Bio-Tinte, Bioreaktoren, Organabdrücke: Für diejenigen, die mit dem 3D Gewebedruck nicht vertraut sind, mag das nach Science-Fiction klingen. Wir haben im Forschungszentrum János Szentágothai der Universität Pécs von der Technologie erfahren, die verspricht, das Gesundheitswesen zu revolutionieren, wo Forscher unter anderem daran arbeiten, den kleinsten Knochen des menschlichen Körpers zu drucken: den Steigbügel.
Verfasst von Miklós Stemler
Ein Merkmal der unglaublich teuren Technologien ist, dass sie gar nicht so teuer aussehen – und genau das würden wir denken, wenn wir uns das Gewebedruck-Labor im Forschungszentrum János Szentágothai der Universität Pécs ansehen. Die meisten Geräte hier sind aus traditionellen Zellzuchtlaboren bekannt, was natürlich kein Zufall ist: Einerseits ist es für den Gewebedruckprozess notwendig, Zellen am Leben zu erhalten, und andererseits passieren wichtige Ereignisse auf mikroskopischer Zellebene, daher dienen die sich ständig weiterentwickelnden und wechselnden Werkzeuge dieser Miniaturwelt.
Ein Bürodrucker mit Extras
Dies gilt für die Geräte, die wir uns angesehen haben, wo durchschnittlich aussehende Laborgeräte Hundertmillionen kosten. Wie wir von Professor Dr. Judit Pongrácz, Leiterin des Instituts für Pharmazeutische Biotechnologie der Universität Pécs, ist eines ihrer wichtigsten Werkzeuge ein Dreikanal-Bioprinter, das heißt, er kann drei verschiedene Arten von Zellen oder jede beliebige Kombination davon drucken. Für einen Laien bedeutet das nicht viel, aber unser Leitfaden hat ein anschauliches Beispiel gegeben, um den Prozess des Biodrucks zu beschreiben. „Am einfachsten ist es, sich einen Farbdrucker vorzustellen, der mehrere Patronen für die Farberzeugung hat: eine ist gelb, die andere rot. Anstelle von Farbkartuschen verwenden wir verschiedene Arten von Zellen, die die „Buchstaben“ erzeugen. Im Gegensatz zu einem normalen zweidimensionalen Bürodrucker geht der Bioprinter mehrmals über denselben Buchstaben und verleiht ihm so die nötige Dicke.“
Bioprinting hat daher zwei sehr wichtige Vorteile gegenüber einfachen Zellkulturen: Es kann mehrere Arten von Zellen in beliebiger Kombination in eine dreidimensionale Struktur bringen, genauso wie wahren, funktionierenden Geweben und Organe aufgebaut sind. Dies ist der erste Schritt, dem viele weitere folgen oder hoffentlich folgen werden. Es gibt mehrere Endpunkte. Am spannendsten ist ein funktionierendes, implantierbares menschliches Organ, aber bis dahin gibt es viele Probleme, die von Forschern gelöst werden müssen – auch wenn Bio- und Gewebedruck eine große Rolle in verschiedenen Therapiemethoden und Forschungen spielen. Ein weiterer Endpunkt ist die Modellierung von Organen und deren Erkrankungen, die Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Medikamente und ihrer Kombinationen sowie zur toxikologischen Analyse bietet.
Die Stammzellenrevolution
Der Grundstein des Bioprintings ist die Zelle, von der viele benötigt werden, da ein menschliches Organ aus Milliarden von ihnen besteht. Lange Zeit war das Erreichen der kritischen Zellzahl das Haupthindernis: Es wurde aber durch eine Nobelpreisträger-Entdeckung gelöst. Der Durchbruch bei der Erhöhung der Zellzahlen geschah 2006, erinnert sich Dr. Judit Pongrácz. Zu diesem Zeitpunkt verwandelte ein japanischer Forscher, Jamanaka Sinja, erfolgreich erwachsene Mauszellen in Stammzellen; Zellen, die in andere Zelltypen „umprogrammiert“ werden können. Ein Jahr später wiederholte der Forscher den Vorgang erfolgreich an menschlichen Zellen. Die Entdeckung wurde 2012 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet und ist für die auf die Nutzung der heilenden Eigenschaften des menschlichen Körpers abzielende regenerative Medizin, von enormer Bedeutung – sie bietet die Möglichkeit, die sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen zur Reparatur von beschädigtem Gewebe zu verwenden. Diese Methode ermöglicht es, eine große Anzahl von Zellen relativ schnell und einfach zu züchten und sie dann für eine bessere Untersuchung unserer Organe und Gewebe zu verwenden, wodurch neue Heilmethoden entwickelt werden.
Die Verwendung von induzierten Stammzellen bedeutet es, dass solche Therapien wie der Ersatz von abgestorbenem Herzgewebe nach einer Herzkranzgefäßerkrankung möglich und alltäglich werden könnten (diese wurden bisher nur an Tieren getestet). All dies ist natürlich nicht so einfach, wie es sich anhört: Bis die wirklich effizienten Zelltransplantationslösungen für den menschlichen Gebrauch gefunden werden, müssen viele Versuche und Experimente durchgeführt werden. Forscher und Kliniker hatten eine wichtige Entdeckung, als sich herausstellte, dass das Verhalten der implantierten Zellen von der Zellumgebung beeinflusst wird (das bedeutet, dass Zellen, die in eine erkrankte Umgebung implantiert werden, selbst krank werden), und dies war die Grundlage für die Entwicklung des Bioprinting. wo die Gewebereproduktion in komplexer Form erfolgt, mit dem Ziel, Gewebe oder ganze Organe, statt einzelner Zellen zu transplantieren.
All dies führte zu noch mehr zu lösenden Problemen. Die Reproduktion eines Organs erfordert nicht nur den richtigen Zelltyp, sondern auch umfangreiches Wissen darüber: wie der Aufbau des Organs aussieht, seine Morphologie während der Funktion. Organe existieren nicht getrennt voneinander, sondern als Teil des körpereigenen Ökosystems, daher ist es auch für die Langlebigkeit des biogedruckten Gewebes notwendig, diese Umgebung zu kennen und neu zu erschaffen. Das heißt, bevor wir mit dem Drucken eines Organs beginnen können, müssen wir das Organ und seine Umgebung mit modernsten bildgebenden Verfahren analysieren.
Der Zauberstab-Effekt
Danach kann der eigentliche Druck beginnen, mit dem Ziel, die dreidimensionale Struktur des Gewebes nachzubilden. Hier gibt es schon unterschiedliche Arbeitsmethoden: von komplexen Organen wie dem Herzen sind wir aber noch weit entfernt – aber es gibt Beispiele für Knorpel und Knochen. „Wenn ein Knochen bei einem Unfall beschädigt wird und die einzige Option der Ersatz ist, ist es jetzt möglich, Knochen in verschiedenen Labors zu reifen, nachdem die notwendige Stützstruktur geschaffen und der richtige Zelltyp implantiert wurde“, erklärt Dr. Judit Pongrácz.
Das Wort „Reifen“ wird bewusst verwendet, da neben der räumlichen Anordnung auch die vierte Dimension – die Zeit – wesentlich ist: gedruckte Orgeleinweihungen müssen sich genauso entwickeln und wachsen wie ihre traditionell gewachsenen Pendants. Dazu braucht es eine Umgebung der eines lebenden Systems ähnlich, das nennen wir Bioreaktoren, in denen sich die Organinitiationen entwickeln können. Neben der Schaffung der nötigen Umgebung muss das junge Gewebe auch trainiert werden, damit es auch in Zukunft richtig funktioniert und sich zu echtem, funktionsfähigem Knorpel oder Knochen entwickelt, der der Gewichtsbelastung standhalten kann. Ebenso können wir funktionstüchtige Lungen nur in einer Umgebung schaffen, die reale Umstände simulieren kann, da die Bewegung des Lungengewebes und sein Kontakt mit Luft die Entwicklung eines gesunden, funktionstüchtigen Organs bestimmen.
Das alles bedeutet viel Experimentieren und temporärer Misserfolg. „Wir müssen Schritt für Schritt herausfinden, welche Arten von Zellen wir verwenden müssen, in welcher Umgebung sie gedeihen, wie Nährstoffe zu den einzelnen Zellen gelangen, welche Wechselwirkungen stattfinden. Wenn wir alles richtig zusammensetzen und die wichtigsten Faktoren richtig einstellen, werden wir sehen, dass unsere Laborzellen das tun, was sie tun sollen, als hätten wir einen Zauberstab geschwenkt – es zeigt den Lohn für die lange Zeit des Experimentierens. ”
Bio-Tinten – nicht mehr nur ein Traum
Die größte Herausforderung für den Bioprinter besteht darin, dreidimensionale Strukturen zu schaffen und gedruckte Zellen dazu anzuregen, diese zu bilden. In diesem Bereich gab es in den letzten Jahren mehrere Durchbrüche, und jetzt gibt es sogenannte Basismatrizen, die helfen können, die Entwicklung der bedruckten Gewebe zu fördern. Diese Basismatrizen sind besonders wichtig bei der Schaffung von Weichgewebe. Während beim Knochendruck das Umreißen der richtigen Form und Größe des gedruckten Organs durch die Verwendung vorgedruckter und resorbierbarer Basisstrukturen erfolgt, können Weichgewebezellen geformt und dazu angeregt werden, Gewebeformationen mit den Basismatrizen zu bilden. Besonders beliebt wurden weiche Matrizen, da auch die harte Grundstruktur Probleme aufwerfen, da diese nach Fertigstellung und Implantation des Gewebes ohne Gefährdung des Wirtskörpers resorbiert werden müssen.
Um die vorgedruckten Rahmen zu ersetzen, wurden Technologien und Materialien entwickelt, die das unabhängige Zellwachstum anregen können, um selbst Strukturen zu schaffen – dies sind die sogenannten Bio-Tinten. „Während bei herkömmlichen Rahmenstrukturen werden die Zellen daran gefügt, während der Verwendung von Bio-Tinte kann man das sich entwickelnde Gewebe umgeben und eine durchlässige Barriere schaffen, die die Zellen schützt und die ideale Umgebung bietet, aber dennoch für Nährstoffe und Sauerstoff durchlässig ist“, erklärt Dr. Judit Biri-Bovári, Mitglied der Forschungsgruppe.
Bio-Tinten bieten viel künstlerische Freiheit, fügt Dr. Judit Pongrácz, was wichtig ist, weil der Gewebedruck weithin für pharmazeutische Tests verwendet wird, bei denen individuell hergestellten Geweben es ermöglichen, die Wirkung neuer Substanzen so weit wie möglich zu testen. Den ersten Schritt dazu lieferten induzierte Stammzellen, die die Erstellung und Analyse von Krankheitsmodellen aus patienteneigenen erkrankten Zellen ermöglichten, und Bioprinting ermöglicht die hochgenaue Nachbildung der Umgebung im menschlichen Körper.
Dies ist vor allem in präklinischen Studien wichtig, in denen mögliche schwerwiegende Nebenwirkungen in einer Umgebung herausgefiltert werden können, die den menschlichen Körper mit biogedruckten komplexen Geweben modelliert – dies wird Studien im klinischen Stadium mit Menschen viel sicherer machen. Wenn die Wirksamkeit einer Komponente unterdurchschnittlich ist, kann dies außerdem bereits in diesem Stadium erkannt werden, was eine große Zeit- und Kostenersparnis bedeutet. Alle diese Tests können an zahlreichen von dreidimensionalen Gewebeproben mit kontinuierlicher Datenanalyse durchgeführt werden und somit auch Probleme durch genetische Unterschiede erkannt werden.
Toxikologie- und Wirksamkeitsstudien von Medikamenten und Wirkstoffkandidaten sind ein wichtiger Teil der Forschung von Dr. Judit Pongrácz. „Einer der wichtigen Bereiche ist das Testen von Arzneimitteln für seltene Krankheiten. Die Mechanismen der Krankheit kennenzulernen und dann die Auswirkungen bereits zugelassener Medikamente auf bedrucktes Gewebe zu analysieren, ist spannend und bietet Möglichkeiten, die viel Hoffnung in Therapien geben“, erklärt die Leiterin der Forschung.
Vom kleinsten Knochen bis zum Kreislaufsystem
Obwohl wir immer noch durch viele Probleme von biogedruckten, nicht abgestoßenen Lebern oder Herzen getrennt sind, hat Bioprinting bereits mehrere klinische Anwendungsfälle. Viele Labore haben Erfolg bei der Herstellung von Ohr- oder Knieknorpeln erzielt, die den Ersatz und die Wiederherstellung von beschädigtem Gewebe ermöglichen können.
Ein weiterer großer Sprung wurde auf dem Gebiet des Druckens von Knochen gemacht, Forscher in Pécs arbeiten an einem solchen Projekt mit den Ärzten der Klinik für HNO und Kopf-Halschirurgie, darunter Dr. Péter Bakó und Dr. Máté Kocsis und Dr. Péter Maróti vom 3D-Zentrum. Sie arbeiten am kleinsten Knochen des Körpers, dem Steigbügel im Ohr, der aufgrund seiner geringen Größe eine Herausforderung darstellt. Es ist nur 3,3 x 2,8 Millimeter groß und seine einzigartige Form macht das Drucken schwierig, was echte Teamarbeit erfordert. „Wir haben noch nicht erwähnt, dass wir Teil einer größeren Gruppe sind. Experten und Radiologen, die sich mit der Struktur und Funktion eines bestimmten Organs auskennen, machen die bestmögliche Abbildung des druckbaren Organs möglich, und hier kommen wir ins Spiel und schaffen daraus ein lebenswertes Gewebe“ – beschreibt Dr. Judit Pongrácz.
Neben der klinischen Zusammenarbeit beim Knochendruck beschäftigen sich die Forscher in Pécs auch mit Weichgewebe und dem verbindenden Kreislaufsystem. Das Schöne an diesem Gebiet ist laut Forschern, dass immer mehr Details über die Funktionen und das Verhalten von Geweben während ihres Druckens oder manchmal sogar unerwartete Wechselwirkungen ans Licht kommen. Ihr „Feedback“ kann helfen, Fortschritte beim Kennenlernen des komplizierten Systems des menschlichen Körpers zu machen.
Das ist es, was auch immer mehr Student*innen zum Bioprinting hinzieht, wie ein Mitglied der Forschung Alexandra Nagy Masterstudentin Biotechnologie, die an dem Projekt zur Differenzierung von Stammzellen in Fettzellen arbeitet. „Für mich ist dieses Feld sehr spannend, weil es direkt mit dem Kennenlernen von Medikamentenzielen, dem Testen entwickelter Medikamente und dem Korrigieren von Fehlern in Geweben verbunden ist, was uns hilft, noch mehr zu lernen. Der Gewebedruck wirft viele Fragen auf, auf die wir alle gerne eine Antwort hätten – und dann führen die Antworten zu noch mehr Fragen“, sagt sie.
Diese Aufregung treibt Forscher weltweit an, wie Dr. Judit Pongrácz und ihre Kollegen, die seit 26 Jahren mit dreidimensionalen Geweben arbeiten. Sie wollen den alten Traum verwirklichen: die Regenerationsfähigkeit von lebendem Gewebe zu nutzen, um es zur Heilung und Lebensverlängerung einzusetzen.
Fotos:
Lajos KALMÁR