3D-Bioprinting

Dreidimensionales (3D) Bioprinting ist die Verwendung von 3D-Druck und 3D-Druck-ähnlichen Techniken, um Zellen, Wachstumsfaktoren und Biomaterialien zu kombinieren, um biomedizinische Teile herzustellen, die natürliche Gewebemerkmale maximal imitieren. Im Allgemeinen verwendet das 3D-Bioprinting die Schicht-für-Schicht-Methode, um als Bioinke bekannte Materialien abzulegen, um gewebeähnliche Strukturen zu erzeugen, die später in medizinischen und Tissue-Engineering-Bereichen verwendet werden. Bioprinting deckt eine breite Palette von Biomaterialien ab.

Gegenwärtig kann der Bioprinting dazu verwendet werden, Gewebe und Organe zu drucken, um bei der Erforschung von Medikamenten und Pillen zu helfen. Neu entstehende Innovationen reichen jedoch vom Bioprinting von Zellen oder extrazellulärer Matrix, die Schicht für Schicht in ein 3D-Gel abgeschieden werden, um das gewünschte Gewebe oder Organ zu erzeugen. Die jüngste Explosion der Popularität des 3D-Drucks ist ein Beweis für das Versprechen dieser Technologie und ihren profunden Nutzen in der Forschung und regenerativen Medizin. Darüber hinaus hat das 3D-Bioprinting begonnen, den Druck von Gerüsten aufzunehmen. Diese Gerüste können zur Regeneration von Gelenken und Bändern verwendet werden.

Definition
3D-Bioprinting ist der Prozess der Schaffung zellulärer Strukturen auf engstem Raum unter Verwendung von 3D-Drucktechnologien, bei denen die Zellfunktion und die Lebensfähigkeit im gedruckten Konstrukt erhalten bleiben. Im Allgemeinen verwendet das 3D-Bioprinting das Schicht-für-Schicht-Druckverfahren, um Materialien aufzubringen, die manchmal als Bioencres bezeichnet werden, um Strukturen zu erzeugen, die natürlichen biologischen Geweben ähneln, die dann in den Bereichen Medizintechnik und Gewebe verwendet werden breite Palette von Materialien. Gegenwärtig kann das Bioprinting zum Drucken von Geweben und Organen, insbesondere für die pharmazeutische Forschung, verwendet werden. Das erste Patent im Zusammenhang mit dieser Technologie wurde 2003 in den Vereinigten Staaten eingereicht und 2006 erteilt.

Der Bio-Druck ist an der Schnittstelle vieler Bereiche angesiedelt: Medizin, Ingenieurwesen, Informatik, Gentechnologie usw. Biologische Gewebe bestehen aus hartem Gewebe, das aus organischen und anorganischen extrazellulären Matrices und aus Zellen gebildeten weichen Geweben besteht. Lebende Zellmaterie wird aus Stammzellen gedruckt. Es wird in biologischen Tintentröpfchen abgelagert, die aufeinanderfolgende Schichten bilden und die beim Überlagern ein dreidimensionales biologisches Gewebe bilden. Um biologische Tinte zu produzieren, kann man die Stammzellen des Patienten verwenden, die man wachsen lässt (es benötigt Millionen, um einen Quadratmillimeter Gewebe zu erzeugen). Die Stammzellen sind in einem spezifischen Medium suspendiert, das bei Raumtemperatur modifiziert werden kann. Die Unterstützung, auf der das Gewebe gedruckt wird, ist eine dünne Schicht aus Kollagen (das am häufigsten vorkommende Protein im menschlichen Körper, verantwortlich für die Gewebekohäsion), das mit dem Papier eines herkömmlichen Druckers verglichen werden kann. Zusätzlich zu Zellen und Biomaterialien muss der Bioprinter auch ein Spektrum von Biochemikalien (dh Chemokine, Wachstumsfaktoren, Adhäsionsfaktoren oder Signalproteine) enthalten, um eine Umgebung des Überlebens, der Beweglichkeit und der Zelldifferenzierung zu fördern.

Beim Bedrucken eines Gewebes durch 3D-Bioprinting können mehrere Stufen unterschieden werden. Diese drei sequentiellen technologischen Schritte sind Vorbehandlung, Verarbeitung (Druck) und Nachbearbeitung:
Das Design ist mehr oder weniger identisch mit dem ursprünglichen Gewebe und dann dem Computerdesign des Modells, das definiert, wie die Stammzellen Schicht für Schicht entsprechend den im ersten Schritt ausgedrückten Eigenschaften gedruckt werden. Dieser Schritt ist mit dem dritten Schritt gekoppelt, der darin besteht, den Drucker über spezielle Software zu programmieren, die die auszuführenden Aktionen in die Druckersprache übersetzt. Diese zwei Schritte ähneln denen, die ausgeführt werden müssen, um ein Objekt aus einem 3D-Kunststoffdrucker zu entwerfen.
Das automatisierte Drucken des Stoffes durch den Drucker, das sich je nach verwendeter Technologie unterscheidet.

Zwei wichtige Parameter im Bioprint sind Dichte und Auflösung. Die Dichte der Zellen ist diejenige in der biologischen Tinte. Wenn es zu niedrig ist, wird die letzte Phase nicht gut durchgeführt und das Gewebe wird nicht lebensfähig sein. Auflösung ist die Präzision, mit der Zellen vom Drucker platziert werden. Wenn die Präzision nicht optimal ist, wird die vordefinierte Struktur der Zellen nicht respektiert und das Gewebe wird nicht die richtige Form haben, was gleichzeitig den guten Fortschritt der Endphase der Entwicklung der Zellen verhindert.

Der letzte Schritt ist die Reifung der bedruckten Stoffe. Dies ist die Phase, in der sich die zusammengesetzten Zellen entwickeln und miteinander interagieren, um ein zusammenhängendes und lebensfähiges Gewebe zu bilden. Während des Post-Printing in einem Bioreaktor durchlaufen die Gewebe eine schnelle Reifung, einschließlich der Entwicklung einer mehrstufigen Vaskularisierung und Innervation, was die Festigkeit und mechanische Integrität von Geweben für die Transplantation erhöht. In einem Inkubator platziert, entwickeln sich die Gewebe zu einem zusammenhängenden Gewebe. Diese Phase beginnt ca. 48 Stunden nach dem Druck und kann abhängig von der Größe des Stoffes mehrere Wochen dauern. In der Reifephase können wir über 4D-Druck sprechen, weil die Zeitdimension nach dem Drucken wesentlich ist.

Bioreaktoren arbeiten durch Bereitstellung einer Umgebung, die der Gewebeentwicklung förderlich ist, indem sie konvektive Nährstoffe bereitstellen, eine Mikrogravitationsumgebung schaffen und die Zirkulation der Lösung in den Zellen fördern. Es gibt verschiedene Arten von Bioreaktoren, die für verschiedene Arten von Gewebe geeignet sind, zum Beispiel sind Kompressions-Bioreaktoren ideal für Knorpelgewebe.

Technologien
Der 3D-Druck für die Herstellung von künstlichen Organen ist zu einem Hauptfach des biologischen Ingenieurstudiums geworden. Da 3D-Druckherstellungstechniken immer effizienter werden, ist ihre Anwendbarkeit bei der künstlichen Organsynthese deutlicher geworden. Die Hauptvorteile des 3D-Drucks sind seine Massenproduktionskapazität von anpassbaren komplexen Strukturen sowie die hohe anatomische Präzision. 3D-Bioprinting bietet beispiellose Vielseitigkeit bei der Positionierung von Zellen und Biomaterialien mit präziser Kontrolle über ihre Zusammensetzungen, räumliche Verteilungen und architektonische Genauigkeit und ermöglicht eine detaillierte oder sogar personalisierte Rekonstruktion der endgültigen Form, Struktur, Mikrostruktur und Architektur gedruckter Gewebe und Organe.

Im Vergleich zum nicht-biologischen 3D-Druck führt der 3D-Bioprinting zu zusätzlichen Komplexitätsstufen, z. B. Auswahl der Materialien, Zelltyp, Wachstums- und Differenzierungsfaktoren sowie technische Herausforderungen im Zusammenhang mit Zellempfindlichkeiten. Wohn- und Stoffbau.

Das Drucken von Organen unter Verwendung von 3D-Drucken kann unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken durchgeführt werden, die jeweils spezifische Vorteile aufweisen, die auf spezifische Arten der Organproduktion zugeschnitten werden können.

Der traditionelle Tissue-Engineering-Ansatz bestand darin, Zellen auf einem Matrixgerüst zu säen, dh einer festen Trägerstruktur, die ein zusammenhängendes Porennetzwerk umfasst. Diese Struktur muss die Form und die mechanischen Eigenschaften des synthetisierten Gewebes beibehalten und die Zellanheftung unterstützen, indem ein Substrat für die Zellproliferation bereitgestellt wird. Die 3D-Drucktechnologie ist eine neuere Innovation, die das simultane Impfen lebender Zellen und die Erzeugung der Biomaterialstruktur in Schichten ermöglicht.

Die drei beliebtesten 3D-Bioprintingtechnologien sind die Laserdrucktechnologie, die Mikroextrusionstechnologie und die Tintenstrahltechnologie. Zusätzlich zu diesen Technologien entwickelt ein Team von Forschern in Cambridge einen akustischen Drucker, bei dem Wellen das Biocre in Schwingungen versetzen, was dazu führt, dass Tröpfchen mit der Präzision einer Zellengröße ausgestoßen werden. Heute, im Internet, finden Sie Erklärungen, wie Sie Ihren eigenen Bio-Drucker aus einem Bürodrucker Typ HP, wie auf der Website TeVido BioDevices vorgestellt, machen können.

Jede Technologie hat Vor- und Nachteile für den Druck von Tissue Engineering und Organen. Die harten Gewebe des menschlichen Körpers umfassen Knochen, Zähne und Knorpel und bestehen aus einigen Arten von einzelnen Zellen und einem signifikanten Anteil an organischen und anorganischen extrazellulären Matrizen.

Laserdruck
Diese neueste Technologie erforderte 10 Jahre Forschung bei INSERM in Bordeaux. Diese Technik arbeitet nach dem Prinzip des Lasers. Ein Laser wird mittels eines Spiegels gerichtet, durchläuft eine Linse, fokussiert dann, trifft auf ein Deckglas, auf dem ein Film aus biologischer Tinte platziert ist. Während der Wechselwirkung zwischen Laser und Patrone fallen Mikrotropfen, die Zellen in geringer Anzahl enthalten, mit einer Genauigkeit von 5 Mikron auf den Träger. Der Druck ist schnell genug. Experimente haben sogar gezeigt, dass es dank eines in vivo-Eindrucks (direkt auf der Haut eines Lebewesens) an Mäusen funktioniert. Die Muster der Zelle werden durch Laserabtastung mit 10.000 Impulsen pro Sekunde erhalten, wobei jeder Impuls ein Mikrotröpfchen erzeugt. Diese Technologie ist die einzige mit einer Auflösung von Eins (Zelle für Zelle) bis zu 50 Zellen pro Mikrotropfen. Diese Präzision ermöglicht die Reproduktion komplexer biologischer Gewebe in 3 Dimensionen, wie Hautproben.

Laserdruck kombiniert Auflösung und Dichte (etwa 108 Zellen / ml biologische Tinte) mit mehreren Vorteilen. Drei der Vorteile des Laserbiodrucks sind mehr als 95% Zelllebensfähigkeit, weniger Abfall und keine mechanische Belastung. Dies liegt an der Kürze der Impulse, einige Nanosekunden, die die Erwärmung der Zellen minimiert und ihre “Belastung” reduziert. Die Lebensfähigkeit der bedruckten Stoffe hängt jedoch von den Belastungen ab, die auf die Zellen ausgeübt werden. Es ist wichtig, dass die Zellen am wenigsten “degradiert” sind.

Einige Faktoren müssen jedoch noch verbessert werden, da die Maschine noch nicht viele Zellschichten in einer gut organisierten Weise stapelt, die Vorbereitungszeit hoch ist und die Kosten des Druckens ebenfalls hoch sind.

Tintenstrahl
Diese Technologie wird insbesondere in Tedivo Biodevices Heimdruckern eingesetzt. Es ist diese Technologie, die an der Universität von Manchester in England funktioniert. Der Tintenstrahldrucker arbeitet mit einem Druckkopf, der Mikrotröpfchen einer Flüssigkeit, die Zellen enthält (die Biotinte), projiziert. Der Ausstoß der Tröpfchen wird durch einen thermischen (Wärme) oder piezoelektrischen Prozess (elektrische Polarisation der Tinte unter der Einwirkung einer mechanischen Spannung) verursacht. Die Tinte ist bei 20º flüssig, geliert jedoch bei einer Temperatur von 36º. Dieser Prozess ist dem von 3D-Kunststoffdruckern am ähnlichsten.

Diese Technologie ist am kostengünstigsten und einfach zu verwenden mit minimaler Vorbereitungszeit und niedrigen Kosten. Die Druckzeit ist niedrig und die Lebensfähigkeit der Zellen ist größer als 85%, aber die Auflösung ist schlecht, was zu einer schlechten Zellentwicklung führt. Außerdem ist die Dichte auch ein schwierig zu handhabender Parameter, sie ist oft zu niedrig oder sehr niedrig (etwa 106 Zellen / ml, 100-mal weniger als für den Laserdrucker). Diese Nachteile machen es zur Zeit ungeeignet für den Druck komplexer Stoffe, es dient nur dazu, Muster zu drucken, dank der zu bedruckenden Zellen.

Mikro-Extrusion
Die Mikroextrusion (auch Bioextrusion genannt) ist die einzige Methode, die das US-amerikanische Unternehmen Organovo mit seinem Novogen MMX-Drucker, der in Zusammenarbeit mit der University of Missouri und der Entwicklung im Jahr 2005 entwickelt wurde, zu industrialisieren begann.

Dieser Drucker arbeitet mit zwei Druckköpfen. Einer legt das Gel und der andere die Zellen ab. Die Zellen werden in eine Mikrospritze geschoben und mit einer Nadel abgelegt. Die Schichten werden abwechselnd abgeschieden, eine Hydrogelschicht (Wassergemisch) gefolgt von einer Zellschicht. Das Hydrogel wird verwendet, um die Anordnung von Zellschichten ähnlich dem Gerüst zu strukturieren. Die Hydrogele lösen sich dann während der Reifephase auf, wodurch die Zellen miteinander verschmelzen können. Die Bioextrusion ermöglicht eine hohe Dichte, aber mit einer mittleren Auflösung (von 5 Mikrometer bis zu einigen Millimetern). Die Vorbereitungszeit ist durchschnittlich im Vergleich zu anderen Techniken, aber mit einer höheren Druckzeit (sehr langsam). Die Kosten für diese Art von Drucker sind mittel und die Lebensfähigkeit (Fähigkeit, nach dem Drucken und während der Reifungsphase zu überleben) der Zellen liegt zwischen 40 und 80%, diese Rate ist niedrig im Vergleich zu anderen Technologien und dieser Aspekt bleibt bestehen verbessert.

Hybridtechniken
Diese Technologien haben heute begrenzte Möglichkeiten, aber einige Forscher betrachten “hybride Drucker”. Diese Technik bleibt in der Testphase, aber in den Vereinigten Staaten ist es Forschern gelungen, Zelldrucken und Ablagerung von biologisch abbaubarem Polymer (Substanz aus Molekülen, die durch die Wiederholung eines oder mehrerer Atome oder Atomgruppen, die natürlich, synthetisch sein können, zu verbinden) gekoppelt oder künstlich) Knorpel bilden.

Bioprinter
Es gibt verschiedene Bioprinter auf dem Markt. Die Preise reichen von 10.000 US-Dollar für BioBot 1 bis zu 200.000 US-Dollar für den 3D-Bioplotter von EnvisionTec. Der Aether 1 Bio-Drucker soll ab 2017 zum Preis von 9.000 USD vermarktet werden. In der Praxis entwickeln Forscher oft eigene experimentelle Bio-Drucker.

Verarbeiten
Das 3D-Bioprinting erfolgt in der Regel in drei Schritten: Prä-Bioprinting, Bioprinting und Post-Bioprinting.

Pre-Bioprinting
Beim Pre-Bioprinting wird ein Modell erstellt, das der Drucker später erstellt und die zu verwendenden Materialien auswählt. Einer der ersten Schritte besteht darin, eine Biopsie des Organs zu erhalten. Gemeinsame Technologien für den Bioprinting sind Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT). Um mit einem Schicht-für-Schicht-Verfahren zu drucken, wird eine tomographische Rekonstruktion auf den Bildern durchgeführt. Die nun 2D-Bilder werden dann an den Drucker gesendet. Sobald das Bild erstellt ist, werden bestimmte Zellen isoliert und multipliziert. Diese Zellen werden dann mit einem speziellen verflüssigten Material gemischt, das Sauerstoff und andere Nährstoffe bereitstellt, um sie am Leben zu erhalten. In einigen Prozessen sind die Zellen in zellulären Sphäroiden mit einem Durchmesser von 500 & mgr; m eingekapselt. Diese Aggregation von Zellen erfordert kein Gerüst und wird benötigt, um für Prozesse wie Extrusion in die schlauchartige Gewebeverschmelzung einzubringen.

Bioprinting
Im zweiten Schritt wird das flüssige Gemisch aus Zellen, Matrix und Nährstoffen, die als Biotinten bekannt sind, in eine Druckerpatrone gegeben und mit den medizinischen Scans der Patienten deponiert. Wenn ein bioprintes Vorgewebe in einen Inkubator überführt wird, reift dieses zellbasierte Vorgewebe zu einem Gewebe.

Das 3D-Bioprinting zur Herstellung biologischer Konstrukte umfasst typischerweise das Dispensieren von Zellen auf ein biokompatibles Gerüst unter Verwendung einer sukzessiven Schicht-für-Schicht-Vorgehensweise, um gewebeartige dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Künstlichen Organen wie Leber und Nieren, die durch 3D-Bioprinting hergestellt wurden, fehlt es an entscheidenden Elementen, die den Körper beeinflussen, wie funktionierende Blutgefäße, Kanälchen zum Sammeln von Urin und das Wachstum von Milliarden von Zellen, die für diese Organe benötigt werden. Ohne diese Komponenten hat der Körper keine Möglichkeit, die essentiellen Nährstoffe und Sauerstoff tief in ihrem Inneren zu bekommen. Da jedes Gewebe im Körper auf natürliche Weise aus verschiedenen Zelltypen zusammengesetzt ist, variieren viele Technologien zum Drucken dieser Zellen in ihrer Fähigkeit, Stabilität und Lebensfähigkeit der Zellen während des Herstellungsprozesses sicherzustellen. Einige der Methoden, die für das 3D-Bioprinting von Zellen verwendet werden, sind Photolithographie, magnetisches Bioprinting, Stereolithographie und direkte Zell-Extrusion.

Post-Bioprinting
Der Post-Bioprinting-Prozess ist notwendig, um aus dem biologischen Material eine stabile Struktur zu erzeugen. Wenn dieser Prozess nicht gut gewartet wird, ist die mechanische Integrität und Funktion des 3D-gedruckten Objekts gefährdet. Um das Objekt zu erhalten, sind sowohl mechanische als auch chemische Stimulationen erforderlich. Diese Stimulationen senden Signale an die Zellen, um das Remodelling und das Wachstum von Geweben zu kontrollieren. Darüber hinaus haben Bioreaktortechnologien in der jüngsten Entwicklung die schnelle Reifung von Geweben, die Vaskularisation von Geweben und die Fähigkeit, Transplantate zu überleben, ermöglicht.

Bioreaktoren arbeiten entweder mit konvektivem Nährstofftransport, erzeugen Mikrogravitationsumgebungen, verändern den Druck, der bewirkt, dass die Lösung durch die Zellen fließt, oder fügen Kompression für dynamische oder statische Belastung hinzu. Jede Art von Bioreaktor ist ideal für verschiedene Arten von Gewebe, zum Beispiel Kompressions-Bioreaktoren sind ideal für Knorpelgewebe.

Bioprinting-Ansatz
Forscher auf diesem Gebiet haben Ansätze entwickelt, um lebende Organe herzustellen, die mit den entsprechenden biologischen und mechanischen Eigenschaften konstruiert sind. Das 3D-Bioprinting basiert auf drei Hauptansätzen: Biomimikry, autonome Selbstorganisation und Mini-Gewebebausteine.

Biomimikry
Der erste Ansatz des Bioprintings wird Biomimikry genannt. Das Hauptziel dieses Ansatzes ist es, fabrizierte Strukturen zu schaffen, die mit der natürlichen Struktur identisch sind, die in den Geweben und Organen des menschlichen Körpers gefunden werden. Die Biomimikry erfordert eine Verdopplung der Form, des Gerüsts und der Mikroumgebung der Organe und Gewebe. Die Anwendung von Biomimikry im Bioprinting beinhaltet die Schaffung von sowohl identischen zellulären als auch extrazellulären Teilen von Organen. Damit dieser Ansatz erfolgreich ist, müssen die Gewebe im Mikromaßstab repliziert werden. Daher ist es notwendig, die Mikroumgebung, die Art der biologischen Kräfte in dieser Mikroumgebung, die genaue Organisation der funktionellen und unterstützenden Zelltypen, die Löslichkeitsfaktoren und die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix zu verstehen.

Autonome Selbstorganisation
Der zweite Ansatz des Bioprintings ist die autonome Selbstorganisation. Dieser Ansatz beruht auf dem physikalischen Prozess der embryonalen Organentwicklung als ein Modell, um die interessierenden Gewebe zu replizieren. Wenn sich Zellen in ihrer frühen Entwicklung befinden, erzeugen sie ihren eigenen extrazellulären Matrixbaustein, die richtige Zellsignalisierung und unabhängige Anordnung und Musterung, um die erforderlichen biologischen Funktionen und die Mikroarchitektur bereitzustellen. Die autonome Selbstorganisation erfordert spezifische Informationen über die Entwicklungstechniken der Gewebe und Organe des Embryos. Es gibt ein “Gerüst-freies” Modell, das selbstorganisierende Sphäroide verwendet, die sich der Fusion und Zellanordnung unterziehen, um sich entwickelnden Geweben zu ähneln. Die autonome Selbstorganisation hängt von der Zelle als dem fundamentalen Treiber der Histogenese ab und führt die Bausteine, strukturelle und funktionelle Eigenschaften dieser Gewebe. Es erfordert ein tieferes Verständnis darüber, wie embryonale Gewebemechanismen sowie die Mikroumgebung entwickelt werden, um das bioprinted Gewebe zu schaffen.

Mini-Gewebe
Der dritte Ansatz des Bioprintings besteht in einer Kombination von biomimetischen und selbstorganisierenden Methoden, die als Mini-Gewebe bezeichnet werden. Organe und Gewebe bestehen aus sehr kleinen funktionellen Komponenten. Mini-Tissue-Ansatz nimmt diese kleinen Stücke und fertigen und ordnen sie in größeren Rahmen.

Drucker
Ähnlich wie gewöhnliche Tintendrucker haben Bioprinter drei Hauptkomponenten. Dies sind die verwendete Hardware, die Art der Biotinte und das Material, auf das gedruckt wird (Biomaterialien). “Biotinte ist ein Material aus lebenden Zellen, das sich ähnlich wie eine Flüssigkeit verhält und es den Menschen ermöglicht, sie zu” drucken “, um eine gewünschte Form zu erzeugen. Um Biotinte herzustellen, erstellen Wissenschaftler eine Aufschlämmung von Zellen, in die sie geladen werden können eine Patrone und wird in einen speziell entwickelten Drucker eingesetzt, zusammen mit einer anderen Patrone, die ein als Biopapier bekanntes Gel enthält. ”

Beim Bioprinting gibt es drei Haupttypen von Druckern, die verwendet wurden. Dies sind Tintenstrahl-, Laser-unterstützte und Extrusionsdrucker. Tintenstrahldrucker werden hauptsächlich im Bioprinting für schnelle und große Produkte verwendet. Eine Art von Tintenstrahldrucker, Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker genannt, druckt Materialien in exakten Mengen, wodurch Kosten und Ausschuss minimiert werden. Drucker, die Laser verwenden, liefern hochauflösendes Drucken; Diese Drucker sind jedoch oft teuer. Extrusionsdrucker drucken die Zellen Schicht für Schicht wie 3D-Druck, um 3D-Konstrukte zu erstellen. Zusätzlich zu reinen Zellen können Extrusionsdrucker auch Hydrogele verwenden, die mit Zellen infundiert sind.

Anwendung
Der Bereich der regenerativen Medizin hat in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte bei der Herstellung funktioneller Substitute für biologisches Gewebe gemacht. Obwohl seit mehr als einem Jahrzehnt lebende Zellen und Biomaterialien (normalerweise Hydrogele) durch Bioprinting gedruckt wurden, bleiben 29 konventionelle Ansätze, die auf extrazellulären Matrices und Mikrotechnik basieren, in ihrer Fähigkeit beschränkt, Gewebe mit präzisen biomimetischen Eigenschaften zu produzieren.

Im Jahr 2013 produzierte Organovo eine menschliche Leber durch Bio-Druck-Techniken. Der Körper war jedoch nicht für eine Transplantation geeignet und wurde hauptsächlich als Mittel zum Screening auf Drogen verwendet 30.

Nutzung von Bioprints im Jahr 2017
Bioprinting macht es bereits möglich, lebende Strukturen zu schaffen. Zelluläre lebende Materie wird in vielen Laboratorien auf der ganzen Welt gedruckt, Zellgewebe sind lebensfähig und Bio-Drucken beeinflusst die Zelldifferenzierung nicht. Einige der Technologien wurden bei medizinischen Behandlungen mit einigem Erfolg angewendet. 3D-Bioprinting wurde bereits für die Herstellung und Transplantation von mehreren Geweben verwendet, einschließlich mehrschichtiger Haut, Knochen, Gefäßtransplantaten, Trachealprothesen, Herzgeweben und Knorpelstrukturen.

Das Drucken von komplexen Organen ist Gegenstand intensiver Forschung auf der ganzen Welt. Zum Beispiel für das Herz, die Bauchspeicheldrüse, die Leber oder die Nieren. Anfang 2017 hatte diese Forschung noch nicht zu einer Transplantation geführt.

Im Mai 2017 verwendeten die Forscher den Bioimpression zur Herstellung von Mausovarien. Sterile Mäuse, denen der künstliche Eierstock implantiert wurde, waren in der Lage, normalerweise gesunde Baby-Mäuse zu ovulieren, abzugeben und zu ernähren. Die Studie ist das erste, das ein solches Ergebnis mithilfe des 3D-Drucks erreicht.

Aktuelle Fortschritte für die Haut.
Den Forschern gelang es, verschiedene Strukturen und Zelltypen zu drucken: Multischichten von Keratinozyten (Zellen der oberflächlichen Hautschicht und oberflächliche Körperwucherungen: Nägel, Haare, Haare) und Kollagen.

Im Jahr 2010 gelang es dem Bordeaux-Labor, Knochenzellen (um Knochengewebe zu erneuern und zu konsolidieren) direkt auf den Schädel einer lebenden Maus mit einem kleinen Loch zu drucken. Im Fall des direkten Drucks auf den Patienten sprechen wir vom Drucken in vivo. Die Forscher verwendeten das gleiche Prinzip, um einen Knochenteil und einen Teil der Haut zu drucken, indem später gedruckte Mesenchymzellen entfernt wurden. Mesenchymzellen können verschiedene Arten von Zellen produzieren, die zu Skelettgewebe gehören, wie Knorpel, Knochen und Fett. Sie finden sich im Mesenchym des Embryos und in sehr kleinen Mengen im Erwachsenen. Der Arzt Fabien Guillemot kommentierte die ersten Tests an Mäusen: “Die erhaltenen Ergebnisse sind sehr schlüssig. Die gedruckten Zellen behielten alle ihre Funktionen bei und multiplizierten bis zwei Monate nach dem Druck. Die ersten Probanden zeigten Anzeichen von Heilung. Gleiches Ergebnis für das Hannover Laser Center in Deutschland: Der Stoff repariert die Wunde des Tieres ohne Abstoßung.

Das amerikanische Unternehmen Organovo vermarktet gedruckte Hautproben für die medizinische Forschung. Diese funktionellen organischen Gewebe werden von pharmazeutischen Unternehmen verwendet, um die Auswirkungen von Behandlungen und deren Auswirkungen auf Krankheiten zu testen. Das Unternehmen druckt auch Modelle von krankem Gewebe, um Krankheiten und deren Entwicklung besser zu verstehen. Das Ziel ist auch, die Wirksamkeit von Arzneimittelmolekülen zu testen und die Kosten für klinische Studien zu senken. Große Kosmetikgruppen verwenden auch Proben, um die Toxizität der Pflege vor der Vermarktung zu bewerten und eine Alternative zu Tierversuchen zu finden, die seit 2013 in Europa verboten sind.

Aktuelle Fortschritte für lebenswichtige Organe
Neue Techniken wurden entwickelt, um das Problem der Vaskularisierung von gedruckten Geweben zu überwinden. Eine Technik druckt z. B. weiche Gewebe, die Kollagen und andere biologische Fasern enthalten, in einem Hydrogelhalter. Das bedruckte Gewebe wird dann durch Schmelzen des Trägers gewonnen, ohne die Zellen und die Struktur zu beschädigen. Nach diesem Prinzip wurden bereits Modelle von Femur, Koronararterien, Blutgefäßen und einem Embryo-Herz erfolgreich gedruckt. Diese Zellgewebe sind notwendig, um die Organe mit Sauerstoff zu versorgen, haben aber noch nicht an Menschen getestet und erlauben keine vollständige Vaskularisierung von Organen wie der Leber, der Lunge oder des Herzens.

Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Gefäße ist es jetzt möglich, Miniaturorgane zu schaffen. Organovo zum Beispiel hat mit dem Drucken verschiedener Arten von komplexem Gewebe wie Lungen- und Herzmuskelstücken experimentiert. Sie schaffte es, ein Stück Niere (1 mm dick und 4 mm breit) zu machen, das 5 Tage außerhalb des Labors überlebte. Sie erzeugten auch eine rekonstituierte menschliche Leber, die für 40 Tage funktionsfähig blieb. Diese Leberprobe (3 mm 2 × 0,5 mm dick) war in der Lage, Enzyme, Proteine ​​und Cholesterin zu produzieren. Dies multipliziert sich durch die Lebensdauer des Organs durch den Austausch, der möglicherweise aufgetreten ist. Ähnlich entwickeln chinesische Forscher Nieren, deren Lebensdauer derzeit auf 4 Monate begrenzt ist.

“Wir müssen weiter forschen und mehr Informationen sammeln, aber die Tatsache, dass sich das Gewebe wie eine Leber verhält, deutet darauf hin, dass es sich weiterhin so verhalten wird, wenn es mit Drogen getestet wird.” Sagt Keith Murphy, CEO von Organovo Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…1/index.html Diese Organproben sind seit mindestens 42 Tagen funktionsfähig und dienen der medizinischen Forschung, die bis heute noch nicht in lebenden Organismen integriert ist.

Im Oktober 2016 haben Harvard-Forscher das weltweit erste On-Chip-Herz mit integrierten Sensoren bio-gedruckt. Das Gerät, das ein mikrophysiologisches System ist, ahmt das Verhalten von menschlichem Gewebe nach. Diese Komplettierung ist das anspruchsvollste Organ-on-Chip, auch im Vergleich zu den Lungen, Sprachen und On-Chip Därmen, die ebenfalls von diesem Team produziert werden. Die Entwicklung dieser bio-gedruckten Organ-on-Chip-Anwendung könnte die Abhängigkeit der medizinischen Forschung von Tierversuchen verringern.

Andere Körper
Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…1/index.html Forscher an der Universität von Cambridge in England kündigten an, mithilfe eines Bioprinters Nervenzellen in der Netzhaut einer Ratte nachzubilden. Der Drucker kann Ganglienzellpatronen und Gliazellenpatronen aus Rattenstammzellen zuordnen. Diese Transplantation hat es einem Tier ermöglicht, viel von seiner Sehschärfe wiederherzustellen, während das Risiko einer Abstoßung eliminiert wird. Und im April 2013 machten Wissenschaftler der Princeton University den Eindruck eines bionischen Ohres: Es kombiniert organische Zellen und Nanopartikel zu einer in Knorpel geformten Antenne. Das so erzeugte Ohr kann Radiofrequenzen hören, die mit einem natürlichen menschlichen Ohr nicht hörbar sind.

Wissenschaftler der Columbia University arbeiten an der Herstellung von biogedruckten Zähnen und Gelenken. Dieses Team implantierte zum Beispiel einen Schneidezahn, der aus einer 3D-Struktur im Kiefer einer Ratte erstellt wurde. In zwei Monaten hat das Implantat das Wachstum von Bändern ermöglicht, die neu gebildete Zähne und Knochen unterstützen. Das Forschungsteam implantierte auch bio-gedruckte Hüftknochen an Kaninchen, die nach einigen Wochen mit ihren neuen Gelenken begannen.

Herausforderungen
Obwohl bei der Herstellung von druckbaren Organen bahnbrechende Fortschritte erzielt wurden, bedarf die klinische Umsetzung, insbesondere im Hinblick auf komplexe Organe, weiterer Forschung und Entwicklung. Die Zellproliferation, die für das biologische Drucken erforderlich ist, wird in einer künstlichen und kontrollierten Umgebung durchgeführt, der Marker und natürliche biologische Prozesse fehlen. Das Fehlen dieser Eigenschaften hemmt oft die Entwicklung einer geeigneten Morphologie und Zelldifferenzierung. Wenn diese Bedingungen vorliegen, würde das gedruckte Organ die Bedingungen in vivo genauer nachahmen und eine Struktur und eine adäquate Funktionsweise im Gegensatz zu einem biologischen Wachstum annehmen, das als ein einfaches Gerüst aus Zellen 34 konzipiert ist. Einige der technischen Herausforderungen, die es zu stellen gilt gelöst enthalten:

Die Vaskularisierung: Es ist zwar möglich, basisches Zellgewebe wie beispielsweise die Haut 35 zu schaffen, es ist jedoch unmöglich, komplexe Organe zu erzeugen. In der Tat können Wissenschaftler Blutgefäße wie Kapillaren nicht neu erstellen, weil sie lang, dünn und röhrenförmig sind und die Genauigkeit der Drucker zu niedrig ist. Der Eindruck eines Organs ist daher unmöglich, da die Zellen nicht mit Sauerstoff und Glukose versorgt würden und sehr schnell absterben würden. Außerdem sind die bisher gedruckten Zellhautgewebe nicht vaskularisiert und daher nicht zum Pfropfen geeignet. Zellgewebe muss vaskularisiert werden, sobald ihre Dicke 400 Mikron überschreitet.
Das Nervensystem: Das Nervensystem weist eine große Komplexität auf. Ohne die Nerven können die geschaffenen Muskeln nicht operiert werden und können nicht gepfropft werden.
Die pluripotenten Zellen: Bio-Druck erfordert eine große Menge an pluripotenten Zellen.
Die Überlebenszeit von gedruckten Zellen: Vorläufig leben gedruckte Stoffe nicht sehr lange, weil sie nicht in ihrer natürlichen Umgebung sind. Zum Beispiel gelang es der Firma Organovo, eine Miniaturniere von 4 mm mal 1 mm zu drucken, aber sie blieb nur 5 Tage am Leben.
Der Preis: Die Kosten für High-End-Funktions-Bioprinter sind weiterhin sehr hoch, so dass sie kaum von kleinen Forschungslaboren oder Krankenhäusern erworben werden können. Tatsächlich kostet ein biologischer Drucker mehrere hunderttausend Euro.
Die komplexe Organisation von Organen: Zum Beispiel besteht eine Niere aus einer Million Nephronen, die Blutfiltration und Urinproduktion liefern. Jedes Nephron besteht aus mehreren Untereinheiten wie Glomeruli, die selbst aus vier Arten von Zellen bestehen … Diese Organisation ist sehr komplex, Schicht für Schicht zu drucken.
Der Schweregrad: Selbst mit der höchsten bekannten biologischen Drucktechnik sind Wissenschaftler gezwungen, aufgrund der Schwerkraft Schicht für Schicht Gewebe zu drucken, was die Bildung großer Körper stark erschwert, unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen und molekulare Strukturen verformen würde.
Wissenschaftliches Wissen: Dies ist wahrscheinlich das größte Hindernis für die Entwicklung und den Druck komplexer Organe. Der Mangel an globalem Wissen über den menschlichen Körper ist in verschiedenen Bereichen wie dem Nervensystem oder der Morphogenese des Körpers zu spüren.

Kürzliche Entwicklungen

Vaskularisation
Im April 2017 ist es einem Forscherteam der University of California gelungen, vaskularisiertes Gewebe mit komplexen dreidimensionalen Mikroarchitekturen unter Verwendung der sogenannten “Microcopic Continuous Optical Bio-Impression” (μCOB) Bio-Druckmethode herzustellen. Die In-vivo-Implantation der gedruckten Gewebe zeigte das Überleben und die fortschreitende Bildung des endothelialen Netzwerks im prävaskulären Gewebe.

Schwere
Wissenschaftler sind gezwungen, Zellorgane und Gewebe aufgrund der Schwerkraft in aufeinanderfolgenden Schichten von Zellen zu drucken. Wenn man die Organe in Pseudo-Schwerelosigkeit beispielsweise mit Hilfe eines Magnetfeldes druckt, könnten die Zellen korrekt und ohne Deformation platziert werden.

Professor Vladimir Mironov und sein Forscherteam haben Vereinbarungen für Tests an Bord der Internationalen Raumstation getroffen.

Um diesem Phänomen der Schwerkraft entgegenzuwirken, hatte das Team von Professor Adam Feinbergon die Idee, die Zellen in einem Würfel aus Hydrogel (wasserbasierter gallertartiger Würfel) abzuscheiden. Die so abgeschiedenen Zellen bleiben in dem Hydrogel in Suspension, was ihnen Zeit gibt, genügend zelluläre Verbindungen zu schaffen, so dass sich das erzeugte Organ nicht verformt. Das Gel schmilzt in Wasser bei Körpertemperatur (37 ° C). Sobald die Verbindungen hergestellt sind, reicht es aus, den Hydrogelwürfel in Wasser bei 37 ° C zu tauchen, um das intakte geformte Organ wiederzugewinnen.

Komplexe Organisation
Unter der Leitung von Fabien Guillemot will das Forscherteam von INSERM Bordeaux eine funktionelle Niere nachbilden. Dafür entschieden sie sich, es nicht Schicht für Schicht, sondern Stück für Stück [Präzision benötigt] zu drucken. Indeed, the complex organization of the kidney making it impossible to print layer by layer, the team of INSERM first wants to create glomeruli which could then be assembled to make nephrons, themselves assembled to make a functional kidney.

Pluripotent cells
In 2012, Japanese researcher Shinya Yamanaka successfully created functional pluripotent stem cells from differentiated cells such as skin cells. Indeed, after 7 years of research and testing on mice, the Japanese researcher discovered that by taking the genes that encode the non-differentiation of pluripotent stem cells and placing them in the genetic makeup of the differentiated cell, this last becomes pluripotent. This discovery earned him the Nobel Prize in Medicine. As a result, it is possible to create a pluripotent stem cell culture specific to an individual without even a bone marrow sample.

These differentiated cells reprogrammed into stem cells are designated as iPS cells of the English induced pluripotent stem cells or pluripotent stem cells induced in French.