Wissenschaftler demonstrieren 3D-„Biodruck“ im Inneren von Organoiden, die in Hydrogelen wachsen

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Wissenschaftler des NIHR Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre (eine Zusammenarbeit zwischen GOSH und UCL), London, und der Universität Padua, Italien, haben zum ersten Mal gezeigt, wie 3D-Druck in „Miniorganen“ erreicht werden kann, die in Hydrogelen wachsen – ihre Form und Aktivität kontrollieren und sogar Gewebe dazu zwingen, zu „Formen“ zu wachsen.

Dies kann Teams dabei helfen, Zellen und Organe genauer zu untersuchen, realistische Modelle von Organen und Krankheiten zu erstellen und noch besser zu verstehen, wie sich Krebs in verschiedenen Geweben ausbreitet.

Ein besonders vielversprechender Forschungsbereich am Zayed Centre for Research (eine Partnerschaft zwischen dem Great Ormond Street Hospital (GOSH), GOSH Charity und dem University College London Great Ormond Street Institute of Child Health (UCL GOS ICH)) ist die Organoidwissenschaft – die Schaffung von Mikroversionen von Organen wie Magen, Darm und Lunge.

Doch dieses Gewebe wächst fast immer unkontrolliert und stellt nicht die komplexe Struktur natürlich vorkommender Organe dar. Dies ist besonders wichtig, da die Form und Struktur eines Organs ebenso entscheidend ist wie sein Zellaufbau – zum Beispiel im Magen, in der Lunge und im Herzen.

Diese Forschung zeigt, wie Wissenschaftler feste Strukturen innerhalb eines bereits vorhandenen Gels erzeugen können, um bestimmte Muster in Echtzeit zu verfestigen, indem sie im Gel wachsende Organoide mithilfe des Lichts eines hochspezialisierten Mikroskops in eine bestimmte Struktur leiten. Dies bedeutet, dass jede Zelle im wachsenden Miniorgan oder in ganzen Organoiden auf spezifische und präzise Weise wächst.

Das Papier, veröffentlicht in Naturkommunikationzeigt, wie das Team nachstellen und untersuchen möchte, was mit der Funktion eines Organs passiert, wenn es nicht richtig wächst – beispielsweise bei vielen Fehlbildungen, die sich in den frühen Stadien der Schwangerschaft entwickeln.

Das Team hofft, dass diese Forschung zu besseren Krankheitsmodellen führen wird, was bedeutet, dass ihre Studien zuverlässiger sind, die Ergebnisse von besserer Qualität sind und der Bedarf an Tierversuchen eines Tages geringer wird. Die Arbeit könnte auch zu einer Behandlung durch die Bereitstellung biologisch korrekter „Patches“ in lebenden Organen führen.

Beispiele für die Verwendung von „Drucken“:

  • Geordnete Zellen: Um mikroskopisch kleine Gehirnzellen, sogenannte Neuronen, zu untersuchen, würde die Organoidforschung traditionell ungeordnete Neuronenbündel erzeugen, die nicht isoliert und untersucht werden können. Diese Technik ermöglicht es dem Team, „Schienen“ aus gehärtetem Gel zu erstellen, auf denen die Neuronen wachsen können, ähnlich den Bahnen eines olympischen Schwimmbeckens.
  • Definierte Formen: Um mikroskopisch kleine Därme mit der gleichen Form wie „echte“ sich entwickelnde Därme zu erzeugen, schuf das Team eine komplexe Hydrogelform, die Organoide in Formen führte, die die komplexen Strukturen eines sich entwickelnden Darms nachahmen, die „Krypten“ und „Zotten“ genannt werden.
  • Zweige erzeugen: Wissenschaftler konnten ein Hydrogel so gestalten, dass Lungenzellen dazu angeregt werden, Zweige zu bilden, wie sie es in einer „echten“ Lunge tun.
  • Krebsausbreitung: Um zu untersuchen, wie sich Krebs durch Gewebe unterschiedlicher Härte und Dichte ausbreitet, erstellte das Team gehärtete Gelkäfige um Krebszellen und überwachte, wie sich die Bewegung der Krebszellen abhängig von der Dichte ihrer Umgebung ändert – dies ist wichtig für das Verständnis der Krebsausbreitung

    • Dr. Giovanni Giobbe von UCL GOS ICH, Co-Hauptautor der Studie, sagte: „Es war erstaunlich zu sehen, wie sich diese präzisen Strukturen vor unseren Augen aufgrund unserer kleinen, aber sorgfältigen Anpassungen im Polymergel zu bilden begannen. Wir sind wirklich aufgeregt.“ um zu sehen, wohin uns dies beim Verständnis menschlicher Krankheiten und eines Tages bei der Behandlung führen kann.“

    Dr. Anna Urciuolo von der Universität Padua und Leiterin des Neuromuscular Engineering Lab am Institut für pädiatrische Forschung sagte: „Diese Arbeit ist ein Beispiel für die Fortschritte des multidisziplinären Ansatzes, der in der biomedizinischen Forschung explodiert. Die Fähigkeit, Organmodelle zu reproduzieren.“ im Labor und die Entwicklung von Technologien, die Wissenschaftlern dabei helfen, gesunde und kranke Gewebe und Organkomplexität auf der Laborbank zu rekapitulieren, sind der Beginn dessen, wie sich die translationale Medizin in der nächsten Zukunft verändern wird/“

    Professor Paolo De Coppi, Kinderchirurg am GOSH, Professor für Kinderchirurgie am UCL GOS ICH und Co-Leiter des Themas Tissue Engineering und regenerative Medizin am NIHR GOSH BRC, sagte: „Diese Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel dafür, was wir leisten können.“ interdisziplinäre, internationale Teams zusammenarbeiten, um unsere Forschung zu verbessern und den Patienten zu helfen.“

    „Teams von GOSH und UCL, die sich auf Organoidforschung im Vereinigten Königreich spezialisiert haben, haben in Zusammenarbeit mit italienischen Teams, die sich auf Design und Anwendung des Geldrucks spezialisiert haben, dazu geführt, dass dieses unglaubliche und schöne Forschungsstück verwirklicht wurde. Dies wird Auswirkungen auf das Labor haben.“ -basierte Forschung, um unser Verständnis von Krankheiten zu verbessern, könnte aber auch zu stationären Anwendungen und Behandlungen führen.

    Die nächsten Schritte dieser Arbeit werden darin bestehen, diese kontrollierten, geformten und gesteuerten Miniorgane zu untersuchen, um besser zu verstehen, wie sie reale Organe und Zustände im Körper nachahmen können.

    Mehr Informationen:
    Anna Urciuolo et al., Hydrogel-in-Hydrogel-Live-Bioprinting zur Führung und Kontrolle von Organoiden und organotypischen Kulturen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37953-4

    Zur Verfügung gestellt vom University College London

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