Forscher der TU Wien haben eine Methode entwickelt, mit der sie künstliches menschliches Gewebe auf einen Chip im 3D-Druckverfahren drucken können. Davon könnten unter anderem pharmazeutische Unternehmen profitieren, die mit diesen Chips Medikamente testen wollen und könnten so auf Tierversuche verzichten. Wir stellen die Arbeit der österreichischen Forscher vor.

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An der TU Wien haben Forscher laut einer Pressemitteilung mit Multi-Photonen-Lithographie künstliches menschliches „Gewebe auf einem Chip“ (Organ-on-a-Chip) hergestellt. Tierversuche könnten damit künftig überflüssig werden. Die Forscher lenkten mit der laserbasierten Methode einzelne Zellen an bestimmte Orte innerhalb des Hydrogels und bildeten dadurch reproduzierbare Gewebesysteme. Unter genau kontrollierten Bedingungen können die Gewebe auf einem Chip untersucht werden. Damit ließe sich zum Beispiel die Wirksamkeit neuer Medikamente testen.

In ihrer Arbeit mit dem Titel „Guiding cell migration in 3D with high-resolution photografting“ haben die Forscher ihre Ergebnisse im Fachjournal Scientific Reports präsentiert. In einem anderen Forschungsprojekt gelang es MIT-Forschern, Gehirngewebe auf einem 5-US-Dollar-Chip aus dem 3D-Drucker zu züchten.

Künstliches menschliches Gewebe auf einem Chip

Gewebestrukturen werden in einem Labor häufig mit lebenden Zellen eingebettet in ein Hydrogel hergestellt. Normalerweise ist das Hydrogel ein biokompatibles Material mit Eigenschaften, die biologischem Gewebe sehr ähneln. Der Prozess, dass Zellen durch das Hydrogel wandern und ein Gewebe bilden, ließ sich bisher nur schwer präzise steuern und auf einen bestimmten Bauplan lenken. Multi-Photonen-Lithographie-Techniken können jedoch mit einem Laser komplizierte 3D-Mikrostrukturen mit Strukturgrößen von nur 100 nm in lichtempfindlichen Materialien erzeugen. Indem die biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften der Hydrogelmatrix verändert wird, können die Forscher die Mikroumgebung von Zellen präzise steuern.

Schematische Darstellung des Multi-Photonen-Lithographie-Prozesses
Die Forscher entwickelten eine Methode, mit dem sie menschliches Gewebe auf einen Chip in 3D drucken konnten (im Bild: schematische Darstellung des Prozesses)(Bild © Scientific Reports).

Forschungsgruppe 3D-Druck und Biofrabrikation an der TU Wien

Professor Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe 3D-Druck und Biofrabrikation an der TU Wien, erklärte, dass der Erfolg auf der Zugabe spezieller Moleküle beruht, die die physikalischen Eigenschaften des Hydrogels verändern, wenn sie durch einen Laser aktiviert werden. An der Kontaktstelle mit dem Laser wird das Hydrogel weicher und durchlässiger. Im gesamten Hydrogel entstehen vorgegebene Pfade, an denen entlang Zellen wandern können.

Simon Sayer von der TU Wien sagte:

„Das Molekül koppelt an das Netzwerk des Hydrogels, an dieser Stelle wird das Netzwerk hydrophiler. Dadurch verändern sich die physikalischen Eigenschaften, und so lässt sich ein 3D-Muster erzeugen, das die Zellen leichter passieren können als anderswo.“

Zellstrukturen ahmen biologische Funktionen nach

Die Forscher sind in der Lage, innerhalb des Hydrogels stern- oder gitterförmige Zellstrukturen zu erzeugen, die biologische Funktionen wie Blutgefäße nachahmen. Anschließend platzieren sie die Gewebestrukturen auf einem wenige Zentimeter großen Chip und versorgen diesen gezielt mit bestimmten Nährstoffen oder pharmazeutischen Wirkstoffen. Die Gewebe interagieren miteinander, wodurch das Team ohne Tierversuche wichtige Informationen über die Wirkung der Medikamente sammeln kann. Strukturen wie Blutgefäße können außerdem genau an der richtigen Stelle gedruckt werden, während die Komplexität maßgeschneiderter Gewebeproben deutlich erhöht wird.

Sternförmige Muster wurden angefertigt (links), in die Zellen dann nach und nach hineinwandern (rechts)
Die Zellen konnten in die 3D-gedruckten Muster hineinwachsen (im Bild: sternförmige Muster wurden angefertigt (links), in die Zellen dann nach und nach hineinwandern (rechts))(Bild © TU Wien).

Tommaso Zandrini von der TU Wien ergänzte:

„Das funktioniert aber nur, wenn wir die Eigenschaften dieser Gewebe genau steuern können. Erstens müssen diese Experimente reproduzierbar sein, also wenn man mehrere Gewebeproben mit exakt gleicher Mikrostruktur haben will, und zweitens muss man die unterschiedlichen Proben auch exakt zuordnen können – zum Beispiel, wenn man die Wechselwirkung zwischen einem kleinen Stück Herzmuskelgewebe und einem kleinen Stück Lebergewebe untersucht.“

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