3D-BIOPRINTING – EINE NEUE ÄRA DER ZELLKULTUREN

Fortschritt in 3D Zellkulturtechnologie hat die Möglichkeit der Entwicklung von Tissue Engineering und einen verbesserten Fortschritt in der regenerativen Medizin geschaffen. Zunächst wurde in den Neunzigerjahren Gewebeknorpel entwickelt, gefolgt von der Entwicklung des 3D-Drucks im Jahr 2013. Das Ohr wurde mit einem Hydrogel gedruckt, um ohrenförmige Gerüste und Zellen zu bilden, die Knorpel bilden. (1).

Die 3D-Bioprinting-Technologie ist nicht neu, war aber eine der faszinierendsten Innovationen. Die Erstbeschreibung des 3D-Drucks stammt von Charles W. Hull; er nannte seine Methode „Sterolitographie“ (2). Die Bildung von 3D-Gerüsten für biologisches Material war der erste Schritt in der Entwicklung, gefolgt von der Evaluierung der Technik, die das schichtweise Drucken lebender Zellen in spezielle 3D-Gerüste ermöglichte. (3)

Der 3D-Druck Technologie hängt von verschiedenen Elementen wie Mikroextrusion, Tintenstrahl- und lasergestütztem Drucken ab. Die Funktion von Mikroextrusionsdruckern besteht darin, die Extrusion kleiner Materialkügelchen zu steuern, die auf das Substrat aufgetragen werden. Ein weiterer wichtiger Faktor beim Organ- oder Gewebedruckprozess ist das laserunterstützte Bioprinting (LAB), ein Gerät, das aus einem gepulsten Laserstrahl, einem Fokussierungssystem und einem Band, das für den Materialtransport sorgt, und einem Substrat für zellhaltiges Material besteht. Die in der regenerativen Medizin und im 3D-Bioprinting verwendeten Materialien basieren auf natürlichen oder synthetischen Polymeren. (3).

Die erfolgreiche Bioprinting Der Prozess hängt von der Zellauswahl für den Gewebe- oder Organdruck ab. Die gewählten Zellen müssen robust genug sein, um den Druckvorgang zu überstehen. Dieser sich weiterentwickelnde 3D-Druck würde nicht nur das Problem der Organtransplantation lösen, sondern auch Möglichkeiten für die Verwendung als Konstrukt für die Arzneimittelforschung sowie für chemische, biologische oder toxikologische Analysen bieten. (4).

3D-ZELLKULTUREN: CHANCEN UND HINDERNISSE

Die 3D-Kulturtechnik basiert auf der Nachahmung von Ideen, ist weit verbreitet und bietet viele Vorteile: Gewährleistung einer genaueren gewebespezifischen Architektur, genauere Ergebnisse für Arzneimittel- und Krebsbiologieexperimente, (5) repräsentativere In-vitro-Modelle, die biochemische und morphologische Merkmale aufweisen spezifisch für die In-vivo-Zustände, Entwicklung verschiedener Arten von 3D-Zellkultursystemen – auf Matrix gezüchtete 3D-Sphäroide, in der Matrix gezüchtete, in Suspension gezüchtete oder gerüstfreie 3D-Kulturen.(6)

Diese relativ neue und innovative Technik weist jedoch einige Einschränkungen auf, um nur einige zu nennen: Die Ablösung von Zellen ist schwierig, einige Systeme können die biochemischen Eigenschaften von Gewebe in vivo nicht nachahmen, die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Chargen ist unbefriedigend und es kommt häufig zu unerwünschten Kontaminationen durch Wachstumsfaktoren oder Viren .

ZUKUNFT DER ZELLKULTUREN

Die Zelltechnologie hat erweiterte Anwendungsmöglichkeiten: tierische Zelltechnologien für Gentherapie, Impfstofftechnologie und rekombinante Proteinproduktion, während menschliche Zellkulturen für persönliche Therapien verwendet werden können – Tissue Engineering, Transplantation von Organen. (7). Seit der Etablierung der HeLa-Zelllinien werden unmoralische Krebszelllinien intensiv als biologisches Modell zur Untersuchung der Krebsbiologie untersucht und für die Entwicklung von Krebsmedikamenten oder alternativen Therapieformen verwendet.

Studien mit Krebszelllinien bieten die Möglichkeit, die Tumorbiologie zu verstehen und ein Hochdurchsatz-Screening zu ermöglichen. Zukünftige Medizin wird in der Lage sein, Stammzellen in großem Umfang für den Ersatz von beschädigtem Gewebe zu nutzen. (7) Es ist auch möglich, Hautbioprinter als Werkzeug für die chirurgische Rekonstruktion und als bevorzugte Therapieform zur Wundheilung und zur Behandlung von Verbrennungen einzusetzen. (8)

REFERENZEN:

1. Ledford H. Gedruckte Körperteile werden lebendig. Natur. 2015; 520: 273. doi:10.1038/520273a
2. Mironov V, Boland T, Trusk T, Forgacs, Markwald RR. Organdruck: computergestütztes strahlbasiertes 3D-Gewebe-Engineering. Trends in der Biotechnologie. 2002; 21: 157–161. doi:10.1016/S0167‐7799(03)00033‐7
3. SV, Atala A. 3D-Bioprinting von Gewebe und Organen. Naturbiotechnologie. 2014; 32: 773–785
4. Knowlton S, Onal S, Yu CH, Zhao JJ, Tasoglu S. Bioprinting für die Krebsforschung. Trends in der Biotechnologie. 2015; 33: 504–513. doi:10.1016/j.tibtech.2015.06.007.
5. Souza AG, Ferreira ICC, Marangoni K, Bastos VAF, Goulart VA. Fortschritte in der Zellkultur: mehr als ein Jahrhundert nach der Kultivierung von Zellen. Zeitschrift für Biotechnologie und Biomaterialien. 2016; 6: 1–4. doi:10.4172/2155‐952X.1000221
6. Rimann M, Graf-Hausner U. Synthetische 3D-Multizellularsysteme für die Arzneimittelentwicklung. Aktuelle Meinung in der Biotechnologie. 2012; 23: 803–809. doi:10.1016/j.copbio.2012.01.011
7. Merten OW. Einführung in die Technologie der Tierzellkultur – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Zytotechnologie. 2006; 50: 1–7. doi:10.1007/s10616‐006‐9009‐4
8. Albanna M, Murphy S, Zhao W, El-Amin I, Tan J, Dice D, Kang HW, Jackson J, Atala A, Yoo J. In-situ-Bioprinting von Haut zur Rekonstruktion. Das Journal of Urology. 2012; 187; Zus. E8. doi:10.1016/j.juro.2012.02.062