Wissenschaftler der Harvard Medical School haben einen neuen Bioink auf Algenbasis entwickelt, der eine verbesserte Lebensfähigkeit der Zellen zeigt, sobald er in Weichgewebestrukturen in 3D gedruckt wird. Das Team schuf den Bioink, indem es photosynthetische Algen und menschliche Leberzellen zu einer Hydrogelmatrix kombinierte, die dann zum 3D-Druck sechseckiger Strukturen mit realistischen Leberläppchen verwendet wurde. Da Algen von Natur aus dazu neigen, Sauerstoff freizusetzen, vermehrten sich die biogedruckten menschlichen Zellen, zeigten eine erhöhte Funktionalität und produzierten leberspezifische Proteine.
Die Forscher glauben, dass ihre neue Bioprinting-Technologie in Zukunft in allen Bereichen Anwendung finden könnte, von der Arzneimittelentwicklung über personalisierte Medizin bis hin zu gesunden Snacks auf Algenbasis. „Diese Studie ist das erste reale Beispiel für symbiotisches Tissue Engineering, bei dem Pflanzenzellen und menschliche Zellen auf physiologisch sinnvolle Weise kombiniert werden“, sagte Y. Shrike Zhang, leitender Autor des Papiers. „Unsere Studie ist ein einzigartiges Beispiel dafür, wie wir veranschaulichen, wie wir.“ können symbiotische Strategien nutzen, die in der Natur vorkommen, um unsere Fähigkeit zu verbessern, funktionelles Gewebe im menschlichen Körper zu entwickeln.“
Dringender Bedarf an bio-3D-gedruckten Geweben
Der Mangel an Organspendern stellt nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation nach wie vor weltweit ein erhebliches Problem dar, da derzeit nur etwa 10 % des Transplantationsbedarfs gedeckt werden. Daher besteht eine zunehmende Dringlichkeit, künstliche Alternativen zu entwickeln, und der 3D-Bioprinting hat in diesem Bereich in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Obwohl die Forscher unterschiedliche Ansätze gewählt haben, fehlt den resultierenden zellgefüllten Strukturen häufig die Lebensfähigkeit der Zellen, um sie für Endverwendungsszenarien nützlich zu machen. Wissenschaftler der Washington State University (WSU) haben beispielsweise auch ein natürlich verstärktes Hydrogel entwickelt, das jedoch noch nicht für den medizinischen Einsatz bereit ist.
Die Lebensfähigkeit der Zellen hängt stark von der Sauerstoffexposition ab, und eine gleichmäßige Sauerstoffverteilung fördert nachweislich das Zellwachstum. Frühere Versuche, zellgefüllte Hydrogele mithilfe sauerstoffverteilender Biomaterialien mit Sauerstoff anzureichern, scheiterten jedoch an schädlichen Nebenprodukten und inkonsistenten Freisetzungsprofilen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das Forscherteam das an der Technischen Universität Dresden entwickelte algenreiche Hydrogel so angepasst, dass es eine höhere Konzentration an Cellulose enthält. Das natürliche Polymer verlieh dem Hydrogel der Wissenschaftler nicht nur Integrität, sondern demonstrierte letztendlich auch die Fähigkeit, das von ihnen in 3D gedruckte Gewebe anzureichern.
Algenhydrogel des Harvard-Teams
Das Team stellte sein Hydrogel her, indem es Carboxymethylcellulose mit Gelatine, PVA und Alginat kombinierte und deren Menge anpasste, um die Viskosität der Tinte zu optimieren. Nachdem das Team die ideale Mischung gefunden hatte, druckte es damit eine Reihe von Wabenstrukturen in 3D, die jeweils sieben sechseckige Blättchen enthielten.
Während des Druckvorgangs erstellten die Forscher eine Reihe von sechs, zehn und 20 Lagen Seidenpapier, die ein 3D-röhrenartiges, gitterartiges Muster bildeten. Anschließend mischten die Wissenschaftler unterschiedliche Mengen der photosynthetischen Alge Chlamydomonas reinhardtii und 10 % fötales Kälberserum in die Zusatzkonstrukte und beobachteten ermutigende Ergebnisse. Die biogedruckten Algen setzen durch Photosynthese Sauerstoff frei und steigern so die Vitalität und Funktion der Leberzellen, ohne die Druckbarkeit der Biotinte zu beeinträchtigen. Darüber hinaus fügte das Team in einem letzten Schritt Cellulase hinzu, um ihren Bioink aufzulösen, und stellte fest, dass dadurch ausgehöhlte Mikrokanäle zurückblieben.
Das Füllen dieser Kammern mit menschlichen Blutgefäßzellen ermöglichte es den Wissenschaftlern, leberähnliches Gewebe zu schaffen, das ein gutes Zellwachstum aufweist und native Proteine produziert. Zellstrukturen, die keine Algeninjektionen enthielten, zeigten nur eine Überlebensrate von 70 %, während Zellstrukturen, die Algeninjektionen enthielten, eine satte Überlebensrate von 92 % aufwiesen. Zhang kam zu dem Schluss: „Über die Entwicklung eines solchen flüchtigen Bioinks, der eine anfängliche Sauerstoffanreicherung und anschließende Vaskularisierung in einem einzelnen Gewebekonstrukt durchführen kann, wurde bisher noch nicht berichtet. Dies ist ein erfolgreiches Beispiel für praktikables und funktionelles Tissue Engineering.“ ein entscheidender Schritt.
Vorteile der Verwendung von Algen
Algen spielen nicht nur eine Rolle für die menschliche Gesundheit, sondern auch bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen, und ihre Umweltfreundlichkeit macht sie zunehmend zum Gegenstand der Forschung im Bereich 3D-Druck. Wissenschaftler der Universität Wageningen in den Niederlanden und der Universität Valencia in Spanien haben Algen eingesetzt, um eine Vielzahl gesunder Getreidesnacks in 3D zu drucken. Das Forschungsteam glaubt, dass sie die Form, Textur und Farbe algenbasierter Lebensmittel anpassen können, um sie attraktiver zu machen.
An anderer Stelle verfügt ein gemeinsames Team der University of Cambridge und der University of San Diego über 3D-Bioprinting korallenähnlicher Strukturen, die das Wachstum von Mikroalgen ermöglichen. Durch die Feinabstimmung des Algenanbaus wollen Wissenschaftler einen Weg finden, die Treibhausgasemissionen in Entwicklungsländern zu reduzieren.
