Was ist Bioprinting?

Bioprinting ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem künstliche Körperteile aus Filamenten lebender Zellen hergestellt werden. Typischerweise werden diese Biomaterialfilamente (Biotinte genannt) Schicht für Schicht extrudiert, um ein synthetisches biomedizinisches Teil zu erzeugen, ähnlich wie beim 3D-Druck. Die Idee besteht darin, biomimetische Strukturen aufzubauen, die denen, die natürlicherweise in unserem Körper vorkommen, genau nachbilden. Bisher kann Bioprinting lebendes Gewebe, Knochen und Blutgefäße herstellen, mit dem Ziel, schließlich ganze Organe von Grund auf herzustellen.

Beim Bioprinting handelt es sich um den Prozess der Erstellung dreidimensionaler Zellstrukturen aus Biotinten. Es wird verwendet, um funktionelle, biologische Nachbildungen von Körperteilen wie lebendem Gewebe, Knochen und Blutgefäßen herzustellen.

Beim 3D-Druck können mit einem Drucker Werkzeuge und Strukturen wie technisches Zubehör, Schmuck oder Spielzeug aus Metallen, Kunststoffen oder Keramik hergestellt werden.

„Bioprinting geht noch einen Schritt weiter“, sagte Ryan Creek, ein zertifizierter Arzt und Mitarbeiter mit Erfahrung in der regenerativen Medizin bei Biotech-Startups. „Der ‚Druck‘ erfolgt mit biologisch gewonnenen Materialien, die dann einige Eigenschaften bestimmter Gewebe im Körper nachbilden können.“

Bioprinting gilt als Vorreiter der regenerativen Medizin und wird wahrscheinlich zur Reparatur oder Wiederherstellung beschädigter und erkrankter Gewebe eingesetzt. Derzeit wird es in der Laborforschung auf die Probe gestellt, um Medikamente zu testen und Behandlungsmöglichkeiten zu erforschen. Erst letztes Jahr waren Chirurgen in San Antonio, Texas, das erste Team, das einem Menschen eine 3D-biogedruckte Struktur – ein Ohr, das aus den eigenen Zellen des Patienten gewachsen war – implantierte.

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Bevor der eigentliche Druck beginnt, muss eine Biopsie aus dem Organ entnommen werden. Bestimmte „erwünschte“ Zellen werden isoliert und dann durch einen Kultivierungsprozess vermehrt, der das Wachstum in einer künstlichen Umgebung fördert. Je nach Projekt werden bestimmte Zelltypen herausgegriffen. Wenn ein Forscher beispielsweise einen Meniskus herstellen wollte, wären dafür Faserknorpelzellen erforderlich.

Diese Zellen werden dann in einer Hydrogellösung gemischt, die die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, um sie am Leben zu halten, und in eine Kartusche geladen.

„Biotintenformulierungen bestehen typischerweise aus [einer Kombination von Biomaterialien], die das Wachstum und die Reifung von Zellen als Gewebe unterstützen“, erklärt Didarul Bhuiyan, ein Wissenschaftler für Biomaterial und Gewebetechnik bei West Pharmaceutical Services. Zu diesen Biomaterialien gehören in der Regel verschiedene Biopolymere, Proteine ​​und Wachstumsfaktoren. Gemeinsam helfen sie dabei, das Gerüst aufzubauen, das die lebenden Zellen dann bevölkern.

In der Zwischenzeit wird mithilfe einer CAD-Datei (Computer Aided Design) ein digitaler Entwurf erstellt, der das Motiv in dünne Schichten zusammenfügt. Dadurch wird das dreidimensionale Gerüst als eine Reihe von Anweisungen vorbereitet, die das Objekt von unten nach oben konstruieren.

Zu diesem Zeitpunkt ist das Projekt druckbereit. Eine von einem Roboterarm geführte Düse bewegt sich horizontal entlang einer XYZ-Achse und extrudiert Filamente, während sie dem CAD-Dateiplan folgen. Schicht für Schicht baut die Biotinte die endgültige Struktur auf einer Gerüstschale oder einer flüssigen Unterlage auf.

Während einige Biomaterialien möglicherweise in Echtzeit aushärten, erfordern andere in vivo möglicherweise mehr Pflege, um die volle Funktionalität und allgemeine Lebensfähigkeit der Zellen sicherzustellen. In der Postproduktion können biogedruckte Strukturen für eine optimale Gewebereifung, Vaskularisierung und Stabilität in Bioreaktoren platziert werden. Abhängig von der Komplexität eines biomedizinischen Teils kann dieser letzte Schritt Wochen oder sogar Monate dauern.

Oben wird die gebräuchlichste Bioprinting-Methode beschrieben, die als Materialextrusion bezeichnet wird. Zu den weiteren Methoden gehören der Inkjet-3D-Biodruck, bei dem Teile in Tröpfchen geformt werden, und die Stereolithographie, eine Technik, bei der ein Objekt durch Projizieren von ultraviolettem Licht durch einen Behälter mit Harz ausgehärtet wird.

Es ist kein Geheimnis, dass die Schaffung ganzer, funktionsfähiger Organe der heilige Gral des Bioprintings ist.

Aus diesem Grund erforschten Forscher der Universität São Paulo in Brasilien die Verwendung von Blutzellen, um Miniaturversionen der menschlichen Leber zu entwickeln und so in nur 90 Tagen ein lebensfähiges Organ herzustellen. Die „Leberorganoide“ können lebenswichtige Proteine ​​produzieren, Vitamine speichern und Galle absondern.

In Tierversuchen haben Forscher in Polen einen funktionsfähigen Pankreas-Prototyp namens „Bionisches Pankreas“ biogedruckt, der den Blutfluss bei Schweinen über einen Zeitraum von zwei Wochen demonstrierte.

In der Zwischenzeit hat das in San Diego ansässige Biotechnologie-Startup Trestle Biotherapeutics die Lizenz zur Herstellung von menschlichem Nierengewebe erhalten, das Nierenerkrankungen im Endstadium behandeln, weniger schwere Fälle von der Dialyse entwöhnen, denjenigen auf der Transplantationsliste mehr Zeit geben und sie schließlich ersetzen kann die Orgel vollständig.

Forscher der United Therapeutics Corporation machten mit der Konstruktion eines menschlichen Lungengerüsts mit 4.000 Kilometern Kapillaren und 200 Millionen Alveolen, die in Tiermodellen zum Sauerstoffaustausch fähig sind, den Weg zur weltweit ersten 3D-gedruckten, zellularisierten Lunge. Sie gehen davon aus, dass das Projekt in den nächsten fünf Jahren für Versuche am Menschen freigegeben wird, heißt es in dem Bericht.

Forscher der Boston University haben einen Bioprint eines menschlichen Miniaturherzens erstellt, das selbstständig schlägt. Forscher stellten das „miniPump“ genannte Zwergherz aus lebenden, aus Stammzellen gewonnenen menschlichen Herzzellen und 3D-gedruckten Acrylteilen im Mikromaßstab her. Künftig werden diese winzigen künstlichen Herzen dazu dienen, den menschlichen Körper aus nächster Nähe zu untersuchen und so Einblicke in sein Embryonalwachstum, den Verlauf von Herzerkrankungen oder die Reaktion des blutpumpenden Organs auf neue Medikamente zu erhalten.

Im Jahr 2019 entwickelten Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute vollständig vaskularisierte Hautpflaster und schufen damit erfolgreich einen synthetischen Ersatz für das größte Organ des Körpers. Das flüssige Hautgel bestand aus einem menschlichen Zellcocktail, der in aus Rattenschwänzen gewonnenem Kollagen suspendiert war. Bei der Transplantation auf Nagetiertestsubjekte bildeten die biotechnologisch hergestellten Hautpflaster organisch entwickelte Blutgefäße, die sich innerhalb weniger Wochen mit dem Gefäßsystem des Wirts verbanden. Die Erkenntnisse der Studie versprechen in naher Zukunft eine bessere Versorgung von Verbrennungen und eine beschleunigte Wundheilung.

An anderer Stelle haben Wissenschaftler des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ein mobiles Haut-Bioprinting-System entwickelt, das vom Krankenbett eines Patienten aus Pseudohaut direkt in eine Wunde drucken kann.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind Hornhauttrübungen weltweit die fünfthäufigste Erblindungsursache. Um die 4,2 Millionen Menschen zu unterstützen, die unter einer behandelbaren Sehbehinderung leiden, hat ein Team indischer Forscher ein biogedrucktes Hornhautimplantat entwickelt, das Tierversuche bestanden hat. Für jede gespendete menschliche Hornhaut können laut Forschern drei künstliche Hornhäute gedruckt werden.

Die Nachdruckung von Teilen des weiblichen Fortpflanzungssystems könnte dazu beitragen, die Lücken im unterfinanzierten und wenig erforschten Bereich der Frauengesundheit zu schließen. Ein Forscherteam der Northwestern University hat seinen Teil dazu beigetragen und erfolgreich eine Eierstock-Bioprothese implantiert, die die Hormonproduktion steigern, die Fruchtbarkeit wiederherstellen und die endokrine Gesundheit bei Mäusen wiederherstellen kann. In dem Experiment wurden gesunde Eierstöcke entfernt und dann durch biogedruckte Gerüste auf Gelatinebasis ersetzt, die unreife Mäuseeier beherbergten. Die Bioprothesen waren für den Eisprung, die Befruchtung und die Durchführung einer Lebendgeburt geeignet.

Jeder sechste Todesfall wird durch Krebs verursacht. Dennoch bleibt die Art und Weise, wie diese Zellen kommunizieren und sich verhalten, für die gesamte medizinische Fachwelt ein Rätsel.

Um die Vielzahl mutierter Zellen besser zu verstehen, haben Wissenschaftler die 2007 vom Wyss Institute eingeführte „On-a-Chip“-Technologie angepasst, um das Verhalten von Krebszellen zu untersuchen. Diese mikrofluidischen Kulturgeräte, die in Form von „Tumor-on-a-chip“ oder „Cancer-on-a-chip“ erhältlich sind, bieten einen Einblick in die Mikroumgebungen, in denen sich Metastasen vermehren, um ein besseres Verständnis für die Entwicklung von Anti-Antikörpern zu erlangen. Krebserreger.

Laut Creek ist die Krebsforschung eine oft übersehene Bioprinting-Anwendung.

„Der größte Teil des Medieninteresses richtet sich auf implantierte Technologien“, sagte Creek. „Aber wenn man menschliches Gewebe, Organe oder bestimmte Krebstumoren in einer Reagenzglasumgebung nachbilden könnte, könnte man die Wirkung von Medikamenten und anderen Behandlungen untersuchen, bevor man sie am Menschen ausprobiert.“

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Beim Bioprinting geht es nicht nur um die Herstellung von Doppelgängern – diese lebenden Zellstrukturen sind auch funktionelle, biologische Nachbildungen ihrer natürlich vorkommenden Gegenstücke. Biomimikry wird erreicht, wenn ein künstlicher Zwilling erfolgreich zelluläre Interaktionen im Probengewebe nachbildet, indem er identische Strukturelemente aus denselben Zelltypen repliziert, die unter kontrollierten Bedingungen gleichmäßig platziert sind. Um diesen Prozess zu unterstützen, sind Wissenschaftler auf Gerüste und Bioreaktoren angewiesen.

Jede im 3D-Druckbereich entwickelte Technologie genießt ein hohes Maß an Kontrolle. Diese Maschinen sind darauf ausgelegt, CAD-Modelle bis hin zur Zellposition entlang einer XYZ-Achse zu reproduzieren und so architektonisch komplexe Mikrostrukturen nachzubilden, die zur Biomimikry fähig sind.

„Außerdem eignet sich Bioprinting besser für die Herstellung von Gewebe mit mehreren Sätzen unterschiedlicher Zelltypen“, sagte Bhuiyan, „das anderen traditionellen Herstellungstechniken normalerweise fehlt.“

Die Forschung zur Implementierung künstlicher Intelligenz – genauer gesagt maschinellen Lernens – zur Schaffung des perfekten digitalen Duplikats ist bereits im Gange.

Die hochgradig anpassbare Natur des 3D-Drucks lässt darauf schließen, dass letztendlich patientenspezifische Behandlungen möglich sind. Bei einer Extraktionsbiopsie kultivieren Ärzte die Zellen, bevor sie sie zu einer Biotinte mischen, die dazu verwendet wird, aus der eigenen DNA des Patienten das gewünschte Organ oder Gewebe zu konstruieren. Diese personalisierten Gewebe und Organe sind maßgeschneidert für jeden Patienten und verringern die Wahrscheinlichkeit einer Abstoßung.

Abgesehen von der Vor- und Nachbearbeitung, die für das Tissue Engineering erforderlich ist, lässt sich Bioprinting sehr gut automatisieren. Die Massenproduktion von Organen könnte den Unterschied zwischen Leben und Tod für diejenigen bedeuten, die auf der Transplantationsliste stehen – von denen laut der Health Resources and Services Administration jeden Tag 17 sterben. Das Versprechen des Bioprinting liegt in der skalierbaren Bereitstellung von On-Demand-Transplantaten, die so einfach ist wie das Entnehmen von Zellen, das Hochladen einer digitalen Datei und das Drücken von Drucken. Je computerisierter ein Verfahren wird, desto geringer ist auch die Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler.

Wenn Bioprinting in der Lage ist, lebendes Gewebe zu erzeugen, das dem natürlich vorkommenden Gewebe des Menschen nachempfunden ist, dann wird die Möglichkeit, Tierversuche vollständig aus biowissenschaftlichen Laboren zu verbannen, eher zur Realität. Eine Organisation, ein europäisches Projekt namens BRIGHTER, das vom katalanischen Institut für Bioingenieurwesen koordiniert wird, hofft, mit ihrer neuartigen Technologie, die Lichtblattlithographie zur Herstellung funktioneller menschlicher Haut nutzt, Tierversuche zu eliminieren.

Angesichts der Tatsache, dass es sich bei der beim Biodruck verwendeten Technologie und Hardware lediglich um Adaptionen grundlegender 3D-Drucksysteme handelt, die für Kunststoffe und Metalle entwickelt wurden, stößt dieser Entwicklungsaspekt auf erhebliche Einschränkungen. Bei der Arbeit mit Baumaterialien aus Biotinte mangelt es an der Konstruktion dieser Maschinen in Bereichen, die für Biomaterialien wichtig sind, da Filamente mit niedriger Viskosität, eine streng kontrollierte, emissionsfreie Umgebung und eine nahezu perfekte Tröpfchenplatzierung erforderlich sind.

„Derzeit sind die meisten Materialien, die für den 3D-Druck geeignet sind, nicht sehr gut für Zellen“, sagte Bhuiyan. „Ebenso sind die meisten Materialien, die Zellen wirklich lieben, nicht für den 3D-Druck geeignet. Es besteht also ein echter Bedarf an der Entwicklung [kompatiblerer] Biotintenmaterialien.“

Beim Bioprinting sind Zellen einer erheblichen Belastung ausgesetzt. Für den Erfolg eines Projekts ist es entscheidend, sicherzustellen, dass ein bestimmter Prozentsatz der Zellen lebensfähig bleibt. Unterdimensionierte Düsen, hohe Drücke und nährstoffarme Umgebungen können zu Schäden oder Zelltod führen und möglicherweise die Funktionalität eines Teils in der Postproduktion beeinträchtigen. Auch Bioprinting-Techniken, bei denen Licht zum Einsatz kommt, etwa die Stereolithographie oder lasergestützte Methoden, können den Zellkulturen thermischen und Strahlungsstress zufügen.

Die Herstellung biomedizinischer Teile ist kostspielig. Bioprinting ist eine arbeitsintensive Wissenschaft, die auch auf hochkarätige Maschinen angewiesen ist. Nach Angaben des Hardware-Marktplatzes für additive Fertigung Aniwaa kosten Top-Drucker wie der Poietis NGB-R 200.000 US-Dollar – ein deutlicher Preissprung im Vergleich zu denen, die üblicherweise im nicht-biologischen, polymerbasierten 3D-Druck verwendet werden. Günstigere Modelle wie Regemat Bio V1 kosten etwa 25.000 US-Dollar und richten sich am häufigsten an Universitätsforscher. Berücksichtigen Sie auch die Kosten, die mit dem Erwerb menschlicher Zellen und Eigentumsrechte bei der Arbeit mit Biomaterialien verbunden sind.

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Die größten Erfolge im Bioprinting liegen heute bei einfachen biomedizinischen Strukturen, die flach und hohl sind, wie Blutgefäße, Kapillaren und andere Röhren, die für den Nährstoff- und Abfallaustausch verantwortlich sind.

Laut Mark Skylar-Scott, Professor für Bioingenieurwesen an der Stanford University, versuchen Forscher derzeit, zwei große Hindernisse in der Gewebezüchtung zu überwinden. Die erste besteht darin, die Zelltypen am besten zu platzieren, um schließlich komplexe Gewebe wie ganze Organe aufzubauen. Die zweite besteht darin, herauszufinden, wie man künstliche Modelle mit eingebauten Blutgefäßen drucken kann. Auf diese Weise könnten sich Zellstrukturen darauf verlassen, dass die Gefäßnetzwerke während längerer Produktionsprozesse gut ernährt und mit Sauerstoff versorgt bleiben.

Diese Herausforderungen haben unkonventionelle Projekte vorangetrieben, etwa die Fusion von Biotinten aus menschlichen Zellen mit pflanzlichen Algenzellen oder die Anwendung von Kryobiodruck, um die Haltbarkeit einer lebenden Struktur während der Produktion zu verlängern, im Rennen um das erste biotechnologisch hergestellte Organ der Welt. Dieses Rennen wird wahrscheinlich KI-Programmierung mit maschinellem Lernen erfordern, um fehlerfreie, anatomisch genaue Modelle mit automatisierter Geschwindigkeit zu erstellen.

Mit Blick auf die Zukunft gehen Experten davon aus, dass biogedruckte menschliche Transplantate möglicherweise nur noch ein Jahrzehnt entfernt sind.

Doch bis dahin gibt es noch viel zu tun.

„Wir müssen umfangreiche klinische Studien abschließen, bevor biogedruckte Technologien beim Menschen eingesetzt werden können, und dieser Prozess kann viele Jahre dauern“, sagte Creek. Dazu gehören gründliche Sicherheits- und Wirksamkeitsprüfungen aller akkreditierten Aufsichtsbehörden. Nach der Genehmigung beginnt der Kampf um das Endergebnis. Dann müssen die Forschungsteams und die bahnbrechenden Biotech-Start-ups nicht nur die Wissenschaft hinter ihrer Methodik beweisen, sondern auch, wie finanziell sinnvoll sie ist.

„Krankenhaussysteme und Versicherungsunternehmen müssen erkennen, dass sich ein Produkt, für das sie bezahlen, ‚lohnt‘“, fügte Creek hinzu. „Sonst wird es erhebliche Rückschläge bei der Einführung geben.“

Selbst wenn medizinische Innovationen das Unmögliche verwirklichen, können Behandlungen für die Patientengruppen, die sie am dringendsten benötigen, finanziell unerreichbar bleiben.

Positiv zu vermerken ist, dass die Zukunft des Biodrucks vor einem glücklichen Ende steht – die Frage ist nicht, ob diese Technologie den weltweiten Organmangel lindern kann, sondern wann.

Bioprinting wird für das Tissue Engineering und die Arzneimittelforschung insbesondere in der regenerativen Medizin eingesetzt. Es kann lebendes Gewebe, Knochen und Blutgefäße produzieren – aber noch keine ganzen Organe.

Dreidimensionale Druckmethoden wurden vor dem Konzept des Bioprintings entwickelt, so dass viele der vorhandenen Systeme und Hardware den Anforderungen des Tissue Engineering nachkommen.

Obwohl beide ähnliche Methoden zum Erstellen dreidimensionaler Strukturen verwenden, werden beim 3D-Druck nicht-biologische Materialien wie Metalle, Kunststoffe und Keramik verwendet, während beim Biodruck ein zellbasiertes Filament, bekannt als Biotinte, aus lebenden Biomaterialien verwendet wird.