Forschern der Federal University of Sao Paulo ist es gelungen, Gehirnzellen mit dem 3D-Drucker herzustellen, die 14 Tage nach dem Druck noch leben. Mit diesen können sie unter anderem Erkrankungen des zentralen Nervensystems erforschen. Ihre Entwicklung hilft ihnen außerdem dabei, Materialien zu untersuchen, mit denen sie beschädigte Hirnbereiche reparieren könnten. Das neue Verfahren könnte auch dabei helfen, den Einsatz von Tierversuchen bei der Medikamentenentwicklung zu reduzieren.

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An der Federal University of Sao Paulo (UNIFESP) haben Forscher eine neue Methode zum 3D-Druck von Gehirnzellen, die mindestens 14 Tage überleben können, entwickelt. Mit diesen können sie die Funktionalität neuronaler Zellen in Bezug auf Erkrankungen des zentralen Nervensystems besser verstehen. Die neue Methode soll sich zudem dafür eignen, Materialien zu erforschen, die für die Reparatur von durch Traumata oder Schlaganfälle beschädigte Zellen eingesetzt werden könnten. Ihre Forschungsarbeit haben sie in einem Artikel mit dem Titel „3D bioprinting of murine cortical astrocytes for engineering neural-like tissue“ zusammengefasst.

Marimelia Porcionatto, Professorin an der medizinischen Fakultät der UNIFESP und Mitautorin der Veröffentlichung, erklärt:

„Im Organismus sind Zellen dreidimensional, aber wenn sie im Labor gezüchtet werden, befinden sie sich auf Plastik und unter Kulturmedium. Das unterscheidet sich stark von der natürlichen Organisation von Gewebe oder Organen, wo Zellen in drei Dimensionen angeordnet sind. Die von uns entwickelte Biotinte versucht die Beziehung zwischen der Zelle und der Mikroumgebung und anderen Zellen zu reproduzieren. Es ist ein Zwischensystem zwischen 2D-Kultur- und Tierversuchen.“

Vergangenen Herbst haben wir darüber berichtet, dass es einem internationalen Forschungsteam gelungen ist, lebende Gehirnzellen mit der Laser-Induced-Side-Transfer (LIST)-Methode zu drucken, ebenfalls einem Verfahren aus dem 3D-Bioprinting. Diese Forschungen könnten dabei helfen, den Einsatz von Tierversuchen bei der Medikamentenentwicklung zu reduzieren.

3D-Druck von Nervenzellen

Astrozyten zählen zu den häufigsten Zellen im Nervensystem. Sie sind an vielen neurologischen Prozessen und Erkrankungen im Gehirn beteiligt. Die entwickelte Methode kann nicht nur diese Zellen drucken, sondern auch angepasst werden, um andere Zelltypen zu untersuchen. Das Team nutzt diese Methode zum Beispiel in einem anderen Projekt, um Astrozyten und Neuronen zu analysieren und zu erforschen, die mit dem SARS-CoV-2-Virus infiziert sind.

Bruna Alice Gomes de Melo, Erstautorin der Studie, sagte:

„Wir testen verschiedene Biomaterialien auf Kompatibilität mit neuralen Gewebezellen – Neuronen und neuralen Stammzellen sowie Astrozyten. Bioprinting ist eine neuere Technik in der Gewebezüchtung, und neurale Gewebezellen sind besonders empfindlich. Dieses Protokoll wird sowohl für Forscher, die mit Astrozyten und anderen Gehirnzellen arbeiten, als auch für diejenigen, die mit anderen Zelltypen arbeiten, nützlich sein.“

Die Forscher nutzen einen extrusionsbasierten 3D-Drucker von 3D Biotechnology Solutions, um die neuartige Biotinte mit Astrozyten beladen zu drucken, um neuralähnliche Gewebestrukturen zu bilden. Die Biotinte enthält Astrozyten, extrahiert aus der Hirnrinde von Mäusen, und eine Lösung aus Gelatine, Laminin und andere vorkommende Biomaterialien. Die für ihre Arbeit benötigte Methacryloyl-Gelatine (GelMA) stellte das Team selbst im Labor her.

3D-gedruckte Astrozyten
3D-gedruckte Astrozyten. Der blaue Bereich entspricht dem Zellkern (Bild © FAPESP/Archiv).

Weitere Details

Einige Tage nach dem Drucken der Strukturen begannen die Astrozyten sich zu replizieren und sich ähnlich wie in Nervengewebe zu verhalten. Die Lebensfähigkeit der Astrozyten nahm nach einer Woche der Inkubation signifikant zu. Das zeigt, dass die 3D-Struktur eine geeignete Mikroumgebung für das Zellwachstum war.

Die 14 Tage, die die Astrozyten mindestens überleben, sind ein großes Zeitfenster für die Untersuchung der Mechanismen und des Verhaltens. Das Team will neurale Stammzellen in die Bioink-Mischung aufnehmen und die Komplexität des 3D-Druckverfahrens erhöhen. Laut Porcionatto kommen sie so der Komplexität von Nervengewebe näher. Wenn die Protokolle mit Mauszellen vollständig validiert sind, werden die Forscher laut Porcionatto andere mit menschlichen Zellen entwickeln. Diese sollen sich für zum Beispiel Arzneimittelstudien, Tests zur Identifizierung von Genen, die während der Gehirnentwicklung exprimiert werden, und Krankheitsmodellierung eignen.

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