Forscher des Indian Institute of Technology Madras (IITM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen 3D-gedruckten Chip entwickelt, der als „mikrofluidischer Bioreaktor“ fungiert und gerade einmal 5 US-Dollar Produktionskosten ausmacht. Darin wird menschliches Gehirngewebe gezüchtet und kultiviert. Das Gewebe kann unter anderem beim Test von Medikamenten und deren Auswirkungen auf das Gehirn helfen und gleichfalls Medikamententests an Tieren vermeiden.

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Ikram Khan vom Indian Institute of Technology Madras (IITM) in Chennai und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen „mikrofluidischen Bioreaktor“ entwickelt, mit dem sie eigenen Angaben zu Folge menschliches Gehirngewebe in einem Gerät züchten und kultivieren können. Das Gerät kostet gerade einmal um die 5 US-Dollar (4,2 EUR) und besteht aus einem waschbaren und wiederverwendbaren Mikrochip. Forscher können damit selbstorganisierende Gehirnproben, sogenannte Gehirnorganoide, in Echtzeit unter dem Mikroskop wachsen sehen. Ihre Arbeit dazu veröffentlichten die Wissenschaftler im Magazin AIP Biomikrofluidik unter dem Titel „A low-cost 3D printed microfluidic bioreactor and imaging chamber for live-organoid imaging„.

Details zum „mikrofluidische Bioreaktor“

Der Chip ist 4 x 6 cm groß, enthält kleine Vertiefungen, in denen die Organoide des Gehirns wachsen. Jedes ist mit nährstoffreicher Flüssigkeit gefüllt, die automatisch ein- und ausgepumpt wird wie die Flüssigkeiten, die durch das menschliche Gehirn spülen. Mit dem Chip konnten die Forscher sieben Tag lang das Wachstum eines Gehirnorganoids beobachtet. Es zeigte sich, dass die Gehirnzellen im Chip gedeihen können.

Forscher können mit im Labor kultiviertem Hirngewebe untersuchen, wie das Gehirn einzelner Patienten auf verschiedene Arten von Medikamenten reagiert. Bisher geschah das in geschlossenen Schalen, um Kontaminationen mit Mikroorganismen in der Luft zu vermeiden. So können jedoch keine Nährstoffe wie Aminosäuren, Vitamine, Salze und Glukose hinzugefügt werden oder von Zellen produzierten Abfall entfernen und die Zellen sterben nach wenigen Tagen.

Aufnahmen der Organoide im Bioreaktor
Es zeigte sich, dass die Gehirnzellen im Chip gedeihen können (im Bild: Aufnahmen des Gewebes) (Bild © Ikram Khan und Team).

3D-gedruckter Chip aus biokompatiblem Harz

Forscher haben winzige Röhrchen hinzugefügt, um das Gewebe mit Nährstoffen zu versorgen. Da diese Geräte undurchsichtig sind, lässt es sich nicht beobachten, was gerade in der Schale passiert. Das von Khan und seinen Kollegen entwickelte einfachere Gerät kombiniert eine wachsende Plattform, winzige Röhrchen, Arzneimittelinjektionskanäle und ein Flüssigkeitserwärmungsfach auf einem einzigen mit 3D-Druck hergestelltem Chip aus biokompatiblem Harz. Die Bioreaktoren steuern den Fluss der Nachfüllflüssigkeit und die Abfallgewinnung durch die Röhrchen in einem geschlossenen Inkubator. Gleichzeitig bieten sie völlige Sichtbarkeit.

Die Forscher testeten ihr System, indem sie vom menschlichen Gehirn differenzierte Stammzellen in den Vertiefungen und den Flüssigkeitsfluss durch den Chip platzierten. Mit einem Mikroskop über der Plattform beobachteten sie die Entwicklung des Gehirngewebes, bis die Organoide keinen Platz mehr hatten. Sie sahen, wie sich die Zellen vermehrten und eine ventrikelartige Struktur bildeten, ähnlich den Hohlräumen, die in echten Gehirnen zu sehen sind, wie Chloé Delépine vom MIT in dem eingangs erwähnten wissenschaftlichen Papier erklärt. Es ist das erste Mal, dass Organoide sich derart gut in einem so günstigen Gerät entwickelten. Khan möchte, dass diese Technologie Menschen weltweit erreicht, die davon profitieren könnten. Mit einem Start-up will er sein Ziel umsetzen.

Aufbau des Bioreaktors und des Testumfelds
Der Chip ist 4 x 6 cm groß und enthält kleine Vertiefungen, in denen die Organoide des Gehirns wachsen (Bild © Ikram Khan und Team).

3D-gedruckte Hilfsmittel zum Test von Medikamenten

Forscher aus Großbritannien haben vergangenen Oktober eine 3D-gedruckte Zunge entwickelt, mit der sie die Reaktion des Körpers auf Medikamente untersuchen möchten. Einem weiteren Forscherteam ist es gelungen, Medikamente auf 3D-gedrucktem Herzgewebe zu testen. Das Wake Forest Institute for Regenerative Medicine stellte erfolgreich ein Labormodell des menschlichen Körpers für Medikamententests mit dem 3D-Drucker her. All diese Entwicklungen haben den Vorteil, dass für Medikamententests weniger Versuche an Tieren oder an Menschen stattfinden müssen.

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