BILD: Künstliche Embryo-Körper mit verschiedenen Merkmalen, die mit Hilfe des 3D-Drucks hergestellt wurden. mehr
Credit: SUTD
Alle Menschen entstehen aus einer einzigen Zelle, die sich dann teilt und schließlich den Embryo bildet. Je nach den Signalen, die von den benachbarten Zellen gesendet werden, entwickeln sich diese geteilten Zellen dann zu bestimmten Geweben oder Organen.
In der regenerativen Medizin ist die Kontrolle dieser Differenzierung im Labor von entscheidender Bedeutung, da Stammzellen differenziert werden könnten, um das Wachstum von Organen in vitro zu ermöglichen und geschädigte erwachsene Zellen zu ersetzen, insbesondere solche mit sehr begrenzten Replikationsfähigkeiten, wie das Gehirn oder das Herz.
Ein gängiger Ansatz, den Wissenschaftler bei der Differenzierung von Stammzellen verfolgen, ist die Verwendung chemischer Stimulatoren. Diese Methode ist zwar sehr effizient, wenn es darum geht, einen einzigen Zelltyp zu erzeugen, aber sie ist nicht in der Lage, die Komplexität lebender Organismen zu reproduzieren, in denen mehrere Zelltypen nebeneinander existieren und zusammenarbeiten, um ein Organ zu bilden.
Eine andere Methode, die vom natürlichen Prozess der Zellentwicklung inspiriert ist, besteht darin, Stammzellen in kleine zelluläre Aggregate oder Kugeln zu packen, die als embryonale Körper bezeichnet werden. Ähnlich wie bei echten Embryonen ist die Zell-Zell-Interaktion in den embryoiden Körpern der Hauptantrieb für die Differenzierung. Bei der Herstellung dieser embryoiden Körper wurde festgestellt, dass Parameter wie Zellzahl, Größe und Sphärizität des embryoiden Körpers die Arten von Zellen beeinflussen, die produziert werden.
Da die Wissenschaftler jedoch nicht in der Lage waren, diese Parameter zu kontrollieren, mussten sie mühsam eine große Anzahl von Embryoidkörpern herstellen und bestimmte mit geeigneten Merkmalen auswählen, um sie zu untersuchen.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben sich Forscher der Singapore University of Technology and Design (SUTD) der additiven Fertigung zugewandt, um die Stammzelldifferenzierung in embryoiden Körpern zu steuern. Ihre Forschungsstudie wurde in der Fachzeitschrift Bioprinting veröffentlicht.
Mit einem multidisziplinären Ansatz, der die Forschungsbereiche 3D-Fertigung und Biowissenschaften miteinander verbindet, haben die Doktorandin Rupambika Das und der Assistenzprofessor Javier G. Fernandez mehrere mikroskalige physikalische Geräte mit fein abgestimmten Geometrien 3D-gedruckt. Sie nutzten die Geräte, um eine noch nie dagewesene Präzision bei der gezielten Differenzierung von Stammzellen durch die Bildung von embryonalen Körpern zu demonstrieren (siehe Bild). In ihrer Studie regulierten sie erfolgreich die Parameter zur Förderung der Produktion von Kardiomyozyten, Zellen, die im Herzen zu finden sind.
„Der Bereich der additiven Fertigung entwickelt sich in einem unvergleichlichen Tempo. Wir erleben ein Niveau von Präzision, Geschwindigkeit und Kosten, das noch vor wenigen Jahren unvorstellbar war. Wir haben gezeigt, dass der 3D-Druck inzwischen eine geometrische Genauigkeit erreicht hat, die es ermöglicht, das Ergebnis der Stammzelldifferenzierung zu steuern. Damit treiben wir die regenerative Medizin mit dem beschleunigten Tempo der additiven Fertigungsindustrie weiter voran“, sagte der leitende Forscher, Assistant Professor Javier G. Fernandez von der SUTD.
„Der Einsatz des 3D-Drucks in der Biologie konzentrierte sich bisher stark auf den Druck künstlicher Gewebe mit zellbeladenen Zellen, um künstliche Organe ‚Stück für Stück‘ aufzubauen. Jetzt haben wir gezeigt, dass der 3D-Druck das Potenzial hat, in einem bio-inspirierten Ansatz eingesetzt zu werden, bei dem wir das Wachstum von Zellen im Labor so steuern können, wie sie in vivo wachsen“, fügte Erstautorin Rupambika Das, Doktorandin an der SUTD, hinzu.