11. Juli 2022 – Fast 1 von 100 Kindern in den Vereinigten Staaten mit Herzfehlern geboren werden. Die Auswirkungen können verheerend sein und erfordern, dass sich das Kind auf implantierte Geräte verlässt, die im Laufe der Zeit geändert werden müssen.
„Mechanische Lösungen wachsen nicht mit dem Patienten“, sagt er Mark Skylar-Scott, PhD, Professor für Bioingenieurwesen an der Stanford University. „Das bedeutet, dass der Patient im Laufe seines Wachstums mehrere Operationen benötigen wird.“
Er und sein Team arbeiten an einer Lösung, die diesen Kindern mit weniger Operationen eine bessere Lebensqualität bieten könnte. Ihre Idee: Mit 3D „Bioprintern” um die Gewebe herzustellen, die Ärzte benötigen, um einem Patienten zu helfen.
„Der Traum ist es, Herzgewebe wie Herzklappen und Ventrikel drucken zu können, die leben und mit dem Patienten wachsen können“, sagt Skylar-Scott, der in den letzten 15 Jahren an Bioprinting-Technologien zur Herstellung von Gefäßen und Herzen gearbeitet hat Gewebe.
Der 3D-Drucker für Ihren Körper
Normaler 3D-Druck funktioniert ähnlich wie der Tintenstrahldrucker in Ihrem Büro, aber mit einem entscheidenden Unterschied: Anstatt eine einzelne Tintenschicht auf Papier zu sprühen, gibt ein 3D-Drucker Schichten aus geschmolzenem Kunststoff oder anderen Materialien einzeln ab, um daraus etwas zu bauen Prost. Das Ergebnis kann so ziemlich alles sein, von Autoteile zu ganze Häuser.
Dreidimensionales Bioprinting oder der Prozess, aus lebenden Zellen 3D-Strukturen wie Haut, Gefäße, Organe oder Knochen zu erzeugen, klingt wie aus einem Science-Fiction-Film, existiert aber tatsächlich seitdem 1988.
Wo ein 3D-Drucker auf Kunststoff oder Beton angewiesen sein kann, benötigt ein Bioprinter „Dinge wie Zellen, DNA, microRNA und andere biologische Materie“, sagt er Ibrahim Özbolat, PhDProfessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, Biomedizintechnik und Neurochirurgie an der Penn State University.
„Diese Materialien werden in Hydrogele geladen, damit die Zellen lebensfähig bleiben und wachsen können“, sagt Ozbolat. „Diese ‚Bio-Tinte‘ wird dann geschichtet und erhält Zeit, um zu lebendem Gewebe zu reifen, was 3 bis 4 Wochen dauern kann.“
Welche Körperteile konnten Wissenschaftler bisher drucken? Die meisten Gewebe, die bisher durch Bioprinting hergestellt wurden, sind recht klein – und fast alle befinden sich noch in verschiedenen Testphasen.
„Klinische Studien zur Rekonstruktion des Knorpelohrs, der Nervenregeneration und der Hautregeneration haben begonnen“, sagt Ozbolat. „In den nächsten 5 bis 10 Jahren können wir mit weiteren klinischen Studien mit komplexen Organtypen rechnen.“
Was hält das Bioprinting zurück?
Das Problem beim 3D-Bioprinting ist, dass menschliche Organe dick sind. Es braucht Hunderte Millionen Zellen, um einen einzigen Millimeter Gewebe zu drucken. Das ist nicht nur ressourcenintensiv, sondern auch enorm zeitaufwändig. Ein Bioprinter, der einzelne Zellen auf einmal herausdrückt, würde mehrere Wochen brauchen, um auch nur wenige Millimeter Gewebe zu produzieren.
Aber Skylar-Scott und sein Team haben kürzlich einen Durchbruch erzielt, der dazu beitragen kann, die Herstellungszeit erheblich zu verkürzen.
Anstatt mit einzelnen Zellen zu arbeiten, hat das Team von Skylar-Scott erfolgreich mit einem Cluster von Stammzellen namens Organoide biogedruckt. Wenn mehrere Organoide nebeneinander platziert werden, verbinden sie sich – ähnlich wie Reiskörner zusammenklumpen. Diese Klumpen setzen sich dann selbst zusammen und bilden ein Netzwerk aus winzigen Strukturen, die Miniaturorganen ähneln.
„Anstatt einzelne Zellen zu drucken, können wir mit größeren Bausteinen drucken [the organoids]“, sagt Skylar-Scott. „Wir glauben, dass dies eine schnellere Methode zur Herstellung von Tissue ist.“
Während die Organoide die Produktion beschleunigen, besteht die nächste Herausforderung für diese Art des 3D-Biodrucks darin, genügend Materialien zu haben.
„Jetzt, wo wir Dinge mit vielen Zellen herstellen können, brauchen wir viele Zellen zum Üben“, sagt Skylar-Scott. Wie viele Zellen werden benötigt? Er sagt: „Ein typischer Wissenschaftler arbeitet mit 1 bis 2 Millionen Zellen in einer Schale. Um ein großes, dickes Organ herzustellen, braucht es 10 bis 300 Milliarden Zellen.“
Wie Bioprinting die Medizin verändern könnte
Eine Vision für das Bioprinting ist die Herstellung von lebendem Herzgewebe und ganzen Organen zur Verwendung bei Kindern. Dies könnte die Notwendigkeit von Organtransplantationen und Operationen verringern, da das lebende Gewebe zusammen mit dem eigenen Körper des Patienten wachsen und funktionieren würde.
Aber viele Probleme müssen gelöst werden, bevor wichtige Körpergewebe gedruckt und lebensfähig werden können.
„Im Moment denken wir klein, anstatt ein ganzes Herz zu drucken“, sagt Skylar-Scott. Stattdessen konzentrieren sie sich auf kleinere Strukturen wie Klappen und Ventrikel. Und diese Strukturen, sagt Skylar-Scott, sind mindestens 5 bis 10 Jahre alt.
In der Zwischenzeit stellt sich Ozbolat eine Welt vor, in der Ärzte genau die Strukturen biodrucken könnten, die sie benötigen, während ein Patient auf dem Operationstisch liegt. „Es ist eine Technik, bei der Chirurgen den Abdruck direkt auf den Patienten ziehen können“, sagt Ozbolat. Solcher Gewebedruck Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen, aber sein Team ist bestrebt, sie weiter voranzubringen.