Forscher der Universität Tel Aviv nutzten die Prinzipien des Origami, der japanischen Kunst des Papierfaltens, um eine originelle und innovative Lösung für ein Problem zu entwickeln, das Forscher weltweit beschäftigt: die Positionierung von Sensoren in 3D-biogedruckten Gewebemodellen. Anstatt Gewebe über die Sensoren zu biodrucken (was sich als unpraktisch herausstellte), entwarfen und produzierten sie eine Origami-inspirierte Struktur, die sich um das hergestellte Gewebe faltet und das Einfügen von Sensoren an genau vordefinierten Stellen ermöglicht.
Die Studie war eine gemeinsame Anstrengung von Forschern mehrerer Einheiten der TAU: der School of Neurobiology, Biochemistry and Biophysics, dem Koum Center for Nanoscience and Nanotechnology, der Department of Biomedical Engineering, dem Sagol Center for Regenerative Medicine, der Sagol School of Neuroscience und dem Drimmer-Fischler Family Stem Cell Core Laboratory for Regenerative Medicine.
Die Forscher sind Noam Rahav, Adi Soffer, Prof. Ben Maoz, Prof. Uri Ashery, Denise Marrero, Emma Glickman, Megane Beldjilali-Labro, Yakey Yaffe, Keshet Tadmor und Yael Leichtmann-Bardoogo. Das Papier ist veröffentlicht im Journal Höhere Wissenschaft.
Prof. Maoz erklärt: „Die Verwendung von 3D-Biodruckern zum Drucken biologischer Gewebemodelle für die Forschung ist bereits weit verbreitet. Bei bestehenden Technologien bewegt sich der Druckerkopf hin und her und druckt Schicht für Schicht des erforderlichen Gewebes.
„Diese Methode hat jedoch einen erheblichen Nachteil: Das Gewebe kann nicht über eine Reihe von Sensoren gedruckt werden, die Informationen über seine inneren Zellen liefern, da der Druckerkopf beim Drucken die Sensoren zerstört. Wir schlagen einen neuen Ansatz für das komplexe Problem vor: Origami.“
MSOP: Wo Kunst und Wissenschaft im Bioprinting aufeinandertreffen
Die Innovation basiert auf einer originellen Synergie zwischen Wissenschaft und Kunst. Mithilfe von CAD-Software (Computer Aided Design) entwerfen die Forscher eine Multisensorstruktur, die auf ein bestimmtes Gewebemodell zugeschnitten ist – inspiriert vom Origami-Papierfalten. Diese Struktur enthält verschiedene Sensoren zur Überwachung der elektrischen Aktivität oder des Widerstands von Zellen an genau ausgewählten Stellen im Gewebe.
Das Computermodell wird verwendet, um eine physische Struktur herzustellen, die dann um das biogedruckte Gewebe gefaltet wird, sodass jeder Sensor an seiner vordefinierten Position im Gewebe eingesetzt wird. Das TAU-Team hat seine neuartige Plattform MSOP genannt – Multi-Sensor Origami Platform.
Die Wirksamkeit der neuen Methode wurde an 3D-biogedrucktem Hirngewebe nachgewiesen, wobei die eingesetzten Sensoren die neuronale elektrische Aktivität aufzeichneten. Die Forscher betonen jedoch, dass das System sowohl modular als auch vielseitig ist: Es kann eine beliebige Anzahl und Art von Sensoren an jeder beliebigen Position in jedem Typ von 3D-biogedrucktem Gewebemodell platzieren, sowie in im Labor künstlich gezüchteten Geweben wie Gehirnorganoiden – kleinen Kugeln aus Neuronen, die das menschliche Gehirn simulieren.
Der wissenschaftliche Touch von Origami
Prof. Maoz fügt hinzu: „Bei Experimenten mit biogedrucktem Hirngewebe haben wir einen weiteren Vorteil unserer Plattform demonstriert: die Möglichkeit, eine Schicht hinzuzufügen, die die natürliche Blut-Hirn-Schranke (BBB) simuliert – eine Zellschicht, die das Gehirn vor unerwünschten Substanzen im Blut schützt, die leider auch bestimmte Medikamente gegen Hirnerkrankungen blockiert. Die Schicht, die wir hinzufügen, besteht aus menschlichen BBB-Zellen, sodass wir ihren elektrischen Widerstand messen können, der ihre Durchlässigkeit für verschiedene Medikamente anzeigt.“
Die Forscher fassen zusammen: „In dieser Studie haben wir eine ‚Out-of-the-Box‘-Synergie zwischen wissenschaftlicher Forschung und Kunst geschaffen. Wir haben eine neuartige Methode entwickelt, die von der Origami-Papierfaltung inspiriert ist und es ermöglicht, Sensoren an genau vordefinierten Stellen in 3D-biogedruckten Gewebemodellen einzusetzen, um Zellaktivität und Kommunikation zwischen Zellen zu erkennen und aufzuzeichnen. Diese neue Technologie ist ein wichtiger Fortschritt für die biologische Forschung.“
Mehr Informationen:
Noam Rahav et al., Multi-Sensor-Origami-Plattform: Ein anpassbares System zum Erzielen räumlich und zeitlich präziser Funktionsanzeigen in 3D-Modellen, Höhere Wissenschaft (2024). DOI: 10.1002/advs.202305555