Aufgrund des enormen Bedarfs an Organtransplantationen und der im Gegensatz dazu begrenzten Anzahl von Organspender*innen, gewinnt das dreidimensionale (3D) Bioprinting zunehmend an Aufmerksamkeit.1 Unter Verwendung von Biomaterialien, Wachstumsfaktoren und lebenden (menschlichen) Zellen ermöglicht die Technologie die Herstellung spezifischer Zellmuster für die Entwicklung von Geweben oder Strukturen. Diese können dann auf eine bereits vorhandene 3D-Matrix gedruckt werden.1,2 Die Entwicklung der Methode schreitet immer weiter voran und gibt – vor allem im Bereich der personalisierten Transplantationsmedizin – Hoffnung.3
Typischerweise umfasst das 3D-Bioprinting drei Hauptschritte: die Vorverarbeitung, die Verarbeitung und die Nachverarbeitung.3,4 Die Vorverarbeitung beinhaltet die Bildgebung des Gewebes oder Organs und die anschließende Rekonstruktion von 3D-Modellen.3,4 Nachfolgend werden computerbasierte 3D-biomimetische Gewebemodelle vorgeschlagen, um eine Übersicht über die Komplexität und Architektur des Zielgewebes zu erhalten.1 Zur Herstellung der gewünschten Strukturen wird im Verarbeitungsschritt Biotinte verwendet, welche die zellulären Eigenschaften des zu druckenden Gewebes nachahmt.1,3 Unterschieden werden hierbei vier Methoden, die sich im Hinblick auf ihre Verfahrensweise unterscheiden: das laserbasierte, das stereolithographiebasierte, das tröpfchenbasierte und das extrusionsbasierte Bioprinting.1,3
Das laserbasierte Bioprinting nutzt die Energie der Laserquelle, um ein dreidimensionales Muster der zellbeladenen Biotinte zu erzeugen. Die hohe Auflösung und Reproduzierbarkeit dieses Prozesses sind Vorteile der Methode. Allerdings kann die Laserexposition auf die Zellen toxisch wirken, was ein großes Risiko für deren weitere Verarbeitung darstellt. Auch beim stereolithographiebasierten Bioprinting kann die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigt werden, da die Methode UV-Licht zum Aushärten der Photopolymerschichten verwendet.1
Dieses Risiko besteht nicht bei der Verwendung eines tröpfchenbasierten Bioprinters.1 Diese Drucker injizieren zellbeladene Biotinte in Form von Tröpfchen auf ein Substrat. Zwar können die Tröpfchen nicht präzise gesteuert werden, jedoch ist die Verwendung einer Vielzahl biologischer Materialien möglich.1 Beim extrusionsbasierten Bioprinting wird die Biotinte durch pneumatischen Druck oder mechanische Kraft aus der Düse gepresst.3,4 Während die Fähigkeit zum Drucken von hochviskosen Biotinten und hohen Zellkonzentrationen ein Vorteil ist, ist die Resolution niedriger als bei vergleichbaren Methoden.3,4
Die Nachbearbeitung umfasst die Reifung bzw. die Maturation des biologisch gedruckten Gewebes vor der beabsichtigten Verwendung.3,4
Erfolgreiche präklinische Studien konnten bereits 3D-gedruckte Knorpel-, Knochen- und Hautgewebe konstruieren und in Tiermodellen implementieren.3,5 Erste Schritte in Richtung klinischer Tests wurden im Bereich 3D-gedruckter Ohren durchgeführt.6 Die größten Schwierigkeiten bestehen jedoch darin, funktionierende vaskuläre, neurologische und lymphatische Netzwerke in biologisch gedruckten Konstrukten zu erzeugen.3,5 Eine vielversprechende Entdeckung: Kleine dreidimensionale organartige Konstrukte, sogenannte Organoide, können bereits konstruiert werden und helfen in der Erforschung von Hirn-, Herz- und Nieren-, sowie Tumorerkrankungen.7-10 Zusätzlich sind Studien zum Wirkstoffscreening für Arzneimittel in Organoiden erfolgreich durchgeführt worden.11,12Erste Transplantationen von Nierenorganoiden in Mäusen zeigten, dass sie nach der Operation eine normale Vaskularisierung zusammen mit vollständigen Nephronstrukturen ausbildeten.13Bislang ist es allerdings noch nicht möglich die Organoide soweit hochzuskalieren, dass sie sich für die Transplantationsmedizin im Menschen eignen würden. Das extrusionsbasierte 3D-Bioprinting hätte dafür Potenzial, doch aktuell mangelt es hierbei noch an Geschwindigkeit und Auflösung.3
Das 3D-Bioprinting multikomplexer Organe wie Leber und Niere steht somit noch vor großen Herausforderungen. Zwar verzeichnete das Leber-Tissue-Engineering erhebliche Fortschritte bei der Etablierung von in vitro Lebermodellen, jedoch lag die Lebensfähigkeit nach dem Druck nur bei > 65%.4
Vielversprechende Ansätze zur Herstellung funktionsfähiger, physiologisch relevanter Gewebe und Organe mit komplexer mehrschichtiger und multizellulärer Architektur ergeben sich aus der Kombination verschiedener Bioprinting-Systeme, die die Vorteile mehrerer Bioprinting-Methoden kombinieren.4
Das 3D-Bioprinting ermöglicht grundsätzlich eine genaue Nachbildung der Architektur, Größe und Form von nativen Geweben.3 Die Modelle enthalten Zelltypen, die für die Gewebefunktion und die Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase erforderlich sind.3
Allerdings sind weitere Studien zur Optimierung des Protokolls und der Verfahren zur Erhöhung der Zellvitalität und der langfristigen Post-Printing-Funktionalität erforderlich.3,4 Darüber hinaus müssen grundlegende molekulare Wege, die an Differenzierungsprozessen beteiligt sind, weiter erforscht werden, um die Integration der gedruckten Konstrukte in den Organismus sicherzustellen.3,4
Potenzielle zukünftige Forschungsschwerpunkte im Bereich des 3D-Bioprintings liegen somit vor allem auf der Skalierung der gedruckten Organe, der Entwicklung von Hybridsystemen zur Integration verschiedener Bioprinting-Systeme und der kontinuierlichen Entwicklung neuer Biotinten, um in Zukunft die klinische Umsetzung im Bereich der Transplantationsmedizin zu realisieren.3,4 Bis mittels 3D-Bioprinting vollständig funktionsfähige Organe hergestellt werden können werden noch einige Jahre vergehen.
Referenzen:
