3D-Biodruck von pankreatischem Gewebe soll biomedizinische Forschung voranbringen
Erkrankungen der Bauchspeicheldrüse, darunter Diabetes, Krebs und Pankreatitis, betreffen fast 10 % der Weltbevölkerung. Im Jahr 2021 waren allein 6,7 Millionen Todesfälle auf Diabetes zurückzuführen. Doch trotz des enormen Bedarfs an neuen Therapien wird die medizinische Forschung durch den fehlenden Zugang zu pankreatischem In-vivo-Gewebe behindert. „Mit den derzeitigen Methoden zur Untersuchung von Bauchspeicheldrüsenerkrankungen kann die Komplexität der Prozesse, die während der Entwicklung der Bauchspeicheldrüse ablaufen, nicht vollständig erfasst werden“, erklärt die Projektkoordinatorin von Pan3DP, Francesca Spagnoli(öffnet in neuem Fenster), Professorin für Regenerative Medizin am King’s College London(öffnet in neuem Fenster). Biogedruckte 3D-Organmodelle sind im Labor erzeugte Gewebe, die ein großes Potenzial für die biomedizinische Forschung aufweisen. Sie bieten die Möglichkeit, die Entwicklung von Gewebe zu erforschen, Krankheiten zu modellieren und mögliche Behandlungen zu analysieren. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts Pan3DP arbeitete ein multidisziplinäres Gemeinschaftsunternehmen aus Wissenschaft und Industrie an der Entwicklung eines innovativen Biodruckverfahrens für embryonales Bauchspeicheldrüsengewebe. „Der Einsatz von 3D-Biodruck zur Nachahmung der genauen Zellzusammensetzung und der Zell-Zell-Interaktionen, die bei der normalen Bildung der Bauchspeicheldrüse auftreten, stellt die wichtigste Innovation dar“, ergänzt Spagnoli. „Diese biotechnologisch hergestellten Strukturen bergen das Potenzial, sich weiter in reifes pankreatisches Gewebe zu differenzieren“, bemerkt sie, wodurch weitere Untersuchungen möglich sind.
Schwierigkeiten durch im Labor gezüchtete Organe
Pan3DP verfolgte drei Hauptziele: unser Wissen über die 3D-Architektur der Bauchspeicheldrüse zu erweitern, eine Biodrucktechnologie zur Herstellung von Bauchspeicheldrüsengewebe zu entwickeln und die richtigen Bedingungen zu finden, unter denen dieses embryonale Gewebe reifen kann. Der Druck von organischem Gewebe ist schwierig. Das Verfahren steckt noch in den Kinderschuhen, und für das Projekt Pan3DP wurde eine komplexe und dicke Organstruktur ausgewählt – die Bauchspeicheldrüse – und die Herausforderung somit noch vergrößert. Für den Gewebedruck werden Millionen Zellen benötigt. Das Team entschied daher, embryonale Stammzellen zu verwenden und sie in pankreatische Progenitorzellen(öffnet in neuem Fenster) zu differenzieren – dieses Konzept wurde erstmalig für pankreatischen Biodruck angewandt.
Neue Biodruckverfahren erarbeiten
Im Rahmen des Projekts setzte das Team zwei Biodrucktechnologien ein, darunter den „laserbasierten Biodruck“ zum Drucken und Manipulieren mesoskopischer Objekte wie Organoide und Zellaggregate(öffnet in neuem Fenster). „Es handelt sich um äußerst wichtige Konzeptnachweise, die den Rahmen für künftige Studien auf diesem Gebiet und für künftige Biodruckanwendungen zur Erzeugung von multizellulärem Bauchspeicheldrüsengewebe abgesteckt haben“, sagt Spagnoli. Eine weitere wichtige Errungenschaft des Projekts Pan3DP war die Erstellung eines digitalen Atlas embryonaler Bauchspeicheldrüsen auf der Grundlage von 3D-Bilddatensätzen, in dem die drei Hauptzelltypen – Epithel, Endothel und Mesenchym – der embryonalen Bauchspeicheldrüse der Maus dargestellt sind. Diese Bilder wurden kommentiert und in einer quelloffenen Online-Datenbank namens Pancreas Embryonic Cell Atlas(öffnet in neuem Fenster) hinterlegt und in einer führenden wissenschaftlichen Fachzeitschrift(öffnet in neuem Fenster) veröffentlicht.
Forschung an Gewebebiodruck unterstützen
Die im Projekt Pan3DP erzielten Ergebnisse und neuen Ansätze werden den Weg für die Herstellung von menschlichem pankreatischem Gewebe auf der Grundlage von aus Stammzellen gewonnenen Bauchspeicheldrüsenzellen ebnen. „Unsere Ergebnisse haben nicht nur wichtige technische Fortschritte im Bereich der Gewebetechnik und des Biodrucks gefördert, sondern werden auch radikal neue Möglichkeiten in der Medizin eröffnen, die es uns erlauben, Bauchspeicheldrüsenerkrankungen ex vivo in gefertigtem Gewebe zu untersuchen, neue Arzneimittel zu entwickeln, den Einsatz von Versuchstieren zu reduzieren und den Ersatz von verletztem oder erkranktem Gewebe zu erleichtern“, so Spagnoli. Der nächste Schritt ist der Übergang zu menschlichem Gewebe, indem dieselben Prinzipien der Biomimetik und technischen Ansätze, die für die Maus definiert wurden, auf menschliche Zellen angewandt werden – über die Bauchspeicheldrüse hinaus. „Letztendlich können unser Ansatz und unsere Methodik zu einem Paradigma werden und ausgeweitet werden, um 3D-Biodruck-Pipelines für andere Gewebe zu schaffen“, beobachtet Spagnoli.
Schlüsselbegriffe
Pan3DP, Bauchspeicheldrüse, Pankreas, Krankheit, Krebs, Gewebe, Biodruck, Labor, gezüchtet, Organe
