3D-Druck von lebender Haut mit Blutgefäßen

Schritt für Schritt hat Pankaj Karande stetige Fortschritte bei der Herstellung von Hauttransplantaten gemacht, die viel näher an dem sind, was der menschliche Körper selbst produziert, und die vom Körper des Patienten mit größerer Wahrscheinlichkeit integriert und akzeptiert werden.
In der jüngsten Entwicklung, die in einem Artikel in der Zeitschrift Tissue Engineering besprochen wird, haben Karande, ein außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen am Rensselaer Polytechnic Institute, und das Team in seinem Labor in Rensselaer in Zusammenarbeit mit der Yale School of Medicine eine Methode entwickelt, um mit Hilfe des 3D-Drucks Blutgefäße in die von ihnen produzierte lebende Haut einzubauen. „Das war ein großer Durchbruch“, sagte Karande.

Skin Bioprinting

Blutgefäße sind entscheidend für das Überleben von bioprinted Haut. Bild: Rensselaer Polytechnic Institute

In den letzten zehn Jahren hat das 3D-Bioprinting eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Hauttechnik gespielt. Karande veröffentlichte eine der ersten Arbeiten auf diesem Gebiet, in der er zeigte, dass Forscher eine Biotinte aus zwei Arten lebender menschlicher Zellen herstellen und mit einem 3D-Drucker eine hautähnliche Struktur erzeugen können. Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Haut bestand darin, Zellen zu entnehmen, sie mit Kollagen zu mischen und in dünnen Schichten aufzutragen.
„Man könnte es mit dem schichtweisen Auftragen von Marmelade auf ein Stück Brot vergleichen“, sagte er und fügte hinzu, dass es sehr schwierig ist, dies manuell zu tun, weil man mit Dutzenden oder Hunderten von Mikrometern arbeitet, die für eine normale Interaktion nahe an den anderen Zellen sein müssen.
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Der 3D-Druck hat eine präzise Platzierung und Anordnung der Zellen in drei Dimensionen auf sehr kleinem Raum ermöglicht – ein Material, das zehnmal dünner sein kann als ein menschliches Haar. „Das war der große Fortschritt, den der 3D-Druck im Soft Tissue Engineering ermöglicht hat“, sagte Karande.
Obwohl dies ein „großer Fortschritt“ war, erkannte das Team vor einigen Jahren, dass die Blutgefäße für das Überleben der Transplantate am Patienten sehr wichtig sind. Zu dieser Zeit wurde viel an der Kombination von Endothel- und anderen Zellen gearbeitet, um zu versuchen, Blutgefäße zu bilden, aber die verfügbaren Methoden funktionierten nicht.

Inkorporieren von Blutgefäßen

Karandes Team beschloss, zu versuchen, Zellen, die bei der Bildung von Blutgefäßen helfen, in eine Umgebung zu bringen, in der „die Zellen glücklich sind, so dass sie sich vermehren, wachsen und beginnen, das Blutgefäß zu bilden.“

Der ultimative Test war: Verbindet sich das Blutgefäß, wenn es auf einen Knochen gesetzt wird, tatsächlich mit dem Blutgefäß des Wirts? „Im Labor können wir das Transplantat am Leben erhalten, indem wir ihm Nährstoffe geben, aber sobald wir es auf den Knochen setzen, braucht es seine Nährstoffe vom Wirt“, sagte Karande.
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Die vom Rensselaer-Team gedruckte Haut wurde vom Yale-Team auf eine spezielle Mausart verpflanzt. Schon bald begann die Haut zu kommunizieren und sich mit den Gefäßen der Maus zu verbinden. „Die Integration mit der Wunde, die Entwicklung der Blutgefäße, die Verbindungen mit den Wirtsgefäßen, die Reifung des Gewebes in der Wunde war für uns ein großer Schritt nach vorn“, sagte er und erklärte den Prozess in einem kurzen Video.

Karande sagte, die größte Herausforderung sei es gewesen, das System als Ganzes zu optimieren, nachdem die einzelnen Schritte auf dem Weg dorthin optimiert wurden. Alles war gleichermaßen wichtig: Von der Entnahme der Zellen vom Patienten bis zu ihrer Isolierung, damit sie ihre biologischen Eigenschaften beibehalten, und dann, damit all diese Komponenten auf eine gute Anzahl von Zellen und eine gute Zelldichte anwachsen, um neue Komponenten herzustellen, dann das Transplantat am Leben zu erhalten, sicherzustellen, dass es steril ist, es auf die Wunde eines Tieres zu nähen und noch vieles mehr.
„Jeder dieser Schritte erforderte eine Menge Versuche. Es war also ein schrittweiser Fortschritt bei jedem Schritt, aber wenn man all diese Schritte zusammenzählt, hat man einen großen Fortschritt“, sagte er.

CRISPR für ein besseres Hauttransplantat

Der nächste große Schritt wird die Arbeit an einem universellen, vorgefertigten Transplantat sein, das vom Immunsystem eines jeden Patienten nicht abgestoßen wird. Die Anpassung eines Transplantats an jeden einzelnen Patienten unter Verwendung seiner eigenen entnommenen Zellen könnte Wochen oder sogar noch länger dauern – Zeit, die die meisten Patienten, die ein Transplantat benötigen, nicht haben.
Um ein universelles Transplantat zu schaffen, wollen die Forscher mit CRISPR arbeiten, einer hochentwickelten Gen-Editierungstechnologie. Sie werden die Marker in den Zellen des Transplantats ausschalten, die dem Körper mitteilen, dass das Transplantat ein Fremdkörper ist, der abgestoßen werden sollte.
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Außerdem müssen noch Langzeittests durchgeführt werden. Es besteht die Hoffnung, dass das Transplantat kurzfristig die Wundheilung erleichtert und als natürliche Barriere Schutz bietet. Mit der Zeit werden dann die körpereigenen Zellen das Ruder übernehmen und die Stelle mit ihren eigenen Zellen neu besiedeln. Normalerweise regeneriert sich die menschliche Haut alle 30 Tage.

Nach den ersten erfolgreichen Schritten bei der Herstellung von lebenden Hauttransplantaten bereiten sich Bioingenieure darauf vor, mit CRISPR ein universelles Transplantat herzustellen. Bild: Rensselaer Polytechnic Institute

Bei therapeutischen Eingriffen zur Behandlung von Hautverletzungen jeglicher Art, insbesondere wenn kleine Hautstücke betroffen sind – wie bei Druckgeschwüren, Diabetikern oder Opfern von Schusswaffen – wird derzeit Haut von einer anderen Stelle des Körpers entnommen und transplantiert. Dadurch entsteht eine weitere Wunde, die versorgt werden muss.
Es gibt einige klinische Produkte auf dem Markt, die einige Wachstumsfaktoren enthalten, aber sie sind im Wesentlichen das, was Karande als „schicke Pflaster“ bezeichnet, weil sie verhindern, dass die Wunde der Umwelt ausgesetzt wird. Ohne Blut und Nährstoffe im Transplantat wird es schließlich abfallen.
Bei Verbrennungspatienten muss noch mehr getan werden, um die verlorenen Nerven- und Gefäßendigungen wiederherzustellen.
„Als Ingenieure, die daran arbeiten, die Biologie nachzubilden, waren wir uns immer der Tatsache bewusst, dass die Biologie viel komplexer ist als die einfachen Systeme, die wir im Labor herstellen“, sagte Karande. „Wir waren angenehm überrascht, als wir feststellten, dass, sobald wir uns dieser Komplexität nähern, die Biologie das Ruder übernimmt und immer näher an das herankommt, was in der Natur existiert.“
Nancy S. Giges ist eine in New York ansässige Technologieautorin.
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