Derzeit benötigen über 100.000 Menschen in den Vereinigten Staaten eine Organtransplantation. Die Nachfrage nach Organen wie Herzen, Nieren und Lebern übersteigt das verfügbare Angebot bei weitem und Menschen warten manchmal jahrelang auf ein gespendetes Organ. Jedes Jahr sterben etwa 6.000 Amerikaner beim Warten.
Ziel des Tissue Engineering zur Herstellung von im Labor gezüchteten Organen und Geweben ist es, die Lücke zwischen der Verfügbarkeit von Organen und der Nachfrage nach Transplantaten zu schließen. Eine große Herausforderung beim Tissue Engineering besteht jedoch darin, in künstlichen Organen Blutgefäßnetzwerke zu schaffen, die wie natürliche funktionieren, von winzigen Kapillaren bis hin zu größeren Arterien. Herkömmliche Designs künstlicher Blutgefäße ahmen oft nicht das natürliche Design nach, das für eine ordnungsgemäße Funktion im Körper erforderlich ist.
Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch die Möglichkeit, mithilfe des 3D-Eisdrucks Strukturen zu schaffen, die Blutgefäßen im Körper ähneln. Feimo Yang, ein Doktorand in den Labors von Philip LeDuc und Burak Ozdoganlar an der Carnegie Mellon University, stellt ihre Forschung vor 68. Jahrestagung der Biophysikalischen Gesellschaftvom 10. bis 14. Februar 2024 in Philadelphia, Pennsylvania.
Beim 3D-Eisdruck wird im Allgemeinen ein Wasserstrahl auf eine sehr kalte Oberfläche aufgetragen. „Was unsere Methode von anderen Arten des 3D-Drucks unterscheidet, ist, dass wir das Wasser beim Drucken nicht vollständig gefrieren lassen, sondern eine flüssige Phase an der Oberfläche aufrechterhalten. Dieser kontinuierliche Prozess, den wir Freiform nennen, hilft uns.“ „Um eine sehr glatte Struktur zu erhalten. Wir haben keinen Schichtungseffekt, der bei den meisten 3D-Druckern typisch ist“, erklärte Yang.
Sie verwendeten auch schweres Wasser, eine Form von Wasser, bei der die Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt wurden, was dem Wasser einen höheren Gefrierpunkt verleiht und zur Bildung der glatten Struktur beiträgt.
Diese 3D-gedruckten Eisvorlagen werden dann in ein Gelatinematerial, GelMA, eingebettet. Bei Einwirkung von UV-Licht härtet die Gelatine aus, das Eis schmilzt und hinterlässt realistische Blutgefäßkanäle.
Den Forschern gelang der Nachweis, dass sie Endothelzellen, wie sie in Blutgefäßen vorkommen, in die künstlichen Blutgefäße einbringen können. Die Zellen überlebten auf der Gelatine bis zu zwei Wochen. (In Zukunft beabsichtigen sie, diese Zellen für einen längeren Zeitraum zu kultivieren.)
Neben der möglichen Verwendung für Organtransplantationen weist Yang darauf hin, dass 3D-gedruckte Blutgefäße auch zum Testen der Wirkung von Medikamenten auf Blutgefäße verwendet werden könnten. Sie könnten auch mit patienteneigenen Zellen beschichtet werden, um zu sehen, wie die Zellen auf eine medikamentöse Behandlung reagieren, bevor sie dem Patienten verabreicht werden.
Dieser innovative Ansatz könnte ein bedeutender Fortschritt bei der Schaffung komplexer, lebensechter Blutgefäßnetzwerke für den Einsatz im Tissue Engineering sein.