2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Unmittelbar nach dem Druckvorgang verdichten sich die Zellen zu einer dicht gepackten Linie und differenzieren sich dann dank Selbstorganisation zu Epithelzellen des Dünndarms
Wissenschaftler haben eine Methode zum Drucken von lebendem Gewebe auf einem 3D-Biodrucker entwickelt, der Stammzellen verwendet und eine ihrer wichtigsten Eigenschaften ist die Selbstorganisation. Wie in der Zeitschrift Nature Materials berichtet, organisierten sich Stammzellen aus verschiedenen Geweben unter günstigen Bedingungen selbst und bildeten Gewebe, die wie vollwertiges lebendes Gewebe aussahen und funktionierten.
Die Gewebebildung in einem lebenden Organismus hängt von interzellulären Kontakten und der Mikroumgebung der Zellen ab. Während der Entwicklung und der Vitalaktivität bilden Zellen um sich herum eine extrazelluläre Matrix - ein Teil des Gewebes, der als mechanischer Träger und Informationsvermittler für Zellen dient. Die Zellen befinden sich in der Matrix (bzw. im Gewebe) in einer für jedes Organ charakteristischen räumlichen Beziehung. Um zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein, exprimieren Zellen Hunderte von Rezeptoren und Chemikalien, die bestimmen, wie die Zelle mit benachbarten Zellen und der Matrix interagiert. Dank solcher Interaktionen organisieren sich Zellen selbst – jede Zelle weiß, wo sie im Gewebe sein muss und was sie tun muss.
Bis vor kurzem waren Wissenschaftler nicht in der Lage, mithilfe des 3D-Biodrucks große Organellen (mehr als einen Zentimeter) zu züchten, weil entweder die Zellen zu fest mit der Umgebung verbunden waren und sich nicht bewegen konnten, oder die Umgebung selbst die erforderliche Mikroumgebung nicht zuließ. Matthias P. Lutolf und Kollegen an der École Polytechnique de Lausanne haben jedoch einen neuen Ansatz für den 3D-Biodruck entwickelt, der diese Probleme lösen kann. Die neue Methode, die unter anderem das mikroskopische Arbeiten mit der Zellmasse und die direkte Beobachtung des Druck- und Wachstumsprozesses ermöglicht, nutzt die Selbstorganisation von Stammzellen als Grundlage für das Wachstum ganzer Organe und Gewebe. Dieser Ansatz ermöglicht es Ihnen, die natürlichen Prozesse der Gewebe- und Organentwicklung zu wiederholen.
Um das Potenzial und die Vielseitigkeit der neuen Methode zu demonstrieren, verwendeten die Wissenschaftler menschliche Dünndarm-Stammzellen. Die in Reihe gedruckten Stammzellen wurden auf einem Kollagen-Hydrogel-Kulturmedium ausplattiert, das in seinen Eigenschaften der extrazellulären Matrix ähnelte. In dieser Umgebung bewegten sich die Zellen leicht und bildeten um sie herum eine faserige Bindegewebsstruktur, die die Umgebung zusätzlich in eine günstige Mikroumgebung verwandelte.
Nach einigen Tagen verwandelten sich die Zellen in eine feste und organisierte Epithelröhre von 5 bis 15 Millimetern Länge, umgeben von einer spezifischen Matrix, in der Wissenschaftler die Gewebeorganisation der klassischen Organellen des Dünndarms fanden. Gleichzeitig, so die Wissenschaftler, hatten das Nährmedium und die extrazelluläre Matrix einen großen Einfluss auf die Bildung des Darmrohres, wodurch eine günstige Mikroumgebung für die Selbstorganisation der Zellen geschaffen wurde. Es ist bemerkenswert, dass die interzelluläre Selbstorganisation kleine Druckfehler (zum Beispiel Zelladhäsion) nivelliert.
Wissenschaftlern gelang es auch, das Epithel des Dünndarms der Maus zu züchten. Anfangs waren die Stammzellen in Form einer Linie angeordnet, doch nach vier bis sechs Tagen entstand dank der Selbstorganisation der Zellen in dieser Linie ein Lumen, das sie in eine hohle Röhre verwandelte. Nach ein oder zwei Tagen wurden in der Röhre Krypten und Zotten gefunden, die für das Epithel des Dünndarms charakteristisch sind, in denen Wissenschaftler reife differenzierte Enterozyten, Paneth-Zellen (Schutzzellen, die nur im Dünndarm zu finden sind), Becher und enteroendokrine Zellen fanden. Die gesamte Röhre reagierte vollständig auf äußere Reize - Paneth-Zellen setzten als Reaktion auf eine chemische Reizung bakterizide Körnchen frei, und alle Zellen schwollen unter der Wirkung von Forskolin an. Diese Reaktionen weisen darauf hin, dass das neue Bioprinting-Verfahren manipulierte Gewebe mit physiologischen Reaktionen erzeugen kann, die denen in lebenden Organismen ähneln.
Darüber hinaus bildeten Endothelzellen, die auf eine Mischung mit vaskulärem endothelialem Wachstumsfaktor (VEGF) gedruckt wurden, de novo Kapillargefäße. Aufgrund der günstigen Bedingungen (VEGF, loses Medium) wurde auf Gewebeebene eine Kapillarbildung ausgelöst, die zur Bildung eines Gefäßsystems mit durchgehendem Lumen führte.
Alle diese Experimente zeigen, dass spezifische lokale Interaktionen, die die Selbstorganisation eines kleinen Zellblocks steuern, sich auf Gewebeebene ausbreiten und Gewebe unterschiedlicher Art bilden können: sowohl Endothel- als auch Gewebe der inneren Umgebung. Die Nutzung der selbstorganisierenden Eigenschaft von Stammzellen sollte ein wichtiger Schritt für das Wachstum von Geweben und Organen in vitro sein, da in diesem Fall funktionell vollständige Organe gewonnen werden können, die für Transplantationen oder Medikamententests verwendet werden können.
Wir haben kürzlich berichtet, dass eine andere Gruppe von Wissenschaftlern derselben Schweizer Schule ein 3D-Biodruckverfahren entwickelt hat, das sich vom traditionellen schichtweisen 3D-Druck dadurch unterscheidet, dass ein Organmodell gleichzeitig über das gesamte Volumen in einem Schritt erstellt wird, was die Druckzeit auf mehrere zehn Sekunden.
