Wissenschaftler des Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) haben einen Fortschritt beim 3D-Biodruck von nativem Skelettmuskelgewebe erzielt. Der Schlüssel zum Ansatz der TIBI-Wissenschaftler liegt in ihrem speziell formulierten Bioink, der Mikropartikel enthält, die für die nachhaltige Abgabe des insulinähnlichen Wachstumsfaktors 1 (IGF-1) entwickelt wurden.
Wie in ihrem jüngsten Artikel in gezeigt wurde Makromolekulare BiowissenschaftenDie anhaltende Abgabe von IGF-1 fördert die Bildung von reifem Skelettmuskelgewebe aus Muskelvorläuferzellen und erleichtert deren strukturelle Ausrichtung. Dies erhöht die Effizienz des Regenerationsprozesses und kann zu erfolgreichen Therapien für Menschen führen, die unter Muskelschwund oder Verletzungen leiden.
Der Verlust der Skelettmuskulatur aufgrund eines Traumas, einer Krankheit oder eines chirurgischen Eingriffs führt nicht nur zu einer Funktionsbeeinträchtigung, sondern führt auch zu einer Schädigung des damit verbundenen Gewebes wie Blutgefäßen und anderen Strukturgeweben. Die derzeitige Behandlung eines solchen Muskelschwunds besteht in der Übertragung des gesunden Muskelgewebes eines Patienten von einer anderen Stelle zur Verletzungsstelle. Eine unzureichende Innervation und andere Komplikationen des transplantierten Gewebes können jedoch die vollständige Muskelregeneration behindern.
Der normale Prozess der Muskelentwicklung verläuft schrittweise, wobei runde Muskelvorläuferzellen, sogenannte Myoblasten, zu röhrenförmigen Zellen, sogenannten Myotubes, verschmelzen. Diese Myotubes entwickeln sich schließlich zu reifen Muskelfasern. Neben der Reifung der Muskelzellen ist eine präzise Zellausrichtung und -orientierung für eine erfolgreiche Muskelkontraktion und -funktion von entscheidender Bedeutung.
Es wurden Anstrengungen unternommen, funktionelles Skelettmuskelgewebe biotechnologisch zu entwickeln, aber die meisten Ansätze bringen ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Beispielsweise haben Versuche, natives Skelettmuskelgewebe mithilfe von Elektrospinning-Methoden zu konstruieren, Muskelgewebe mit der richtigen strukturellen Ausrichtung und Ausrichtung für Reparatur und Regeneration erzeugt; Allerdings haben sich die Fähigkeiten des Gewebes zur Zellreifung und Muskelkontraktion als unzureichend erwiesen.
Der TIBI-Ansatz nutzt 3D-Biodruck mit einem Bioink, der aus GelMA (einem biokompatiblen Hydrogel auf Gelatinebasis), Myoblastenzellen und Mikropartikeln besteht, die für die nachhaltige Abgabe von IGF-1 entwickelt wurden.
IGF-1 fördert die Muskelregeneration und -reparatur, wenn es mindestens zehn Tage lang vorhanden ist. Um eine anhaltende Freisetzung von IGF-1 über mehrere Tage hinweg zu gewährleisten, verwendeten die Forscher ein Mikrofluidiksystem, um Mikropartikel gleichmäßiger Größe herzustellen, die mit IGF-1 beschichtet waren. Das IGF-1 wurde nach und nach von der Oberfläche der Mikropartikel freigesetzt, während die Partikel abgebaut wurden.
Eine Woche nachdem die Muskelkonstrukte mit dem neuen Bioink erstellt wurden, beobachteten die Forscher eine verbesserte Ausrichtung, Fusion und Differenzierung der Myoblasten in Myotubes, die nachweislich auch deutlich stärker wachsen und sich verlängern als Konstrukte ohne eine anhaltende Freisetzung von IGF-1. Interessanterweise begannen sich zehn Tage nach dem Bioprinting die Muskelgewebekonstrukte mit anhaltender IGF-1-Freisetzung spontan zusammenzuziehen.
Präklinische Studien wurden mit Mäusen durchgeführt, denen Implantate aus 3D-biogedruckten Muskelgewebekonstrukten verabreicht wurden. Diejenigen Mäuse, denen Muskelgewebekonstrukte implantiert wurden, die eine anhaltende Freisetzung von IGF-1 ermöglichten, zeigten sechs Wochen nach der Implantation den höchsten Grad an Muskelgeweberegeneration.
Weitere In-vivo-Experimente ergaben, dass die anhaltende Freisetzung von IGF-1 auch eine gut regulierte Entzündungsreaktion auslöste, die sich als vorteilhaft für die Gewebereparatur erwies.
„Die anhaltende Freisetzung von IGF-1 erleichtert die Reifung und Ausrichtung von Muskelzellen, was ein entscheidender Schritt bei der Reparatur und Regeneration von Muskelgewebe ist“, sagte Ali Khademhosseini, Ph.D., Direktor und CEO von TIBI. „Es besteht ein großes Potenzial, diese Strategie zur therapeutischen Schaffung von funktionellem, kontraktilem Muskelgewebe zu nutzen.“
Mehr Informationen:
Natan Roberto de Barros et al., Verbesserte Reifung von 3D-biogedruckten Skelettmuskelgewebekonstrukten, die lösliche, faktorfreisetzende Mikropartikel einkapseln, Makromolekulare Biowissenschaften (2023). DOI: 10.1002/mabi.202300276
Bereitgestellt vom Terasaki Institute for Biomedical Innovation