Forscher erweitern die Möglichkeiten des 3D-Drucks, um Miniaturorgane des Menschen und verschiedene Produkte aus lebendem Gewebe herzustellen, darunter auch Lebensmittel.
Der 3D-Druck hat seit seinen Anfängen in den 1980er Jahren große Fortschritte gemacht und gilt heute als unverzichtbares Werkzeug in vielen Herstellungsprozessen. Doch jetzt führen Forscher wie der italienische Bioingenieur Dr. Riccardo Levato die Technik in eine neue und spannende Richtung.
Was wäre, wenn wir neben Autoteilen und Designermöbeln auch menschliche Organe drucken oder durch den Biodruck lebender Zellen menschliches Gewebe regenerieren könnten?
Levato, außerordentlicher Professor für Biofabrikation und regenerative Medizin am Universitätsklinikum Utrecht und an der Universität Utrecht in den Niederlanden, leitet ein Forscherteam aus Belgien, Italien, den Niederlanden, Schweden und der Schweiz, das genau dieses Ziel verfolgt.
Im Rahmen einer Forschungsinitiative namens ERLEUCHTEN Das von 2021 bis 2025 laufende Projekt entwickelt eine Miniatur-Bauchspeicheldrüse aus menschlichen Zellen, die im 3D-Druckverfahren hergestellt wird.
Dadurch, so hoffen sie, könnten die Tests neuer Therapien zur Behandlung von Diabetes zuverlässiger und genauer werden und vielleicht eines Tages sogar die Möglichkeit entstehen, im Labor gezüchtete Organe für menschliche Transplantationen herzustellen.
Lebendige Blaupause
Einer der wichtigsten Arbeitsstoffe dieser Forschung sind Stammzellen. Diese Zellen haben das Potenzial, sich je nach den empfangenen Signalen in viele verschiedene Arten menschlichen Gewebes zu verwandeln – Muskelzellen, Blutzellen, Gehirnzellen.
Erste Experimente zur Unterstützung von Diabetespatienten wurden mit insulinproduzierenden Zellen durchgeführt, die im Labor aus Stammzellen gezüchtet wurden. Die einfache Transplantation dieser Zellen in eine erkrankte Bauchspeicheldrüse verschafft jedoch nur kurzfristige Linderung. Laut Levato liegt das daran, dass den Zellen die nötige Unterstützung fehlt.
„Wenn man diese Zellen ohne Struktur, ohne Gefäße und ohne schützendes Material um sie herum einsetzt, sterben sie mit der Zeit ab“, sagte er. „Der Eingriff dauert nur ein paar Jahre und dann muss man ihn wiederholen.“
Levato und das ENLIGHT-Team versuchen, dieses Problem zu lösen, indem sie menschliches Gewebe, also lebende Zellen, im 3D-Druckverfahren herstellen, um dreidimensionale Implantate mit Gefäßen herzustellen. Dies ist eine Herausforderung, da lebende Zellen zerbrechlich sind und einen normalen 3D-Druckprozess nicht überstehen würden.
Die Forscher haben dieses Problem gelöst, indem sie wasserreiche Gele, sogenannte Biotinten, verwenden, die die Zellen während des Druckvorgangs transportieren und versorgen. Anschließend müssen sie in der Lage sein, den Prozess der Zelldifferenzierung so zu steuern, dass sich das Organ gemäß seiner genetischen „Blaupause“ entwickelt. Dies erreichen sie mit Licht.
Leichte Berührung
Die ENLIGHT-Forscher haben eine neuartige 3D-Drucktechnik entwickelt, bei der die zellenhaltige Biotinte mithilfe von Licht geformt wird, anstatt sie wie bei einem herkömmlichen 3D-Drucker durch eine Düse zu pressen, was die Zellen beschädigen würde.
„Wir erstellen im Wesentlichen eine Art Lichthologramm des Objekts, das wir in der Mitte dieses Mediums drucken möchten“, sagte Levato.
„An den Stellen, an denen diese dreidimensionale Lichtstruktur vorliegt, wird das Medium fest, und überall sonst bleibt es flüssig, sodass man es einfach auswaschen kann. Die Zellen sind in einer gelatineartigen Form eingeschlossen, die der extrazellulären Matrix in einem lebenden Gewebe ähnelt.“
Anschließend regen die Forscher die Zellen an, sich zu insulinproduzierenden Zellen zu entwickeln, indem sie sie Licht bestimmter Wellenlängen aussetzen.
Das Team testet seine Implantate derzeit im Labor und die Forscher hoffen, dass solche 3D-gedruckten Organoide noch vor Ende des Jahrzehnts Teil der Standardverfahren bei der Arzneimittelentwicklung werden können.
Levato gab jedoch zu bedenken, dass es deutlich länger dauern würde, die im Bioprint-Verfahren hergestellten Organoide für die Transplantation in menschliche Patienten geeignet zu machen.
Frei von Tierversuchen
Einer der Vorteile der Arbeit des ENLIGHT-Teams besteht darin, dass sie den Bedarf an Tierversuchen erheblich reduzieren könnte. Die Möglichkeit, lebensechte menschliche Organoide zu drucken, würde nicht nur die Genauigkeit von Arzneimitteltests verbessern, sondern auch das Leiden von Millionen von Labortieren vermeiden.
Dr. Massimo Vassalli, Professor für Bioingenieurwesen an der Universität Glasgow im Vereinigten Königreich, geht mit dem Konzept des 3D-Drucks von lebendem Gewebe in eine etwas andere Richtung, die jedoch möglicherweise ebenfalls das Leiden von Tieren lindern könnte.
Er leitet eine länderübergreifende Forschungsinitiative namens PRISM-LT Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kostengünstigen 3D-Drucks für eine Vielzahl lebender Gewebe. Ihre bis 2027 andauernde Arbeit könnte sowohl in der Biomedizin als auch in der Lebensmittelproduktion relevante Anwendung finden.
„Ziel des Projekts ist es, eine Plattformtechnologie zu entwickeln, die die Herstellung einer Vielzahl von lebenden Geweben für Anwendungen im Gesundheitswesen und in der Lebensmittelindustrie ermöglicht“, sagte Vassalli. „Über die offensichtlicheren medizinischen Anwendungen hinaus sehen wir eine große Rolle für 3D-Bioprinting in der nachhaltigen und sauberen Lebensmittelproduktion“, sagte er.
Die Herausforderung besteht laut Vassalli darin, komplexe heterogene Gewebe zu schaffen, die die Beschaffenheit lebender Materialien wirklichkeitsgetreu nachahmen. Fleisch enthält beispielsweise Muskelzellen und Fettzellen, aber auch Zellen, die das Bindegewebe bilden.
Um Fleisch herzustellen, das sich wie echt anfühlt, müssen die Forscher Wege finden, Stammzellen anzuweisen, genau die erforderliche Gewebeart innerhalb einer vordefinierten Struktur zu produzieren – und diesen Prozess dann über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.
Differenzierung verfeinern
Die Forscher untersuchen einen Ansatz, der symbiotische Prozesse in der Natur nachahmt. Sie mischen Bakterien oder Hefen – die Vassalli Arbeiter- oder Helferzellen nennt – mit den Stammzellen in einer 3D-Druck-Biotinte, um den Differenzierungsprozess zu steuern.
„Bei diesen Zellen handelt es sich entweder um Bakterien oder Hefen, die die Bewegungsrichtung der Zellen spüren und mit der Produktion von Chemikalien beginnen können, die ihnen bei der weiteren Differenzierung helfen“, sagte er.
Das Team geht davon aus, dass es bis zum Ende des Projekts in der Lage sein wird, Gewebewürfel im Zentimetermaßstab herzustellen, wobei der Schwerpunkt zunächst auf 3D-gedrucktem Knochenmark für medizinische Anwendungen und einer Probe marmorierten kultivierten Fleisches liegt.
„Die Bioprinting-Technologie bietet eine verbesserte Flexibilität bei der Gestaltung der endgültigen Zusammensetzung des Gewebes. Dies entspricht den Anforderungen personalisierter Gesundheitsanwendungen“, sagte Vassalli.
„Die Nahrungsmittelproduktion wird länger dauern, weil die Skalierung der Technologie viel Energie verbraucht. Ein 3D-Drucker, den wir im Labor verwenden, wäre nicht geeignet, um Fleisch für eine ganze Bevölkerung zu produzieren. Es gibt eine technologische Lücke, die geschlossen werden muss.“
Dieser Artikel erschien ursprünglich in Horizont das EU-Magazin für Forschung und Innovation.