Forschern vom britischen Unternehmen POSTECH ist die Entwicklung einer künstlichen Lunge mit dem Inkjet-Bioprinting-Verfahren gelungen. Schwerpunkt war der 3D-Druck einer Alveolarmembran. Sauerstoff und Kohlendioxid bewegen sich durch diese hauchdünne, dreilagige Schicht, was die Herstellung einer künstlichen Membran bisher unmöglich machte.

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Die äußerst dünne Dicke sowie komplexe Struktur der menschlichen Lunge machten es bisher unmöglich, ein künstliches Modell zu experimentellen Zwecken zu erstellen. Dem Forschungsteam von POSTECH ist es jedoch kürzlich gelungen, mithilfe von 3D-Druck ein künstliches Lungenmodell herzustellen, das menschliche Alveolarzelllinien enthält und als Testplattform für Impfstoffe und Therapeutika genutzt werden kann. Die Arbeit der Forscher wurde unter dem Titel „All‐Inkjet‐Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture“ (Link) veröffentlicht.

Dreidimensionales Lungenmodell ermöglicht hohen Simulationsgrad

Mithilfe des Inkjet-Bioprintings, bei dem eine Tinte aus einer organischen Substanz im 3D-Druckverfahren ein Objekt schichtweise aufbaut, ist es dem Forschungsteam der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Pohang (POSTECH) gelungen, ein dreidimensionales Lungenmodell herzustellen. Die genannte 3D-Druck-Technologie zieht in diesem Forschungsbereich schon länger die Aufmerksamkeit auf sich und kommt bei der Produktion von patientenspezifischem Gewebe zum Einsatz.

Die menschliche Lunge nimmt nicht nur den für Lebensaktivitäten notwendigen Sauerstoff auf, sondern scheidet auch das Kohlendioxid aus dem Körper aus, der dabei als Nebenprodukt entsteht. Über die Atemwege gelangt der Sauerstoff in den Körper und wird durch Kohlendioxid ersetzt. Dieses wird dann vom Blut durch die Kapillaren der Alveolen transportiert, die aus einer dünnen Schicht von Epithelzellen bestehen. Sauerstoff und Kohlendioxid bewegen sich durch die sogenannte Alveolarmembran, die eine dreischichtige Struktur sowie eine sehr dünne Dicke aufweist. Aus diesem Grund gab es bei der genauen Replikation von Alveolen, besser bekannt als Lungenbläschen, mit einer so komplexen und dünnen Struktur bisher große Einschränkungen.

3D-gedrucke Lungenbläschenmembran
Die schematische Darstellung zeigt die 3D-gedruckte Alveolenmembran (Bild © POSTECH)

Dem Forscherteam von POSTECH ist es nun zum ersten Mal gelungen, ein dreischichtiges Alveolarbarrierenmodell zu reproduzieren, das eine Dicke von etwa 10 μm aufweist. Dazu wurden unter Verwendung von Hochpräzisions-Tintenstrahldruck der organischen Substanz Alveolarzellen mit hoher Auflösung laminiert, wodurch das hergestellte Modell im Vergleich zu bisherigen dreidimensionalen unstrukturierten Modellen sowie dem zweidimensionalen Zellkulturmodell einen hohen Simulationsgrad ermöglicht. Mehr über Bioprinting erfahren Sie zum Beispiel hier.

Testplattform für Impfstoffe und Therapeutika

Das Forscherteam stellte auch fest, dass das hergestellte Modell auf ähnliche Weise wie auf der tatsächlichen Gewebeebene die physiologische Reaktion reproduzierte. Während Zellen und Gewebe bereits erfolgreich mithilfe von Bioprinting hergestellt werden, ist dies das erste Mal, dass die Alveolen-Barriere mit einer dreischichtigen Struktur von 10 μm Dicke simuliert wird. Es ist auch das erste Mal, dass bei 3D-gedruckten Modellen eine antivirale Reaktion beobachtet wird.

Daher könnte dieses künstliche Gewebe auch als erste Plattform für die Bewertung der Wirksamkeit von Impfstoffen und Therapeutika auf infektiöse Atemwegsviren verwendet werden. Dadurch würde bessere Qualitätskontrolle gewährleistet und patientenspezifische Krankheitsmodellproduktion ermöglicht. Über die weitere Entwicklung im Bioprinting und beim medizinischen 3D-Druck berichten wir auch zukünftig im 3D-grenzenlos Magazin (Newsletter abonnieren).

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