fluss.
Bei der Lithografie-Bioprint-Methode wird ein mit Zellen gefülltes Hydrogelharz mit Hilfe von Licht zu dreidimensionalen Strukturen geformt. Diese Technik bietet eine höhere Auflösung als die Extrusionstechnik. Bei der letzten Methode, dem Bioprinting auf der Basis von Zellkugeln, auch bekannt als Bioassembly, werden Zellaggregate präzise zu zelldichten 3D-Strukturen oder Strukturen mit Organoiden zusammengesetzt.
Drei Ansätze
Bei der Gestaltung von Objekten für den Bioprint gibt es drei verschiedene Ansätze: Biomimikry, MiniGewebebausteine und autonome Selbstmontage [6]. Bei der Biomimikry handelt es sich um das Konzept, sich bei der Suche nach Lösungen für komplexe menschliche Probleme von der Natur inspirieren zu lassen. Bei der Anwendung der Biomimikry auf das Bioprinting geht es um die Herstellung
identischer Reproduktionen von zellulären und extrazellulären Komponenten von Geweben und Organen. Es können sowohl kleine Teile eines Gewebes oder Organs, wie z. B. Verzweigungsmuster von Blutgefäßen, als auch ganze Organe nachgebildet werden.
Die autonome Selbstmontage ist ebenfalls ein Ansatz, bei dem die Natur nachgeahmt wird, in diesem Fall jedoch zur gezielten Nachbildung von biologischem Gewebe. Die Methode nutzt die embryonale Organentwicklung als Leitfaden für die Gestaltung der biologischen Systeme. Diese Technologie erfordert jedoch eine genaue Kenntnis der Entwicklungsmechanismen von embryonalen Geweben und der Manipulation der Zellumgebung, um embryonale Mechanismen in den bioprinted Geweben zu steuern.
Ein Minigewebe kann als kleinster funktioneller Bestandteil eines Gewebes oder eines Organs definiert werden. Dieses Konzept kann für beide oben genannten Strategien relevant sein, da Mini-Gewebe hergestellt und zu größeren Funktionsteilen zusammengesetzt werden können, indem Selbstmontage, rationales Design oder eine Kombination aus beidem verwendet werden.
Ein Minigewebe kann als kleinster funktioneller Bestandteil eines Gewebes oder eines Organs definiert werden. Dieses Konzept kann für beide oben genannten Strategien von Bedeutung sein, da MiniGewebe durch Selbstmontage, rationales Design oder eine Kombination aus beidem hergestellt und zu größeren funktionalen Teilen zusammengefügt werden können.
To print a complex three-dimensional biological structure with functional, mechanical and structural properties, all of the strategies above are likely to be required. In addition to this, further important steps of the bioprinting process includes imaging and design, choice of suitable materials and cells and finally the printing of the tissue construct. When the tissue is constructed, it can be transplanted, or in some cases it undergoes maturation in an in vitroenvironment before the transplantation. It can also be reserved for in vitro examination and analysis.
Möglich Anwendungen
Regenerative Medizin und Tissue Engineering für mögliche Transplantation [7]
Wenn wir an Bio-Printing denken, stellen wir uns sofort das Drucken von Herzen, Lungen, Nieren und sogar eines Auges vor. Doch das Drucken von funktionalen Organen ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Aber jedes Gewebe, das keine Gefäße benötigt, wie Blutgefäße oder Knorpel, ist bereits ein hervorragendes Beispiel für Erfolg.
Die Herstellung von Herzklappen ist eine weitere wichtige Anwendung des Tissue Engineering, da geschädigte Herzklappen nicht regenerationsfähig sind und daher durch mechanische oder biologische Ersatzstoffe ersetzt werden müssen. Das Bioprinting ist eine praktikable Methode zur Herstellung anatomisch genauer Aortenklappengeometrien, um z. B. die Koarktation der Aorta zu behandeln.
Bis zu einer mechanisch stabilen dreidimensionalen Struktur, die mit dem Gefäßsystem verbunden ist, muss jedoch noch viel geforscht werden. In ähnlicher Weise wurden Experimente durchgeführt, bei denen Stammzellen direkt auf offene Wunden aufgebracht wurden, um die Regeneration der Epidermis zu ermöglichen, was zu einem weiteren Erfolg führte.
BIOLIFE4D [8] hat beispielsweise das Bioprinting eines menschlichen Miniaturherzens erreicht, indem es patienteneigene weiße Blutkörperchen in induzierte pluripotente Stammzellen umprogrammiert hat und diese iPS-Zellen dann in die verschiedenen Arten von Herzzellen differenziert hat, die für das Bioprinting einzelner Herzkomponenten benötigt werden.
Pharmazeutische Forschung auf dem Gebiet der Arzneimittel
Ein 3D-gedrucktes menschliches Gewebemodell kann als Gerüst für die Forschung zur
Medikamentenverabreichung sowie für Studien zum Wirkstoffscreening verwendet werden. Mit 3DBioprinting hergestellte Gewebemodelle können verwendet werden, um die Wirksamkeit einer Vielzahl von Molekülen bei der Entwicklung von Arzneimitteln zu testen, da sie dem natürlichen Gewebe sehr ähnlich sind und durch die Herstellung von Mikronetzwerken im Hochdurchsatzverfahren hergestellt
werden können.
Neben der Möglichkeit, die Größe der Gewebe und ihre Mikroarchitektur zu kontrollieren, können biologisch gedruckte Gewebe in großen Mengen hergestellt und gleichzeitig kultiviert werden und stellen nur ein geringes Risiko einer Kreuzkontamination dar. Ein direktes Anwendungsbeispiel ist die Untersuchung des Arzneimittelstoffwechsels anhand von biologisch gedruckten Lebermodellen.
Forschung im größeren Maßstab
Nehmen wir den Fall von Krebs. Zweidimensionale Tumormodelle stellen aufgrund fehlender dreidimensionaler Wechselwirkungen mit benachbarten Zellen und Substraten keine physiologisch relevante Umgebung dar. Daher bietet das Bioprinting eine Möglichkeit, zelluläre Interaktionen in drei Dimensionen zu verstehen und klinisch relevante Beobachtungen zu machen. Wir könnten sogar noch weiter denken: Die Möglichkeit, ein Hautgewebe zu drucken, das die Haut nahezu perfekt imitiert,
könnte in verschiedenen Bereichen wie z. B. der Kosmetikindustrie nützlich sein, um Produkte vor der Vermarktung zu testen.
Vorteile und Grenzen
Die neuesten Technologien klingen immer futuristisch und innovativ und bieten zahlreiche Vorteile, aber sie haben auch eine Reihe von Nachteilen.
In der Tat wäre diese mögliche Lösung für die Hunderttausende von Patienten, die auf ein Transplantat warten, aber auch für die Gewebereparatur eine Revolution gegen den derzeitigen Mangel. Dieser Ansatz würde sogar mögliche Zellabstoßungen verhindern. Und es ist nicht nur ein Vorteil für den Menschen, denn es würde auch ermöglichen, die Zahl der Tierversuche zu verringern, ganz zu schweigen von der wichtigen wissenschaftlichen Mobilisierung für die Forschung, die es bereits bewirkt.
Aber es ist noch ein langer Weg zu gehen. Das idealistische Bild wird etwas getrübt durch die sehr hohen Kosten dieser Technik bei einem möglichen Versicherungsschutz, der sehr niedrig bleibt und daher die Zugänglichkeit einschränkt. Da sich die Technik noch in der Testphase befindet, ist es schwierig, mögliche unerwünschte Auswirkungen auf die Patienten abzuschätzen. Es handelt sich jedoch um eine sehr präzise und akribische Wissenschaft, die versucht, die sehr komplexe Funktionsweise des menschlichen Körpers und seiner Bestandteile nachzuahmen, was keine leichte Aufgabe ist.
Biodruck in der Zukunft
Heute befindet sich das Bioprinting noch im Forschungsstadium. Trotz einiger Grauzonen dieses Konzepts bleibt es eine vielversprechende und revolutionäre Lösung für eine bessere Zukunft und bietet Forschern und Fachleuten, die Hand in Hand an der Bewältigung dieser großen Herausforderung arbeiten, neue Perspektiven. Wäre dies ein hervorragender Schritt in Richtung 4D-Druck?
Verweise
[1] Zeming Gu, Jianzhong Fu, Hui Lin, Yong He, 2020 https://doi.org/10.1016/j.ajps.2019.11.003
[2] Charles W. Hull, 1986 US4575330A – Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography – Google Patents
[3] Yi Xiang, Kathleen Miller, Jiaao Guan, Wisarut Kiratitanaporn, Min Tang & Shaochen Chen, 2022 https://doi.org/10.1007/s00204-021-03212-y
[4] Immuno Diagnostic, 2020 Bioprinting – the future of research: how to get started – Immuno Diagnostic
[5] Andrew C.Daly, Margaret E.Prendergast, Alex J.Hughes, Jason A.Burdick, 2021 https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002
[6] Sean V Murphy & Anthony Atala, 2014 https://doi.org/10.1038/nbt.2958
[7] Madhuri Dey & Ibrahim T. Ozbolat, 2020 https://www.nature.com/articles/s41598-020-70086-y
[8] BIOLIFE4D, 2022 https://biolife4d.com/about/
