Eine neue zerstörungsfreie Methode zur Bewertung biotechnologisch hergestellter künstlicher Gewebe

Die Konstruktion von Organen zum Ersatz beschädigter Herzen oder Nieren im menschlichen Körper mag wie etwas aus einem Science-Fiction-Film erscheinen, aber die Bausteine ​​​​für diese Technologie sind bereits vorhanden. Im aufstrebenden Gebiet der Gewebezüchtung wachsen lebende Zellen in künstlichen Gerüsten heran, um biologisches Gewebe zu bilden. Um jedoch beurteilen zu können, wie erfolgreich sich die Zellen zu Gewebe entwickeln, benötigen die Forscher eine zuverlässige Methode, um die Bewegung und Vermehrung der Zellen zu überwachen.

Nun haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST), der US Food and Drug Administration (FDA) und der National Institutes of Health (NIH) eine nicht-invasive Methode entwickelt, um die lebenden Zellen in einem dreidimensionalen (3D ) Gerüst. Die Echtzeittechnik bildet Regionen im Millimeterbereich ab, um die Lebensfähigkeit der Zellen und die Verteilung der Zellen innerhalb des Gerüsts zu beurteilen – eine wichtige Fähigkeit für Forscher, die komplexe biologische Gewebe aus einfachen Materialien wie lebenden Zellen herstellen.

Ihre Ergebnisse wurden in der veröffentlicht Journal of Biomedical Materials Research Teil A.

Zunächst schufen die Forscher ein 3D-Gerüstsystem aus einem Netzwerk von Polymermolekülen, die große Mengen Wasser aufnehmen können und eine Art Material bilden, das als Hydrogel bekannt ist. Das 3D-Hydrogel wurde dann mit einer Art menschlicher weißer Blutkörperchen eingebettet, die sich endlos vermehren können.

Zellen können sehr empfindlich auf die Umgebung reagieren, in der sie gezüchtet werden: Wenn ein Forscher das Wachstum von Knochenzellen anstelle von Brustgewebe untersuchen möchte, müssen sie unter anderen Bedingungen kultiviert werden. Auch die Gerüste, die die Zellen beherbergen, bestehen aus unterschiedlichen Materialien und können unterschiedlichen Zwecken dienen.

„Das Gerüst hält die Dinge an Ort und Stelle und bietet eine Mikroumgebung für alles, was Sie von Zellen erwarten. Sie könnten das Gerüst so einstellen, dass es Zellen anweist, sich auf eine bestimmte Weise zu verhalten“, sagte NIST-Biologe Carl Simon.

Das Team verwendete dann eine nichtinvasive Bildgebungstechnik namens optische Kohärenztomographie (OCT), die wie ein Ultraschalltest ist, nur dass anstelle von Schallwellen Lichtwellen verwendet werden.

„Um festzustellen, ob eine Zelle lebt, haben wir das optische Signal analysiert, das durch die Bewegung der Organellen in den Zellen erzeugt wird“, sagte die NIST-Physikerin Greta Babakhanowa, Erstautorin des Artikels. Die Forscher detektierten die Organellenbewegung, indem sie Licht durch die Zellen schickten. Sie klassifizierten Zellen als lebend oder lebensfähig, wenn sich die Organellen bewegten, was durch Änderungen im durchgelassenen Licht angezeigt wurde.

Die NIST-Methode ist nicht invasiv und es gibt kein Schneiden oder Färben von Proben. Die Methode ist außerdem markierungsfrei: Zellen mussten nicht mit fluoreszierenden Molekülen, sogenannten „Markierungen“, versehen werden, um gesehen zu werden. Frühere Methoden erforderten ständigen Kontakt mit den Proben, was destruktiv und kostspielig sein und die Ergebnisse beeinträchtigen kann. Die neue Technik reduziert auch die Zeit, die Forscher für ihre Messungen aufwenden, von Stunden auf Minuten.

Das Verfahren unterscheidet sich auch von früheren Verfahren, die auf flachen, zweidimensionalen Proben beruhen. „Der Nachteil der bestehenden Techniken ist, dass man eine bestimmte Anzahl von Zellen messen kann, aber nicht weiß, wo sie sich befinden. Mit dieser Methode können wir einen 1-Millimeter-Würfel aus Hydrogel abbilden und sehen, wo sich die Zellen befinden innerhalb des Gels“, sagte Babakhanova.

2D-Ansätze funktionieren auch nicht ganz so gut, weil sie die 3D-Mikroumgebung, die Zellen im Körper erleben, nicht genau nachahmen, sagte Babakhanova.

Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Technik anwenden, um andere Eigenschaften zu untersuchen, beispielsweise die Struktur von biofabriziertem Gewebe. „Die OCT-Methoden könnten in der Lage sein, spezifische Strukturen, die sich entwickeln, wenn die Gewebe reifen, in Echtzeit als Maß für ihre Bereitschaft zur Implantation zerstörungsfrei zu messen“, sagte Simon.

Inzwischen deckt die Methode bereits einen unerfüllten Bedarf im Tissue Engineering, da sie die Anzahl und Anordnung von Zellen in einem künstlichen Gerüst überwachen kann, ohne es zerlegen und zerstören zu müssen.