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Neue Ära in der Biomedizin

14. April 2021, 11:08 Uhr   |  UpNano/Xpect INX

Neue Ära in der Biomedizin
© UpNano

Zellmodelle, die die natürliche Gewebetopografie nachahmen, kündigen eine neue Ära für die biomedizinische Forschung an.

3D-Druck lebender Zellen erstmals direkt aus Zellkultur möglich

Dank der Kombination eines 2-Photonen 3D-Druckers mit einem Hydrogel-basierten Bio-Material ist es jetzt erstmals möglich, 3D-Strukturen, die lebende Zellen enthalten, direkt zu drucken – und zwar sowohl im meso- als auch nanoskaligen Bereich. Der von der UpNano GmbH, Wien, entwickelte NanoOne Bio ist ein Drucker, der auf den Laser-powered 2Photonen 3D-Druckern basiert, die Strukturen über 12 Größenordnungen drucken können.

Das Hydrogel wurde gemeinsam mit Xpect INX, Ghent (Belgien), entwickelt – einem Spin-Off Projekt, das sich auf die Entwicklung von biokompatiblen Materialien für die 3D-Druck-Industrie spezialisiert hat. Es ist laut Hersteller das einzige kommerziell erhältliche Druckmaterial, das die Einbettung lebender Zellen direkt von der Kulturplatte in hochpräzise 3D-gedruckte Strukturen für biologische Anwendungen erlaubt.

2D bisher Standard

Zweidimensionale Zellkulturen waren für viele Jahrzehnte der Standard in der pharmazeutischen, präklinischen sowie der biomedizinischen Forschung im Allgemeinen. Es mehrten sich allerdings die Hinweise, dass diese Modelle die zelluläre Interaktion in lebenden Systemen auf dem 3D-Level nur schwach abbilden. Dies ist eine der Ursachen dafür, dass die Entwicklung von Medikamenten, die auf 2D-Systemen basiert, zu irreführenden Ergebnissen führt, was sich in Millionen an Kosten für ergebnislose F&E niederschlägt.

Bisher scheiterte der Nachbau komplexer und hochpräziser 3D-Strukturen mitsamt eingebetteter lebender Zellen an der mangelnden Verfügbarkeit von geeigneten Materialien und Drucksystemen. Dies habe sich nun geändert.

Transfer in 3D-Strukturen 

»Wir haben X Hydrobio INX U200, ein hoch biokompatibles Hydrogel, gemeinsam entwickelt und konnten gleichzeitig eine 2Photonen 3D-Druck-Maschine, die den weitesten Bereich an druckbaren Dimensionen auf dem Markt besitzt, anbieten«, sagt Peter Gruber, Head of Technology und Co-Gründer der UpNano. Dabei handelt es sich um ein wasserlösliches Hydrogel, das den Transfer von Zellkulturen aus 2D-Kulturplatten in komplexe 3D-Strukturen ermöglicht.

»Das Gelatine-basierte Gel wurde speziell für die Einkapselung von verschiedenen Zelltypen entwickelt und erlaubt daher die Erzeugung von komplexen 3D-Mikrogeweben«, sagt Jasper Van Hoorick, Projektleitung bei Xpect INX. Es ahmt die natürliche zelluläre Umgebung nach und ist biologisch abbaubar, wodurch es den Zellen ermöglicht, das Material graduell durch neu geformtes Gewebe zu ersetzen. 

Das Gel löst die Probleme, die bei Standard-Nährmedien, wo die Zellen auf 2D-Art inkubiert werden, auftreten. Nachfolgend kann das Hydrogel, das die lebenden Zellen enthält, direkt in den NanoOne Bio – einen von UpNano entwickelten hoch präzisen 2Photonen 3D-Drucker – eingebracht werden. Untersuchungen zeigten, dass dessen 780 nm Rotlicht-Laser die lebenden Zellen nicht schädigt, auch nicht bei der außergewöhnlich hohen Laserstärke, die alle NanoOne-Drucker verwenden. Tatsächlich ermöglicht die Verwendung einer so hohen Laserstärke den Einsatz von Optiken, die die schnelle Produktion von cm-großen Strukturen mit außergewöhnlich hoher Präzision bis hin in den Nanobereich erlauben.

Boost für die Biomedizin

Die Kombination des X Hydrobio INX U200 mit dem NanoOne Bio soll vollkommen neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Forschung & Entwicklung eröffnen, sowohl für den industriellen als auch für den akademischen Bereich. Prof. James J. Yoo vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (USA) hat das Potenzial erkannt und sich entschieden, UpNano für zukünftige Entwicklungen zu beraten. Der renommierte Experte für Gewebe-Engineering und Biofabrikation tritt mit April 2021 in den Beirat des Unternehmens ein und wird die kontinuierliche Weiterentwicklung von neuen Anwendungen für die biomedizinische F&E begleiten.

Die Produktion von »Labs-on-Chip« werde nun nicht nur mit einer beispiellosen Präzision, sondern auch direkt mit lebenden Zellen möglich – was dadurch einerseits Zeit spart und andererseits die Aussagekraft der Ergebnisse verbessert. Oberflächenstrukturen, die natürlichen Geweben ähneln (biomimetische Strukturen), können nun in der Weise geschaffen werden, dass sie eine nahezu natürliche Interaktion zwischen den lebenden Zellen und ihrer Wachstumsumgebung ermöglichen.

»Zellen, die auf einer 2D-Kulturplatte in einem Standard-Nährmedium wachsen, sind weit entfernt von ihrer natürlichen physischen Umgebung und unterliegen einem Mangel an Interaktion mit den umgebenden Zellen, der bei lebenden Zellen unter natürlichen Bedingungen in alle Richtungen hin stattfindet«, erklärt Denise Mandt, Head of Marketing und Business Development sowie Co-Gründerin von UpNano. Aus der biomedizinischen F&E ist bekannt, dass ein fehlender 3D-Zell-zu-Zell-Kontakt einen negativen Einfluss auf die Interpretation von Ergebnissen aus Zellmodellen für humane Anwendungen hat.

Weitere Fachartikel zum Thema finden Sie auch in unserem Schwerpunkt »3D-Druck: Personalisierte Medizin nach Maß«

(me)
 

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