Auf dem Weg zum Druck künstlicher Organe

Ein zweiteiliges wasserbasiertes Gel aus synthetischer DNA und Polypeptiden bringt den 3D-Biodrucker weiter in Richtung Druck von Organen für die Transplantation oder als Tiermodell. Dongsheng Liu (Tsinghua-Universität Peking) und Will Shu (Heriot-Watt University Edinburgh) und ihre Arbeitsgruppen sahen sich mit den Hauptschwierigkeiten konfrontiert, zum einen eine geeignete Matrix oder ein Gerüst zu finden, das die lebenden Zellen dreidimensional unterstützt, zum anderen, ein konsistentes Produkt herzustellen, das der Empfänger des Spenderorgans nicht wieder abstößt.

Ein zweiteiliges wasserbasiertes Gel aus synthetischer DNA und Polypeptiden / Bildquelle: Wiley-VCH

Die erste Herausforderung war, dass mit einem normalen Gel keine lebenden Zellen für den 3D-Druck vermischt werden konnten. Kollegen an der Tsinghua-Universität in Peking haben jedoch ein Gel entwickelt, das wie manche Klebstoffe zunächst in der Form von zwei separaten Flüssigkeiten vorliegt. Diese Flüssigkeiten können einzeln die Zellen aufnehmen und werden erst dann zum Gel, wenn sie während des Druckprozesses miteinander gemischt werden. Nach Liu sind für das neue DNA-Gel weder Hitze, UV-Licht, Salze oder sonstige harsche Bedingungen nötig. In Verbindung mit Shus ausgeklügeltem 3D-Drucksystem konnte eine dreidimensionale Matrix herstellt werden, in der sich hoch produktive lebende Zellen befinden. Spezialisierte Bildgebungsverfahren ermöglichten es zudem, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Rory Duncan nachzuweisen, dass die Zellen nach dem Druck weiter lebten und im subzellulären Bereich funktionsfähig waren. Lediglich durch Austausch einer Base in der DNA-Sequenz können Liu und Kollegen die Steifheit des Gels sowie des gedruckten Objekts genau einstellen und somit dem Endprodukt Konsistenz verleihen, was ein weiterer großer Vorteil ist.

Die klassischen Gele für den 3D-Druck sind aus Naturstoffen aufgebaut, zum Beispiel aus Collagen oder Algenextrakten. Mit diesen Materialien lassen sich lebende Zellen kaum vermischen, die Steifheit des Gels ist nicht einstellbar, und die Gele sind nicht für die Produktion standardisierbar. Das neue zweiteilige DNA-Gel überwindet diese Schwierigkeiten und bietet für das langfristige Ziel des Organdrucks eine Matrix, die der Empfängerorganismus des künstlichen Organs nicht abstößt.

Nach Shu ist letztlich das Ziel, Organe für die Transplantation 3D zu drucken und Alternativen zu finden, um Arzneimittel nicht mehr an Tieren testen zu müssen. In Verbindung mit unserem 3D-Drucker für lebende Zellen ist dieses Gel ein gewaltiger Schritt in Richtung eines langfristigen medizinischen Nutzens.

Autor: Dongsheng Liu, Tsinghua University (China)

http://dx.doi.org/10.1002/ange.201411383