Präzise Gewebezüchtung und die Rolle des 3D-Drucks

Seit Jahrzehnten streben Forscherteams danach, aus einzelnen Zellen funktionsfähige Gewebe wie Haut, Neuronen, Herzmuskeln oder Lungenbläschen zu züchten. Diese Technologie, bekannt als Tissue Engineering, findet vielfältige Anwendungen, darunter in der Transplantationsmedizin und der Medikamentenentwicklung. Dr. Amelie Erben, Maschinenbauerin am Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin (CANTER) der Hochschule München und am Heinz Nixdorf Lehrstuhl für Biomedizinische Elektronik der Technischen Universität München (TUM), entwickelte eine wegweisende Methode für die Gewebezüchtung im Labor durch 3D-Druck einer hochaufgelösten extrazellulären Matrix.

Die entscheidende Herausforderung beim Tissue Engineering besteht darin, dreidimensionale Proteinstrukturen im Labor zu schaffen, die den unterschiedlichen Zelltypen gerecht werden. „Jeder Zelltypus ist anders und braucht eine ganz spezielle, räumliche Proteinstruktur, um sich zu entwickeln. Im Labor muss man die dreidimensionalen Proteinstrukturen künstlich schaffen: Und je genauer diese mit dem natürlichen Vorbild übereinstimmen, desto besser“, erklärt Erben. Sie demonstrierte dies am Beispiel der Kultivierung von Lungenbläschen, bei der eine extrem dünne extrazelluläre Matrix erforderlich ist. Die Forscherin nutzte die Zwei-Photonen-Stereolithographie, bei der Proteine schichtweise miteinander verschweißt werden, um eine nur wenige Mikrometer dünne 3D-Struktur zu drucken. Dieses Verfahren basierte auf einer umfangreichen Analyse von echtem Lungengewebe, um eine möglichst genaue Nachbildung in Bezug auf Geometrie, Stabilität und biochemische Zusammensetzung zu erreichen. Erste Experimente zeigten, dass sich die Zellen in dieser gedruckten Umgebung gut vermehrten und Eigenschaften von natürlichem Lungengewebe aufwiesen.

Im zweiten Teil ihrer Forschung druckte Erben eine dreidimensionale Proteinstruktur mit einem 80 µm dünnen Kanal, der die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen simulieren soll. Das Proteingerüst aus dem 3D-Drucker wird nun von anderen Forschungsteams genutzt, um die Reaktionen der Zellen auf verschiedene Reize zu erforschen und die Gerüststruktur weiter an das natürliche Vorbild anzupassen. „Damit haben wir den Grundstein gelegt für die systematische Erforschung der dreidimensionalen Zellinteraktionen bezüglich der strukturellen, mechanischen und biomolekularen Reize“, so Erben.