Organ drucken

Ein druckbares Organ ist ein künstlich konstruiertes Gerät, das für den Organersatz entwickelt wurde und mit 3D-Drucktechniken hergestellt wurde. Der primäre Zweck von druckbaren Organen liegt in der Transplantation. Derzeit wird an künstlichen Herz-, Nieren- und Leberstrukturen sowie anderen wichtigen Organen geforscht. Für kompliziertere Organe wie das Herz waren auch kleinere Konstrukte wie Herzklappen Gegenstand der Forschung. Einige gedruckte Organe nähern sich funktionellen Anforderungen für die klinische Implementierung und umfassen hauptsächlich hohle Strukturen wie die Blase sowie vaskuläre Strukturen wie Urinröhren.

Der 3D-Druck ermöglicht den schichtweisen Aufbau einer bestimmten Organstruktur zur Bildung eines Zellgerüsts. Daran schließt sich der Prozess der Zellaussaat an, bei dem interessierende Zellen direkt auf die Gerüststruktur pipettiert werden. Zusätzlich wurde der Prozess des Integrierens von Zellen in das bedruckbare Material selbst untersucht, anstatt das Impfen danach durchzuführen.

Modifizierte Tintenstrahldrucker wurden verwendet, um dreidimensionales biologisches Gewebe herzustellen. Druckerpatronen sind mit einer Suspension von lebenden Zellen und einem intelligenten Gel gefüllt, das zur Strukturierung dient. Abwechselnde Muster des intelligenten Gels und der lebenden Zellen werden unter Verwendung einer Standarddruckdüse gedruckt, wobei die Zellen schließlich miteinander verschmelzen, um Gewebe zu bilden. Nach Abschluss wird das Gel abgekühlt und weggespült, wobei nur lebende Zellen zurückbleiben.

Geschichte
3D-Druck für die Herstellung eines zellulären Konstrukts wurde erstmals im Jahr 2003 eingeführt, als Thomas Boland von Clemson Universität patentierte die Verwendung von Tintenstrahldruck für Zellen. Dieser Prozess verwendete ein modifiziertes Auftragungssystem für die Abscheidung von Zellen in organisierte 3D-Matrizen, die auf einem Substrat platziert wurden.

Seit Bolands ersten Erkenntnissen wurde der 3D-Druck biologischer Strukturen, auch bekannt als Bioprinting, weiterentwickelt, um die Produktion von Gewebe- und Organstrukturen im Gegensatz zu Zellmatrizen zu ermöglichen. Zusätzlich wurden mehr Techniken zum Drucken, wie zum Beispiel Extrusions-Bioprinten, erforscht und anschließend als ein Produktionsmittel eingeführt.

Der Organdruck wurde als mögliche Lösung für den weltweiten Mangel an Spenderorganen angegangen. Organe, die erfolgreich gedruckt und in einer klinischen Umgebung implementiert wurden, sind entweder flach, wie Haut, vaskulär, wie Blutgefäße, oder hohl, wie die Blase. Wenn künstliche Organe für die Transplantation vorbereitet werden, werden sie oft mit den Zellen des Empfängers produziert.

Komplexere Organe, nämlich solche, die aus festen Zellstrukturen bestehen, werden erforscht; Diese Organe umfassen das Herz, die Bauchspeicheldrüse und die Nieren. Schätzungen darüber, wann solche Organe als lebensfähige medizinische Behandlung eingeführt werden können, variieren. Im Jahr 2013 produzierte das Unternehmen Organovo eine menschliche Leber mit 3D-Bioprinting, obwohl es nicht für die Transplantation geeignet ist, und wurde in erster Linie als Medium für Drogentests verwendet.

Ansätze
Forscher haben verschiedene Ansätze entwickelt, um lebende synthetische Organe herzustellen. Der 3D-Bioprinting basiert auf drei Hauptansätzen: Biomimikry, autonome Selbstorganisation und Konstruktion von Mini-Gewebeblöcken.

Biomimikry
Der erste Ansatz zum Bioprinting heißt Biomimikry. Das Hauptziel dieses Ansatzes ist es, Strukturen zu schaffen, die mit natürlichen Strukturen identisch sind. Biomimikry erfordert eine Verdopplung der Form, des Rahmens und der Mikroumgebung von Organen und Geweben. Biomimikry-Anwendung im Bioprint beinhaltet die identische Kopie der zellulären und extrazellulären Teile der Organe. Damit dieser Ansatz erfolgreich ist, ist eine Gewebsreplikation im Mikrometermaßstab erforderlich. Dieser Grad an Präzision beinhaltet das Verständnis der Mikroumgebung, der Art der biologischen Kräfte, der genauen Organisation der Zellen, der Löslichkeitsfaktoren und der Zusammensetzung und Struktur der extrazellulären Matrix.

Selbstorganisation
Der zweite im Bioprinting verwendete Ansatz ist die autonome Selbstorganisation. Dieser Ansatz beruht auf dem natürlichen physikalischen Prozess der Entwicklung von embryonalen Organen. Wenn sich die Zellen in ihrer frühen Entwicklungsphase befinden, bilden sie ihren eigenen extrazellulären Matrixbaustein und erzeugen die richtige Zellsignalisierung und nehmen das Layout und die Mikroarchitektur an, die erforderlich sind, um die erwarteten biologischen Funktionen bereitzustellen. Die autonome Selbstorganisation erfordert Kenntnisse über die Entwicklungsprozesse von Geweben und Organen im Embryo. Die autonome Selbstorganisation beruht auf Zellfähigkeiten als fundamentalem Baustein der Histogenese. Diese Technik erfordert daher ein sehr gründliches Verständnis der Mechanismen der embryonalen Gewebeentwicklung sowie der Mikroumgebungen, in denen Gewebe wächst.

Mini-Stoff
Der dritte Ansatz zum Bioprinting ist eine Kombination von biomimetischen und selbstorganisierenden Ansätzen. Diese Technik wird als “Mini-Gewebe” bezeichnet. Organe und Gewebe bestehen aus sehr kleinen funktionellen Komponenten. Der Mini-Fabric-Ansatz besteht darin, diese kleinen Teile zu nehmen und sie in einer größeren Struktur anzuordnen. Dieser Ansatz verwendet zwei verschiedene Strategien. Die erste Strategie besteht darin, selbstorganisierte Zellkugeln in großflächigen Stoffen zu verwenden, wobei natürliche Muster als Anhaltspunkte dienen. Die zweite Strategie besteht darin, genaue Reproduktionen und eine hohe Qualität des Gewebes zu entwickeln und es ihnen zu ermöglichen, sich automatisch in großen Funktionsgeweben zu maßen. Die Vermischung dieser Strategien ist notwendig, um eine komplexe dreidimensionale biologische Struktur zu drucken.

Der Organ-Druck hat ein großes Potenzial für NBIC-Technologien (Nano, Bio, Info und Kognition), um Medizin und chirurgische Verfahren voranzutreiben, Zeit zu sparen, Kosten zu senken und neue Möglichkeiten für Patienten und Patienten zu schaffen. Gesundheitsspezialisten.

3D-Drucktechniken
Der 3D-Druck für die Herstellung von künstlichen Organen war ein Hauptthema im biologischen Ingenieurwesen. Da die Rapid-Manufacturing-Techniken, die der 3D-Druck mit sich bringt, immer effizienter werden, ist ihre Anwendbarkeit in der künstlichen Organsynthese deutlicher geworden. Einige der Hauptvorteile des 3D-Drucks liegen in seiner Fähigkeit zur Massenproduktion von Gerüststrukturen sowie in der hohen anatomischen Präzision von Gerüstprodukten. Dies ermöglicht die Erzeugung von Konstrukten, die der Mikrostruktur einer natürlichen Organ- oder Gewebestruktur effektiver ähneln.

Der Organdruck unter Verwendung von 3D-Drucken kann unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken durchgeführt werden, von denen jede spezifische Vorteile bietet, die für bestimmte Arten der Organproduktion geeignet sein können. Zwei der bekanntesten Arten von Organ Druck sind Drop-basierte Bioprinting und Extrusion Bioprinting. Zahlreiche andere existieren, obwohl sie nicht so häufig verwendet werden oder sich noch in der Entwicklung befinden.

Tropfenbasierter Bioprinting (Inkjet)
Tropfenbasiertes Bioprinting erzeugt zelluläre Konstrukte unter Verwendung einzelner Tröpfchen eines bestimmten Materials, das oft mit einer Zelllinie kombiniert wurde. Bei Kontakt mit der Substratoberfläche beginnt jedes Tröpfchen zu polymerisieren und bildet eine größere Struktur, wenn einzelne Tröpfchen zu koaleszieren beginnen. Die Polymerisation wird durch die Anwesenheit von Calciumionen auf dem Substrat ausgelöst, die in die verflüssigte Bioverbindung diffundieren und die Bildung eines festen Gels ermöglichen. Tropfenbasiertes Bioprinting wird üblicherweise aufgrund seiner effizienten Geschwindigkeit verwendet, obwohl dieser Aspekt es für komplexere Organstrukturen weniger geeignet macht.

Extrusionsbiodruck
Extrusionsbiodruck umfasst die konstante Ablagerung eines bestimmten Druckmaterials und einer Zelllinie von einem Extruder, einer Art eines mobilen Druckkopfes. Dies neigt dazu, ein kontrollierteres und sanfteres Verfahren für die Ablagerung von Material oder Zellen zu sein, und ermöglicht, dass größere Zelldichten bei der Konstruktion von 3D-Gewebe- oder Organstrukturen verwendet werden können. Diese Vorteile werden jedoch durch die langsameren Druckgeschwindigkeiten, die mit dieser Technik verbunden sind, zurückgenommen. Das Extrusions-Bioprinting wird oft mit UV-Licht gekoppelt, das das gedruckte Material zu einem stabileren, integrierten Konstrukt photopolymerisiert.

Druckmaterialien
Materialien für den 3D-Druck bestehen üblicherweise aus Alginat- oder Fibrinpolymeren, die in zelluläre Adhäsionsmoleküle integriert sind, welche die physikalische Anhaftung von Zellen unterstützen. Solche Polymere sind speziell dafür ausgelegt, die strukturelle Stabilität aufrechtzuerhalten und für die zelluläre Integration empfänglich zu sein. Der Begriff “Bioink” wurde als eine breite Klassifizierung von Materialien verwendet, die mit 3D-Bioprinting kompatibel sind.

Druckmaterialien müssen einem breiten Spektrum von Kriterien entsprechen, wobei eine der Hauptkriterien die Biokompatibilität ist. Die resultierenden Gerüste, die durch 3D-gedruckte Materialien gebildet werden, sollten physikalisch und chemisch für die Zellproliferation geeignet sein. Die biologische Abbaubarkeit ist ein weiterer wichtiger Faktor und stellt sicher, dass die künstlich gebildete Struktur bei erfolgreicher Transplantation abgebaut werden kann, um durch eine vollständig natürliche Zellstruktur ersetzt zu werden. Aufgrund der Natur des 3D-Drucks müssen die verwendeten Materialien anpassbar und anpassungsfähig sein und für eine breite Palette von Zelltypen und strukturellen Konformationen geeignet sein.

Hydrogel-Alginate haben sich als eines der am häufigsten verwendeten Materialien in der Organdruckforschung herauskristallisiert, da sie hochgradig anpassbar sind und fein abgestimmt werden können, um bestimmte mechanische und biologische Eigenschaften zu simulieren, die für natürliches Gewebe charakteristisch sind. Die Fähigkeit von Hydrogelen, auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten zu sein, erlaubt es, sie als anpassungsfähiges Gerüstmaterial zu verwenden, das für eine Vielzahl von Gewebe- oder Organstrukturen und physiologischen Bedingungen geeignet ist. Eine große Herausforderung bei der Verwendung von Alginat ist seine Stabilität und sein langsamer Abbau, was es schwierig macht, das künstliche Gelgerüst aufzubrechen und durch die eigene extrazelluläre Matrix der implantierten Zellen zu ersetzen. Alginat-Hydrogel, das für den Extrusionsdruck geeignet ist, ist auch oft strukturell und mechanisch weniger stabil; Dieses Problem kann jedoch durch den Einbau anderer Biopolymere, wie z. B. Nanozellulose, vermittelt werden, um eine größere Stabilität zu erreichen. Die Eigenschaften des Alginat- oder Mischpolymer-Bioinks sind abstimmbar und können für verschiedene Anwendungen und Arten von Organen verändert werden.

Organstrukturen
Während viele der technischen Herausforderungen des Orgeldrucks mit anderen Anwendungen des 3D-Bioprintings geteilt werden, gibt es einige organspezifische Strukturelemente, die für die erfolgreiche Erstellung eines transplantierbaren gedruckten Organs angegangen werden müssen.

Vaskularisation
Der Transfer von Nährstoffen und Sauerstoff zu Zellen in einem gedruckten Organ ist essentiell für seine Funktion. In sehr kleinen oder dünnen Geweben von weniger als einem Millimeter Dicke können Zellen Nährstoffe durch Diffusion erhalten. Größere Organe erfordern jedoch den Transport von Nährstoffen zu Zellen, die tiefer im Gewebe liegen, was erfordert, dass das Gewebe vaskularisiert wird und somit Blut für den Austausch von Fracht wie Sauerstoff und Zellabfälle aufnehmen kann. Frühe Organdrucktechniken erzeugten feste Gewebe, die nicht in der Lage waren zu vaskularisieren, oder nur langsam vaskularisiert, wenn Wirtsblutgefäße in das Transplantat eintraten, was zu Nekrosen innerhalb des Gewebes führte, die die Gesundheit und erfolgreiche Wiederherstellung eines Transplantatempfängers bedrohen können. In jüngerer Zeit entwickelte Techniken ermöglichen es, gedruckte Organe mit einer komplexeren 3D-Struktur zu erzeugen, einschließlich bereits vorhandener innerer Gefäße, die eine schnellere Integration des Transplantats in das zirkulierende Wirtssystem ermöglichen. Es gibt mehrere Techniken zur Schaffung von vaskulären Systemen, die derzeit entwickelt werden. Eine Methode ist das separate Extrusionsdrucken von Gefäßen, die dann in ein größeres Gewebe eingearbeitet werden. Ein anderes Verfahren ist das Opferdrucken, bei dem das gesamte Gewebe auf einmal gedruckt wird, und eine lösliche oder anderweitig entfernbare Bioverbindung wird verwendet, um das Innere der Gefäße zu bilden. Sobald dieses Opfergerüst entfernt ist, üblicherweise durch eine chemische oder thermische Methode, enthält der Rest des Gewebes dann ein vaskuläres Muster.

Zellquellen
Die Schaffung eines vollständigen Organs erfordert oft die Einbringung einer Vielzahl von verschiedenen Zelltypen, die auf unterschiedliche und strukturierte Weise angeordnet sind. Ein Vorteil von 3D-gedruckten Organen im Vergleich zu herkömmlichen Transplantaten ist die Möglichkeit, Zellen zu verwenden, die von dem Patienten stammen, um das neue Organ herzustellen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer Transplantatabstoßung signifikant und kann die Notwendigkeit von Immunsuppressiva nach der Transplantation beseitigen, was die Gesundheitsrisiken von Transplantaten verringern würde. Da es jedoch nicht immer möglich ist, alle benötigten Zelltypen zu sammeln, kann es notwendig sein, adulte Stammzellen zu sammeln oder im gesammelten Gewebe Pluripotenz zu induzieren. Dies beinhaltet ein ressourcenintensives Zellwachstum und -differenzierung und birgt eine Reihe potentieller Gesundheitsrisiken, da die Zellproliferation in einem gedruckten Organ außerhalb des Körpers stattfindet und eine externe Anwendung von Wachstumsfaktoren erfordert. Die Fähigkeit einiger Gewebe, sich selbst zu differenzierten Strukturen zu organisieren, kann jedoch einen Weg bieten, um die Gewebe gleichzeitig zu konstruieren und verschiedene Zellpopulationen zu bilden, wodurch die Wirksamkeit und Funktionalität des Organdrucks verbessert wird.