3D-gedruckte Blutgefäße bringen künstliche Organe der Realität näher

Die Züchtung funktionsfähiger menschlicher Organe außerhalb des Körpers ist ein lang gesuchter und noch immer unerreichbarer „Heiliger Gral“ der Organtransplantationsmedizin. Neue Forschungsergebnisse des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und der John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) in Harvard bringen dieses Ziel nun einen großen Schritt näher an die Vollendung.

Ein Forscherteam hat eine neue Methode entwickelt, um 3D-gedruckte Gefäßnetzwerke herzustellen. Diese bestehen aus miteinander verbundenen Blutgefäßen, die eine ausgeprägte „Hülle“ aus glatten Muskelzellen und Endothelzellen besitzen, die einen hohlen „Kern“ umgeben, durch den Flüssigkeit fließen kann. Der Kern ist in menschliches Herzgewebe eingebettet. Diese Gefäßarchitektur ähnelt stark der von natürlich vorkommenden Blutgefäßen und stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zur Herstellung implantierbarer menschlicher Organe dar.

Die Leistung ist veröffentlicht In Fortgeschrittene Werkstoffe.

„In früheren Arbeiten haben wir eine neue 3D-Biodruckmethode entwickelt, die als ‚Opferschreiben in funktionellem Gewebe‘ (SWIFT) bekannt ist und mit der hohle Kanäle innerhalb einer lebenden Zellmatrix strukturiert werden können. Aufbauend auf dieser Methode führen wir hier koaxiales SWIFT (Co-SWIFT) ein, das die mehrschichtige Architektur natürlicher Blutgefäße nachahmt. Dadurch wird die Bildung eines vernetzten Endothels erleichtert und das Gewebe ist robuster, um dem inneren Druck des Blutflusses standzuhalten“, sagte Erstautor Paul Stankey, ein Doktorand bei SEAS im Labor der Co-Seniorautorin und Wyss Core-Fakultätsmitglied Jennifer Lewis, Sc.D.

Die wichtigste Innovation, die das Team entwickelte, war eine einzigartige Kern-Hülle-Düse mit zwei unabhängig steuerbaren Flüssigkeitskanälen für die „Tinten“, aus denen die gedruckten Gefäße bestehen: eine kollagenbasierte Hüllentinte und eine gelatinebasierte Kerntinte. Die innere Kernkammer der Düse ragt etwas über die Hüllenkammer hinaus, sodass die Düse ein zuvor gedrucktes Gefäß vollständig durchstechen kann, um miteinander verbundene Verzweigungsnetzwerke für eine ausreichende Sauerstoffversorgung menschlicher Gewebe und Organe durch Perfusion zu schaffen. Die Größe der Gefäße kann während des Druckens durch Ändern der Druckgeschwindigkeit oder der Tintenflussrate variiert werden.

Um zu bestätigen, dass die neue Co-SWIFT-Methode funktioniert, druckte das Team zunächst seine mehrschichtigen Gefäße in eine transparente körnige Hydrogelmatrix. Als nächstes druckten sie Gefäße in eine kürzlich entwickelte Matrix namens uPOROS, die aus einem porösen Material auf Kollagenbasis besteht, das die dichte, faserige Struktur von lebendem Muskelgewebe nachbildet. In beiden dieser zellfreien Matrizen konnten sie erfolgreich verzweigte Gefäßnetzwerke drucken. Nachdem diese biomimetischen Gefäße gedruckt waren, wurde die Matrix erhitzt, wodurch das Kollagen in der Matrix und der Schalentinte vernetzte und die Opfertinte im Gelatinekern schmolz, was ihre einfache Entfernung ermöglichte und ein offenes, durchblutbares Gefäßsystem erzeugte.

Das Team wandte sich noch biologisch relevanteren Materialien zu und wiederholte den Druckvorgang mit einer Tintenhülle, die mit glatten Muskelzellen (SMCs) angereichert war, die die äußere Schicht menschlicher Blutgefäße bilden. Nachdem die Tinte aus dem Gelatinekern herausgeschmolzen war, ließen sie Endothelzellen (ECs), die die innere Schicht menschlicher Blutgefäße bilden, in deren Gefäßsystem perfundieren. Nach sieben Tagen Perfusion waren sowohl die SMCs als auch die ECs lebendig und funktionierten als Gefäßwände – die Durchlässigkeit der Gefäße war im Vergleich zu Gefäßen ohne ECs um das Dreifache gesunken.

Schließlich waren sie bereit, ihre Methode in lebendem menschlichem Gewebe zu testen. Sie konstruierten Hunderttausende von Herzorganbausteinen (OBBs) – winzige Kugeln aus schlagenden menschlichen Herzzellen, die zu einer dichten Zellmatrix komprimiert sind. Anschließend druckten sie mithilfe von Co-SWIFT ein biomimetisches Gefäßnetzwerk auf das Herzgewebe. Schließlich entfernten sie die Kerntinte und bestückten die Innenfläche ihrer mit SMC beladenen Gefäße durch Perfusion mit ECs und bewerteten deren Leistung.

Diese gedruckten biomimetischen Gefäße zeigten nicht nur die charakteristische Doppelschichtstruktur menschlicher Blutgefäße, sondern nach fünf Tagen Perfusion mit einer blutähnlichen Flüssigkeit begannen die Herz-OBBs auch synchron zu schlagen – ein Hinweis auf gesundes und funktionsfähiges Herzgewebe. Die Gewebe reagierten auch auf gängige Herzmedikamente – Isoproterenol ließ sie schneller schlagen und Blebbistatin stoppte sie am Schlagen. Das Team druckte sogar ein Modell der verzweigten Gefäße der linken Koronararterie eines echten Patienten in OBBs und demonstrierte damit das Potenzial dieser Methode für die personalisierte Medizin.

„Es ist uns gelungen, anhand der Daten eines echten Patienten erfolgreich ein Modell der Gefäße der linken Koronararterie im 3D-Druckverfahren herzustellen. Dies demonstriert den potenziellen Nutzen von Co-SWIFT für die Schaffung patientenspezifischer, vaskularisierter menschlicher Organe“, sagte Lewis, der auch Hansjörg Wyss-Professor für biologisch inspirierte Technik an der SEAS ist.

In zukünftigen Arbeiten plant Lewis‘ Team, selbstorganisierte Kapillarnetzwerke zu erzeugen und diese in ihre 3D-gedruckten Blutgefäßnetzwerke zu integrieren, um die Struktur menschlicher Blutgefäße im Mikromaßstab vollständiger nachzubilden und die Funktion im Labor gezüchteter Gewebe zu verbessern.

„Zu sagen, dass es schwierig ist, im Labor funktionsfähiges menschliches Gewebe zu konstruieren, ist eine Untertreibung. Ich bin stolz auf die Entschlossenheit und Kreativität, mit der dieses Team bewiesen hat, dass es tatsächlich bessere Blutgefäße in lebendem, schlagendem menschlichem Herzgewebe konstruieren kann. Ich freue mich auf ihren weiteren Erfolg bei ihrem Bestreben, eines Tages im Labor gezüchtetes Gewebe in Patienten zu implantieren“, sagte Wyss-Gründungsdirektor Donald Ingber, MD, Ph.D. Ingber ist außerdem Judah Folkman-Professor für Gefäßbiologie an HMS und Boston Children’s Hospital und Hansjörg Wyss-Professor für biologisch inspirierte Technik an der SEAS.

Weitere Autoren des Papiers sind Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort und Sebastien Uzel.