Deutsche Forscher vom Universitätsklinikum Heidelberg haben mit 3D-Druck ein neuartiges Gewebe entwickelt, das Insulin selbst produzieren kann. Für Patienten, die an Diabetes erkrankt sind oder denen ein Teil der Pankreas (Bauchspeicheldrüse) fehlt, würde das eine wesentliche Verbesserung ihrer Lebensqualität bedeuten. Wir stellen die Arbeit zum 3D-Bioprinting der Forscher aus Baden-Württemberg einmal genauer vor.
Insulin ist ein lebenswichtiges Hormon. Produziert die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) zu wenig davon, sei es wegen einer Diabeteserkrankung oder einer operativen Entfernung eines Teiles der Pankreas, dann hat der Patient ein gesundheitliches Problem. Das Insulin kann zwar gespritzt werden, jedoch ist es oft schwierig, die genaue Dosierung zu finden. Die Betroffenen leben mit der Gefahr einer Unterzuckerung, eines Schocks oder im schlimmsten Fall fallen sie ins Koma.
Ein biogedrucktes, künstliches Gewebe könnte laut einer Pressemitteilung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) Abhilfe schaffen. Dieses ist in der Lage eigenständig Insulin zu produzieren und könnte die Funktion natürlicher Bauchspeicheldrüsen ersetzen. Das würde die Lebensqualität der Betroffenen verbessern und die Notwendigkeit von Spenderorganen reduzieren.
Details zum 3D-gedruckten Gewebe
Entwickelt wurde das Gewebe von einem Forschungsteam des Eurostars-Projekts 3D-PIVOT.
Gabriel Salg vom Universitätsklinikum Heidelberg erklärt:
„Auf natürlichem Wege wird das Insulin in den sogenannten Langerhans-Inseln produziert. Das sind sehr kleine Gewebeinseln in der Bauchspeicheldrüse. Deren Funktionsweise wollen wir nachahmen.“
Das 3D-PIVOT-Team brauchte zunächst einen Träger mit dem das neue Zellgewebe im Körper eingesetzt werden kann. Der Träger muss die sehr sensiblen Zellen schützen können und durchlässig sein, damit diese mit Sauerstoff und allen weiteren nötigen Nährstoffen versorgt werden. Dazu soll ein „Mehrkomponenten-Hilfsmittel“ aus einer 3D-gedruckten Außenhülle aus Polymer-Kunststoff, dem eigentlichen Träger, helfen. Gitterartig aufgebaut und geformt wie eine Rohrklammer besteht er aus einer biogedruckten Innenschicht, die sich aus Hydrogel-Trägermaterial und den Zellen zusammensetzt. So soll das Hilfsmittel gefäßumschließend im Körper angebracht werden. Damit die überlebenswichtigen Nährstoffe in den 3D-gedruckten Zellen ankommen, müssen diese eigene Blutgefäße ausbilden.
Salg erklärt:
„Die eigene Blutversorgung ist für unser biogedrucktes Organ ganz entscheidend, weil letztlich die Konzentration des Zuckers im Blut darüber entscheidet, ob ausreichend Insulin von den Zellen ausgeschieden wird, oder nicht. Außerdem muss das von den Zellen produzierte Insulin ja auch wieder in den Blutkreislauf zurückgelangen, um überhaupt wirken zu können.“
Biotinte aus Hydrogel mit lebenden Zellen
Der 3D-Biodrucker druckt nicht nur Zellen, er kann sie auch wärmen. So stirbt das Zellmaterial nicht sofort ab. Außerdem können mehrere Materialien gleichzeitig gedruckt werden. Mit einer Biotinte aus Hydrogel und lebendem Zellmaterial druckt der Drucker eine dreidimensionale Form, ein neues Organ, in den Träger, das anschließend mit UV-Licht ausgehärtet wird. Die Forscher haben für den Prototypen eine Zelllinie von der Ratte in Zellkultur gezüchtet und dann in das Hydrogel eingebracht. Die Zellen produzierten auch als 3D-biogedrucktes Gewebe Insulin.
Die Zellen für die künstlichen Bauchspeicheldrüsen sollen langfristig von den Patienten selber kommen. Mit den Körperzellen der Erkrankten zu drucken reduziert die Gefahr von Abstoßungs- oder Kreuzreaktionen. Dank des Trägers und der Stützstruktur im Hydrogel sind sie zudem robuster als Zellen von herkömmlich transplantierten Bauchspeicheldrüsen, die sehr schnell absterben können.
Mit der Firma ASD erforschten sie den Blutfluss natürlicher Bauchspeicheldrüsen und simulierten es für künstliche Pankreata. Das insulinproduzierende Gewebe entstand in nur drei Jahren.
Die Arbeit der Forscher wurde unter dem Titel „The emerging field of pancreatic tissue engineering: A systematic review and evidence map of scaffold materials and scaffolding techniques for insulin-secreting cells“ veröffentlicht. Über die weiteren Entwicklungen in diesem Bereich berichten wir auch zukünftig im 3D-grenzenlos Magazin (Newsletter abonnieren).