Biogedruckte mehrschichtige Gewebe zur Gesichtsrekonstruktion
Eine Gesichtsrekonstruktion kann Menschen helfen, deren Gesichtszüge durch einen Unfall, eine Krankheit oder Gewalt physisch verändert wurden. Meist handelt es sich dabei um hochkomplexe Gewebetransplantate, deren Herstellung selbst für mit dieser Technik vertraute Fachleute eine echte Herausforderung darstellt. Eines der Hauptprobleme dabei ist die ausreichende Blutversorgung. Die meisten Gewebe im menschlichen Körper sind auf komplexe hierarchische Gefäßstrukturen angewiesen, um Zellen zu ernähren und Abfallstoffe abzutransportieren. Transplantate müssen über genügend Arterien, Venen und Kapillaren verfügen, um den notwendigen Gas- und Nährstoffaustausch zu gewährleisten, damit das Gewebe vom Körper angenommen wird und überlebt. „Die Herausforderung besteht darin, eine multiskalige Gefäßstruktur zu schaffen, die vollständig in das Gewebe integriert ist und es versorgt“, erklärt Shulamit Levenberg(öffnet in neuem Fenster), Professorin am Technion – Israel Institute of Technology. „Ohne Vaskularisierung wird das Gewebe nicht mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, und die Zellen sterben ab“, fügt sie hinzu. Während Gesichtselemente wie Knochen, Haut und Muskeln erfolgreich nachgebildet werden konnten, ist es bislang noch nicht gelungen, zusammengesetzte Weichteile der Gesichtsschichten zu erschaffen. Innerhalb des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts VesselNet(öffnet in neuem Fenster) arbeiteten Levenberg und ihr Team daran, ein Verfahren weiter zu optimieren, mit dem die Herausforderungen im Zusammenhang mit zusammengesetztem Gesichtsgewebe überwunden werden können. Gemäß diesem Ansatz wird das Gefäßnetzwerk in vitro vor der Transplantation erschaffen, wodurch dickere Gewebe entstehen, die mit größerer Wahrscheinlichkeit erfolgreich transplantierbar sind.
Biodruck von zusammengesetzten Gewebe
Im Zuge des Projekts entwickelte das Team sein Verfahren, bei dem das Gewebe derart biogedruckt wird, dass es bereits vor der Transplantation über Blutgefäße verfügt. Dazu gehören große Gefäße, die mit Arterien und Venen verbunden sind, und ein kleines Kapillarnetz, das mit den großen Gefäßen in Verbindung steht. Ziele des Projekts waren es, in vitro ein funktionelles Gefäßnetzwerk zu erschaffen, dicke zusammengesetzte Gewebe zu erzeugen und diese Gewebe zur Rekonstruktion eines Gesichtsdefekts zu integrieren.
Entwicklung eines mehrschichtigen Gefäßsystems
Den Forschenden gelang das Biodrucken von mehrschichtigem Weich- und Knochengewebe mit multiskaligem Gefäßsystem, das unter kontinuierlichen Strömungsbedingungen funktioniert. Die Ergebnisse des Projekts wurden in einer Reihe von begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht. Für das neue mehrschichtige Gefäßsystem werden verschiedene Polymere verwendet, die wie Blutgefäße geformt und hierarchisch angeordnet sind. Lebendes Gewebe mit Kapillaren wurde innerhalb einer Biotinte aus menschlichem Kollagen erzeugt, und die Kapillaren verbinden sich mit Gefäßsprossungen, die von den großen Gefäßen ausgehen. Die Struktur des Systems lässt eine kontinuierliche Blutströmung durch das Gewebe zu. Anschließend konnten diese Gewebe in Tiermodellen eingesetzt werden, um große Defekte im Knochen-, Muskel- und Fettgewebe zu reparieren. „Wir führten Versuche an Klein- und Großtieren durch, die als präklinische Studien dienten, erklärt Levenberg, Koordinatorin des Projekts VesselNet. Der VesselNet-Ansatz könnte eines Tages zu maßgeschneiderten, im Labor gezüchteten Geweben hinführen, mit denen patientenspezifische Probleme lösbar werden.
Fortschritte in rekonstruktiver Chirurgie
Die dicken zusammengesetzten Gewebe, die das VesselNet-Team erzeugt hat, könnten Großes für die rekonstruktive Chirurgie bewirken. Das Verfahren und das Produkt werden außerdem unser Verständnis für die Mechanismen der Gewebeorganisation selbst verbessern. Das Team hofft nun, die Forschung weiter ausbauen zu können, und bemüht sich um eine Finanzhilfe, um in Richtung klinischer Versuche voranzukommen. Als Ziel gilt letztlich, große Gewebedefekte beim Menschen nach Verletzungen, Traumata oder chirurgischen Eingriffen, bei denen Krebsgewebe entfernt wurde, reparieren zu können. „Wir arbeiten weiter an der Optimierung der Verfahren einschließlich neuer Druckmethoden und verbesserter Bioreaktoren zur Züchtung des Gewebes und hoffen, so bald wie möglich klinische Studien durchführen zu können“, berichtet Levenberg.
