Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVDs) sind nach wie vor eine der Hauptursachen für Todesfälle auf der ganzen Welt. Es besteht ein dringender Bedarf an verbesserten anatomischen und biologischen Gefäßmodellen, um unser Verständnis des Krankheitsverlaufs zu erweitern. Ein solches Verständnis kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen führen.
Während sich Wissenschaftler herkömmlicherweise stark auf Tiermodelle verlassen, um die Pathophysiologie von CVDs und die Arzneimittelentwicklung zu beleuchten, sind sie durch ihre Fähigkeit, die Toxizität beim Menschen vorherzusagen, eingeschränkt. „Angesichts der Unterschiede in den zugrunde liegenden molekularen, zellulären und physiologischen Mechanismen zwischen Tieren und Menschen vermitteln uns Tiermodelle nicht unbedingt ein genaues Verständnis der menschlichen Physiologie“, erklärte außerordentlicher Professor Yi-Chin Toh, korrespondierender Autor von der Queensland University of Technology ( KUT).
Um alternative Modelle zu schaffen, die für den Menschen relevanter sind, wenden sich Wissenschaftler dem Engineering von Geweben unter Verwendung lebender menschlicher Zellen zu. „Um wichtige zelluläre und molekulare Beiträge zur menschlichen Physiologie und Pathophysiologie zu identifizieren, werden lebende menschliche Zellen im Bereich der Gewebezüchtung verwendet, um künstliche Modelle mit definierter Zusammensetzung auf Zell-, Gewebe- und Organebene zu bauen“, erklärte Professor Toh.
Durch die direkte Verwendung menschlicher Zellen könnten diese konstruierten Gewebe Einblicke in die normale menschliche Organfunktion und Krankheitspathophysiologie geben sowie die Sicherheit und Wirksamkeit von Prüftherapeutika beim Menschen genauer vorhersagen.
Eine der derzeit auf dem Gebiet der Gewebezüchtung eingesetzten Technologien ist der 3D-Bioprinting – bei dem lebende menschliche Zellen mit Bioinks gemischt und auf eine bestimmte Weise abgelagert werden, um die Mikroumgebung nativer Organe zu rekapitulieren. Die Herstellung der in Organen gefundenen Feinheiten mit aktuellen Bioprinting-Methoden ist jedoch aufgrund technologischer Einschränkungen immer noch eine Herausforderung.
Eine der Schwierigkeiten besteht darin, die Komplexität von Blutgefäßen zu rekapitulieren. Beispielsweise verzweigen sich Blutgefäße hierarchisch, wobei sich größere Gefäße über verschiedene Längenskalen in mehrere kleinere Gefäße verzweigen. Blutgefäße sind ebenfalls vielschichtig, wobei jede Schicht aus unterschiedlichen Zelltypen besteht.
„Die gedruckte Biotinte muss eine doppelte Funktion erfüllen, indem sie lebende Zellen unterstützt und dem Gefäßkonstrukt strukturelle Integrität verleiht. Bestehende Biotinte, die für lebende Zellen geeignet ist, ist typischerweise weich und zerbrechlich, was es schwierig macht, die komplexe Architektur von Blutgefäßen direkt in 3D zu drucken“, sagte er Hauptforscher, Associate Professor Michinao Hashimoto von der Singapore University of Technology and Design (SUTD).
„Aufgrund der bestehenden Einschränkungen des 3D-Biodrucks haben wir uns entschieden, uns bei der Herstellung der Gefäßkonstrukte nicht mehr ausschließlich auf den 3D-Druck zu verlassen.“
Das Team entwickelte eine Herstellungstechnik, die von der uralten Formmethode inspiriert ist. 3D-Druck wurde verwendet, um die Formen für die Gefäßnetzwerke herzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Formverfahren, bei denen das eingefüllte flüssige Material massenhaft erstarrt, führte das Team jedoch einen einzigartigen Erstarrungsansatz ein.
Die Technik beinhaltete die Verwendung einer zweiteiligen, 3D-gedruckten Form, die aus Hydrogelen von Poly(ethylenglycol)diacrylat (PEGDA) bestand. PEGDA-Hydrogel wurde ausgewählt, weil es sich wie ein Schwamm verhalten könnte, um Calciumionen aufzusaugen, die für die Vernetzung der ausgewählten Biotinte verantwortlich sind.
Wenn die alginathaltige Biotinte durch den Formhohlraum perfundiert wurde, diffundierten die Calciumionen innerhalb der Form radial in den Formhohlraum. Die Diffusion der Calciumionen führte zu einer schnellen ionischen Vernetzung des in der Biotinte vorhandenen Alginats, wodurch ein röhrenförmiges Konstrukt gebildet wurde.
„Wir können die Dicke der Gefäßwand effektiv kontrollieren, indem wir die Dauer variieren, die die Biotinte im Formhohlraum gehalten wird. Anschließend können wir eine Pufferlösung durch die Form strömen lassen, um die unvernetzte Biotinte zu entfernen“, sagte der Hauptautor Terry Ching, Ph. D. Student von SUTD.
Mit dieser Technik konstruierten die Forscher erfolgreich freistehende, verzweigte, mehrschichtige und perfundierbare Gefäßnetzwerke. „Wichtig ist, dass wir andere bioaktive Materialien in die Bioink mischen konnten, um die Mikroumgebung für menschliche Gefäßzellen besser geeignet zu machen“, fügte Ching hinzu.
Das Team baute relevante Gefäßzellen in einer ähnlichen Konfiguration wie in vivo ein. Das Team montierte seine freistehenden Gefäßkonstrukte auch auf einem expandierbaren Ballon, um die zyklische Belastung zu simulieren, der Koronararterien in vivo ausgesetzt sind.
Die Vielseitigkeit und die facettenreichen Möglichkeiten dieser Herstellungstechnik sollten den Benutzern mehr Kontrolle bei der Unterbringung einer Vielzahl von Bioinks und patientenspezifischen Zellen geben. „Letztendlich hoffen wir, diese biomimetischen Gefäßkonstrukte nutzen zu können, um zukünftige Forschungen zum mechanistischen Verständnis von CVDs sowie Modelle zur Bewertung therapeutischer Interventionen zu unterstützen“, erklärte außerordentlicher Professor Michinao Hashimoto.
Das Papier wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Klein.
Mehr Informationen:
Terry Ching et al, Biomimetic Vasculatures by 3D‐Printed Porous Moulds (Small 39/2022), Klein (2022). DOI: 10.1002/klein.202270209