Bis­her gab es zwei Ansätze für die künst­li­che Her­stel­lung von Gewebe zur Hei­lung von Ver­let­zun­gen mit kör­per­ei­ge­nen Zel­len. TU Wien ent­wi­ckelt nun neuen Ansatz mit­tels ver­bin­den­den Mikrogerüsten.

Es ist ein lang geheg­ter Wunsch­traum in der Human-Medi­zin: die Her­stel­lung von künst­li­chem mensch­li­chen Gewebe in belie­bi­ger Form aus Stamm­zel­len – um Ver­let­zun­gen mit kör­per­ei­ge­nen Zel­len zu hei­len oder künf­tig viel­leicht sogar künst­li­che Organe her­stel­len. Die große Her­aus­for­de­rung besteht jedoch darin, Zel­len auf die gewünschte Weise in die gewünschte Form zu bringen. 

Die bis­he­ri­gen Metho­den las­sen sich in zwei grund­ver­schie­dene Kate­go­rien ein­tei­len: Ent­we­der wer­den zunächst kleine Gewe­be­bau­steine erzeugt, etwa runde Zell­ag­glo­me­rate oder fla­che Zell­blät­ter, und sodann zusam­men­ge­fügt – oder man baut anfangs ein fei­nes, porö­ses Gerüst (Anm. auch „Scaf­fold“ genannt), dass man dann mit Zel­len kul­ti­viert. Beide Ansätze haben Exper­ten zufolge Vor- und Nachteile.

Laser­ba­sierte 3D-Druck-Technik
Die TU Wien hat aktu­ell nun einen drit­ten Weg ent­wi­ckelt: Mit einer spe­zi­el­len, laser­ba­sier­ten 3D-Druck-Tech­nik kön­nen Mikro-Gerüste mit einem Durch­mes­ser von weni­ger als ein Drit­tel Mil­li­me­ter her­ge­stellt wer­den und die kön­nen dann sehr schnell tau­sende von Zel­len auf­neh­men. So exis­tiert von Beginn weg eine hohe Zell­dichte und trotz­dem besteht die Mög­lich­keit, die Form und die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten der Struk­tur fle­xi­bel anzupassen.

„Die bis­he­ri­gen Scaf­fold-basier­ten Ansätze haben große Vor­teile: Wenn man zunächst ein porö­ses Gerüst her­stellt, kann man seine mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten genau fest­le­gen“, erklärt Oli­vier Guil­laume vom Insti­tut für Werk­stoff­wis­sen­schaft und Werk­stoff­tech­no­lo­gie an der TU Wien (Team Alek­sandr Ovsia­ni­kov). „Das Gerüst kann je nach Bedarf weich oder hart sein, es besteht aus bio­ver­träg­li­chen Mate­ria­lien, die im Kör­per wie­der abge­baut wer­den. Für die Gewe­be­bil­dung kön­nen sie sogar gezielt mit Bio­mo­le­kü­len ver­se­hen wer­den“, so Guillaume.

Die Besie­de­lung mit Zellen
Der Nach­teil ist die Schwie­rig­keit ein sol­ches Gerüst mit Zel­len schnell und voll­stän­dig zu besie­deln. Das erfor­dert heute noch viel hän­di­sche Arbeit, auch wenn bereits an auto­ma­ti­sier­ten Pro­zes­sen geforscht wird. Vor allem bei gro­ßen Gerüs­ten dau­ert es lange, bis die Zel­len ins Innere der Struk­tur hin­ein­ge­wan­dert sind, oft bleibt die Zell­dichte sehr gering und die Ver­tei­lung ungleichmäßig. 

Eine andere Vari­ante wäre auf ein sol­ches Gerüst zu ver­zich­ten und klei­nere Zell­ag­glo­me­rate zu züch­ten, die dann in der gewünsch­ten Form anein­an­der­fügt wer­den, sodass sie schließ­lich mit­ein­an­der ver­wach­sen. Bei die­ser Tech­nik ist die Zell­dichte von Anfang an hoch, es gibt aber kaum Mög­lich­kei­ten, steu­ernd in den Pro­zess ein­zu­grei­fen. Ent­spre­chend könn­ten die Zell­kü­gel­chen ihre Größe oder Form ändern und das Gewebe am Ende hat dann andere Eigen­schaf­ten als gewünscht.

Fili­grane und hoch­po­röse Mikro-Gerüste
„Wir konn­ten nun die Vor­teile bei­der Ansätze mit­ein­an­der erbin­den – und zwar mit einer extrem hoch­auf­lö­sen­den 3D-Druck-Methode, an der wir hier an der TU Wien schon seit Jah­ren for­schen“, sagt Alek­sandr Ovsia­ni­kov. Bei die­ser Tech­nik (Anm. Zwei-Pho­to­nen-Poly­me­ri­sa­tion), wird licht­emp­find­li­ches Mate­rial ver­wen­det, das mit­tels Laser­strahl punkt­ge­nau aus­ge­här­tet wer­den kann und das ermög­licht Struk­tu­ren mit einer Genau­ig­keit im Bereich von weni­ger als einem Mikrometer.

Mit die­ser Laser-Methode wer­den nun fili­grane, hoch­po­röse Mikro-Gerüste erzeugt und das ermög­licht wie­derum eine schnelle Erzeu­gung von Zell­ag­glo­me­ra­ten im Inne­ren. Gleich­zei­tig wer­den die Zel­len vor äuße­rer mecha­ni­scher Beschä­di­gung geschützt, ähn­lich wie der Ral­lye­fah­rer durch einen Über­roll­kä­fig des Renn­wa­gens geschützt wird. „Die Zusam­men­fü­gung von vie­len die­ser Ein­hei­ten ermög­licht in kur­zer Zeit große Gewe­be­kon­strukte mit einer hohen Zell­dichte und guten mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten“, erklärt Oli­ver Kopin­ski-Grün­wald, ebenso vom Insti­tut für Werk­stoff­wis­sen­schaft und Werk­stoff­tech­no­lo­gie der TU Wien.

Knor­pel und Kno­chen als erste Zielgewebe
Das zugrunde lie­gende Kon­zept die­ser neu­ar­ti­gen Tis­sue-Engi­nee­ring-Stra­te­gie wurde bereits 2018 aus­führ­lich prä­sen­tiert. Nun gelang es erst­mals zu zei­gen, dass diese Methode tat­säch­lich funk­tio­niert. „Wir konn­ten nun die erhoff­ten Vor­teile die­ser Methode bele­gen. Wir haben für unsere Expe­ri­mente Stamm­zel­len ver­wen­det, die nach Belie­ben dazu gebracht wer­den kön­nen, ent­we­der Knor­pel- oder Kno­chen­ge­webe zu pro­du­zie­ren“, erläu­tert Alek­sandr Ovsianikov. 

„Wir konn­ten zei­gen, dass die Zel­len aus benach­bar­ten Gerüst-Ein­hei­ten mit­ein­an­der ver­wach­sen und tat­säch­lich ein gemein­sa­mes Gewebe bil­den. Dabei behält die Struk­tur ihre Form bei. In Zukunft könn­ten diese Mikro-Gerüst-basierte Gewebe-Ein­hei­ten sogar inji­zier­bar gemacht wer­den, um sie in der mini­mal­in­va­si­ven Chir­ur­gie ein­zu­set­zen“, unter­streicht Ovsia­ni­kov von der TU Wien. Die For­schungs­ar­beit wurde im Rah­men des ERC-For­schungs­pro­jekt THIRST durchgeführt.