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Bioprinting von künstlichen menschlichen Geweben

29.10.2018
Eine neuartige Methode kann helfen, den Bedarf von lebensnotwendigem Sauerstoff zu ermitteln

Gedruckte Gewebskonstrukte sollen in Zukunft krankhafte oder zerstörte Gewebe von Patienten ersetzen, z.B. Knorpel oder hormonproduzierendes Drüsengewebe. Eine andere wichtige Anwendung ist die Erzeugung von Krankheitsmodellen, z.B. für Tumorerkran-kungen, um neue Medikamente testen zu können.

Forscher arbeiten weltweit intensiv an der Entwicklung von Methoden des Bioprinting, also dem 3D-Druck von in Biomaterialien eingebetteten Zellen, mit dem Ziel, menschli-che Gewebe künstlich herzustellen. Problematisch dabei ist die Versorgung der Zellen im Inneren solcher Konstrukte; ein Mangel zum Beispiel an Sauerstoff führt zu deren schnel-len Absterben. Ein Forscherteam der TUD um Prof. Michael Gelinsky (Dr. Ashwini Ra-hul Akkineni, Dr. Anja Lode und Dr. Felix Krujatz) entwickelte gemeinsam mit Kollegen von der Universität Kopenhagen (Prof. Michael Kühl und Mitarbeiter) eine neue Metho-de, die eine zerstörungsfreie Messung der lokalen Sauerstoffkonzentration in solchen künstlichen Geweben erlaubt. Damit kann erstmals online der Sauerstoffgehalt in der un-mittelbaren Umgebung solcher Zellen über die Zeit ermittelt werden. Diese Methode er-laubt auch die Untersuchung des Sauerstoffverbrauchs durch die Zellen – je vitaler und aktiver die Zellen sind, umso mehr Sauerstoff verbrauchen sie. Zellen der Bauchspeichel-drüse, die Insulin produzieren, oder sich zu Knochenzellen differenzierende Stammzellen haben beispielsweise einen sehr hohen Sauerstoffverbrauch.

Mit der neu entwickelten Methode kann sehr schnell und effizient getestet werden, ob neue Materialien für das Bioprinting, sog. Bioinks/Biotinten, die Vitalität und Funktion der eingebetteten Zellen in geeigneter Weise unterstützen und eine ausreichende Durch-lässigkeit für Sauerstoff aufweisen, oder ob sich eingebettete Stammzellen in die ge-wünschte Zellsorte entwickeln.
Das Messprinzip ist sehr einfach: den Biotinten (Hydrogelmaterialien) werden kleine Na-nopartikel zugesetzt, die die Zellen nicht stören. Bei Anregung mit blauem Licht emittie-ren diese rotes Licht, dessen Leuchtintensität abhängig von der umgebenden Sauerstoff-konzentration ist: je mehr Sauerstoff, desto niedriger ist die Intensität. Das ausgesendete Licht kann mit Hilfe einer Kamera eingefangen werden und somit entsteht ein Abbild der räumlichen Verteilung des Sauerstoffs im künstlichen Gewebe. Bilder können beliebig oft zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen werden, so dass die Entwicklung über die Zeit beobachtet werden kann.

Die Publikation ist erschienen in der Fachzeitschrift „Avanced Functional Materials“, doi.org/10.1002/adfm.201804411

Quelle: Pressemitteilung der TU Dresden vom 09.10.2018