Ein neues 3D-Druckverfahren zur Herstellung verzweigter Blutgefäße im Herzgewebe, das die Struktur menschlicher Blutgefäße in vitro nachahmt, wurde von einem Forschungsteam der Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und der John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) entwickelt. Das berichtet das Wyss Institute auf seiner Website. Diese Methode bringt die medizinische Forschung zur Herstellung funktionsfähiger menschlicher Organe außerhalb des Körpers einen großen Schritt voran.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Advanced Materials“ unter dem Titel „Embedding Biomimetic Vascular Networks via Coaxial Sacrificial Writing into Functional Tissue“ veröffentlicht.
Fortschritt durch das Co-SWIFT-Verfahren
Das Team entwickelte eine Methode, um vaskuläre Netzwerke zu drucken, die aus miteinander verbundenen Blutgefäßen bestehen. Diese besitzen eine Hülle aus glatten Muskelzellen und Endothelzellen, die einen hohlen Kern umgeben, durch den Flüssigkeit fließen kann. Diese Struktur ähnelt stark natürlichen Blutgefäßen und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Herstellung implantierbarer menschlicher Organe dar.
Paul Stankey, Erstautor und Doktorand an der SEAS, erklärte:
„In früheren Arbeiten entwickelten wir ein neues 3D-Bioprinting-Verfahren, bekannt als ‚sacrificial writing in functional tissue‘ (SWIFT), zur Musterbildung von Hohlkanälen innerhalb einer lebenden Zellmatrix. Hier bauen wir auf dieser Methode auf und stellen Co-SWIFT vor, das die mehrschichtige Architektur nativer Blutgefäße nachbildet, wodurch es einfacher wird, ein verbundenes Endothel zu bilden und dem inneren Druck des Blutflusses standzuhalten.“
Die Innovation des Teams liegt in einer einzigartigen Düse mit zwei unabhängig steuerbaren Flüssigkeitskanälen für die „Tinten“, die die gedruckten Gefäße bilden: eine kollagenbasierte Schalen-Tinte und eine gelatinbasierte Kern-Tinte. Der innere Kernkanal der Düse ragt leicht über die Schalenkammer hinaus, sodass die Düse ein zuvor gedrucktes Gefäß vollständig durchstechen kann, um verzweigte Netzwerke zu schaffen, die für die Sauerstoffversorgung von menschlichem Gewebe und Organen notwendig sind.
Erfolg in verschiedenen Matrizen
Um die Wirksamkeit der neuen Co-SWIFT-Methode zu bestätigen, druckte das Team zunächst ihre mehrschichtigen Gefäße in eine transparente granulare Hydrogelmatrix. Anschließend wurden die Gefäße in eine kürzlich entwickelte Matrix namens uPOROS gedruckt, die eine poröse kollagenbasierte Struktur aufweist und die dichte, faserige Struktur von Muskelgewebe nachbildet. In beiden zellfreien Matrizen konnten verzweigte vaskuläre Netzwerke erfolgreich gedruckt werden.
Das Team wiederholte den Druckprozess mit einer Schalen-Tinte, die mit glatten Muskelzellen (SMCs) durchsetzt war, welche die äußere Schicht menschlicher Blutgefäße bilden. Nach dem Ausschmelzen der gelatinbasierten Kern-Tinte perfundierten sie Endothelzellen (ECs), die die innere Schicht menschlicher Blutgefäße bilden, in ihre Gefäße. Nach sieben Tagen Perfusion waren sowohl die SMCs als auch die ECs lebendig und funktionierten als Gefäßwände. Es gab eine dreifache Abnahme der Durchlässigkeit der Gefäße im Vergleich zu denen ohne ECs.
Einsatz in lebendem menschlichem Gewebe
Als nächstes testete das Team ihre Methode in lebendem menschlichen Gewebe. Sie konstruierten Hunderttausende von kardialen Organbausteinen (OBBs) – winzige Kugeln aus schlagenden menschlichen Herzzellen, die zu einer dichten Zellmatrix komprimiert wurden. Mit Co-SWIFT druckten sie ein biomimetisches Gefäßnetzwerk in das Herzgewebe. Nachdem die sacrificial core ink entfernt wurde, besiedelten sie die innere Oberfläche ihrer SMC-besetzten Gefäße mit ECs durch Perfusion und evaluierten deren Leistung.
Diese gedruckten biomimetischen Gefäße zeigten die charakteristische zweischichtige Struktur menschlicher Blutgefäße. Nach fünf Tagen Perfusion mit einer blutähnlichen Flüssigkeit begannen die kardialen OBBs synchron zu schlagen – ein Indikator für gesundes und funktionsfähiges Herzgewebe. Die Gewebe reagierten auch auf gängige Herzmedikamente – Isoproterenol beschleunigte ihren Schlag und Blebbistatin stoppte ihn.
Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering an der SEAS, sagt dazu:
„Wir konnten erfolgreich ein Modell der Blutgefäße der linken Koronararterie basierend auf den Daten eines echten Patienten drucken, was das potenzielle Nutzen von Co-SWIFT für die Schaffung patientenspezifischer, vaskularisierter menschlicher Organe demonstriert.“
Lewis‘ Team plant in Zukunft, selbstorganisierende Netzwerke von Kapillaren zu erzeugen und diese mit ihren 3D-gedruckten Blutgefäßnetzwerken zu integrieren, um die Struktur menschlicher Blutgefäße auf Mikroskala vollständiger nachzubilden und die Funktion von im Labor gewachsenen Geweben zu verbessern.
Wyss-Gründungsdirektor Donald Ingber, M.D., Ph.D. erklärt:
„Zu sagen, dass die Entwicklung funktioneller lebender menschlicher Gewebe im Labor schwierig ist, wäre eine Untertreibung. Ich bin stolz auf die Entschlossenheit und Kreativität dieses Teams, das bewiesen hat, dass sie tatsächlich bessere Blutgefäße innerhalb lebender, schlagender menschlicher Herzgewebe bauen können.“
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