Bioprinting mit Lichtgeschwindigkeit
Die Entwicklung von Arzneimitteln ist ein aufwendiger und kostspieliger Prozess. Ein klinisch einsetzbares Arzneimittel auf den Markt zu bringen kostet Milliarden Euro und dauert durchschnittlich mindestens 10 Jahre. Daher ist es wichtig, die Vorhersagekraft des präklinischen Screenings zu verbessern, um unwirksame Kandidaten so früh wie möglich auszusondern. Mithilfe von 3D-In-vitro-Modellen kann das Maß der Komplexität und Funktion eines natürlichen Organs dargestellt werden. Bioprinting-Technologien verändern die Art und Weise, wie wissenschaftliche Fachkräfte menschliche Gewebemodelle für die regenerative Medizin und die pharmazeutische Forschung entwerfen. Die derzeitigen Methoden sind jedoch nur beschränkt nutzbar, da sie einen langsamen, schichtweisen Prozess durchlaufen. Der Aufbau von Geweben, die größer als ein Kubikzentimeter sind, kann Stunden dauern – viel zu lange für empfindliche Zellen, um überleben und ordnungsgemäß funktionieren zu können.
Bioprinting mit Licht
Um die Grenzen der bestehenden Bioprinting-Technologien zu überwinden, wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ENLIGHT(öffnet in neuem Fenster) ein neuer Ansatz eingeführt: das volumetrische Bioprinting. Diese von der medizinischen Tomographie inspirierte Methode nutzt Lichtmuster, um zellhaltige Biomaterialien zu lebenden, funktionstüchtigen Geweben zu formen, indem das Biomaterial auf einer rotierenden Plattform platziert wird, wobei mit jedem Drehwinkel ein anderes Lichtmuster projiziert wird. Die Kombination der Muster aus jedem Winkel sorgt dafür, dass nur bestimmte Bereiche erstarren, was zu einem spezifischen 3D-Design führt. Da bei diesem Verfahren nur sichtbares Licht, aber kein physischer Druck zum Einsatz kommt, werden die Zellen nicht beschädigt und es werden hohe Überlebens- und Funktionsraten erzielt. „Wir können zentimetergroße Gewebe in nur 10 Sekunden drucken, indem wir ein lichtbasiertes Verfahren verwenden, das besonders zellschonend ist“, erklärt Projektkoordinator Riccardo Levato.
Eine neue „Mini-Bauchspeicheldrüse“ für das Screening von Diabetes-Arzneimitteln
Ein Bioprint-Modell der Bauchspeicheldrüse stellt eine der vielversprechendsten Anwendungen des Projekts dar. Hierfür verwendete das Team ein Kollagen-Hydrogel auf Gelatine-Basis sowie verkapselte Pankreasinseln, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen der Patienten gewonnen wurden. Diese Inseln sind reich an insulinproduzierenden Betazellen, die bei Menschen mit Typ-1-Diabetes verloren gehen oder nicht funktionieren. Das 3D-Modell wurde mit einer porösen Architektur konzipiert, um den natürlichen Fluss in den Blutgefäßen nachzuahmen. In einem Perfusions-Bioreaktor können die Forschenden die Blutzirkulation simulieren und erproben, wie die Pankreasinseln auf Arzneimittel oder toxische Substanzen reagieren. Da die Zellen patientenspezifisch sind, kann das System auch für die personalisierte Medizin verwendet werden. „Wir untersuchten verschiedene Antidiabetika sowie Moleküle, die in der Bauchspeicheldrüse toxisch wirken könnten. Wir wollen effizientere und effektivere Arzneimittelprüfungen erzielen, indem wir ein zuverlässiges und reproduzierbares System auf der Grundlage menschlicher Zellen aufbauen“, betont Levato.
Resultate und Zukunftspläne
ENLIGHT konnte zum ersten Mal zeigen, dass das volumetrische Bioprinting die Funktion komplexer Gewebe, z. B. der Pankreasinseln, für fortgeschrittene Anwendungen in der Forschung optimieren kann. Der Bioprinter wurde vom Partner Readily3D(öffnet in neuem Fenster) auf den Markt gebracht. Eine neuartige Reihe von aus Gelatine gewonnenen Materialien für den 3D-Druck und die Gewebekultur wurde von Rousselot(öffnet in neuem Fenster), ebenfalls ein Projektpartner, kommerzialisiert. Das Team wird seine gedruckten Modelle weiter verfeinern und ihre Tauglichkeit für Gentherapie-Tests erforschen – ein weiterer Bereich, in dem die derzeitigen Modelle nicht mehr ausreichen. Zudem wird untersucht, wie die Technologie Zelltransplantations-Therapien für Typ-1-Diabetes unterstützen kann, indem im großen Maßstab gedruckte Gewebe versagende Pankreasinseln ersetzen. Mit weiteren Fortschritten im Bioprinting könnte sich die Technologie von ENLIGHT zu einem Eckpfeiler für die Arzneimittelentwicklung und die regenerative Medizin entwickeln. Darüber hinaus könnte sie Pharmaunternehmen dabei helfen, sichere und wirksame Arzneimittel frühzeitiger zu ermitteln, wodurch sowohl die Kosten, als auch die Notwendigkeit von Tierversuchen gesenkt werden könnten.
