Stellen Sie sich einen 3D-Drucker vor, der "Bioinks" aus menschlichen Zellen und extrazellulärem Matrixmaterial verwendet, um Schicht für Schicht flache Gewebeschwaden zusammenzusetzen, die mit Gefäßen überzogen sind, die möglicherweise als Pflaster für beschädigtes Myokard dienen könnten.
Das sagen Forscher der Universität Tel Aviv, Israel, die am 15. April in der Zeitschrift Advanced Science berichtet haben, dass sie es getan haben. Und in einer spekulativeren Proof-of-Concept-Demonstration berichten sie, dass sie auch ganze "Herzen" aus ähnlichen Myozyten- und Endothelzell-Tinten drucken, Miniatur-Tinten, von denen sie sagen, dass sie etwa die Größe eines Kaninchenherzens haben.
Die kleinen gedruckten Ebenen von Myozyten und Endothelzellen, etwa 2 mm dick und in der Lage, elektrische Signale zu leiten, "passen" genau zu den immunologischen und biochemischen Eigenschaften des menschlichen Spenders der Zellen und anderen Materials, das in die Bioinks gelangt ist, schreiben die Autoren, geleitet von Doktorand Nadav Noor.
Frühere Untersuchungen derselben Gruppe deuteten darauf hin, dass solche "personalisierten" Gewebepflaster, wenn sie bei Patienten verwendet werden, wahrscheinlich keine Immunantwort hervorrufen, die zur Abstoßung führt, sagte der leitende Autor Tal Dvir, PhD, gegenüber theheart.org | Medscape Kardiologie.
Dvir sagte, seine Gruppe habe die Miniaturherzen gedruckt, zu denen einige Gefäße größeren Kalibers sowie linke und rechte "Ventrikel" gehören, um das Potenzial der Technik für die Konstruktion ganzer Organe ohne die grundlegende immunologische Gefahr von Spendertransplantationen zu demonstrieren. Wenn das passiert, wäre es in ferner Zukunft.
Derzeit sind die gedruckten Herzen vereinfachte Versionen des realen Organs, "nur mit den Hauptblutgefäßen". Wie er und seine Kollegen schreiben, umfassen die verbleibenden Herausforderungen Techniken zur Erzeugung der großen Anzahl erforderlicher Zellen und zur "langfristigen Kultivierung der Organe", die "biochemische und physikalische Hinweise für die Reifung" liefern und das gesamte Gefäßsystem eines echten Herzens abbilden, um die Vorlage zu erstellen und 3D-Druck von Gefäßen mit kleinem Durchmesser.
Aber patientenspezifische Herzpflaster könnten möglicherweise viel früher Realität werden, sagte er. "Vielleicht könnte es in 5 Jahren in klinischen Studien sein", aber dieses Best-Case-Szenario zählt nur die Zeit, die wahrscheinlich für die weitere Forschung und Entwicklung benötigt wird. Er schließt die unvorhersehbaren und langwierigen Zeiten ein, in denen solche Bemühungen häufig erforderlich sind, um beispielsweise ein Unternehmen zu gründen, finanzielle Unterstützung zu sichern und regulatorische Hürden zu überwinden, warnte er.
"Ich denke, das Drucken von Zellen in einem Hydrogel biologischen oder sogar synthetischen Ursprungs ist nicht neu", sagte Dr. Doris A. Taylor gegenüber theheart.org | Medscape Kardiologie. "Aber die Idee, dass man ein vaskularisiertes Pflaster mit einer hohen Perfusionstreue erzeugen kann, fehlt irgendwie."
Hochauflösende große und kleine Strukturen sind im Allgemeinen außerhalb der Reichweite des aktuellen 3D-Bioprintings, aber der aktuelle Bericht "zeigt Fortschritte in dieser Hinsicht", sagte Taylor, Direktor für Forschung im Bereich der regenerativen Medizin am Texas Heart Institute in Houston.
"Sie haben hervorragende Arbeit beim 3D-Druck von Herzpflastern mit menschlichen Zellen und menschlichen Proteinen geleistet", sagte sie. "In Bezug auf den Aufbau eines wirklich vaskularisierten Herzens in der Größe und Größe eines Herzens in Menschengröße oder eines Herzens in Kaninchengröße sind die Daten jedoch weniger überzeugend."
Taylor räumte ein, dass ihre Forschung eine "konkurrierende Technologie" für die Orgeltechnik beinhaltet. Ihre und die anderer Arbeiten zur Dezellularisierung und Rezellularisierung von Gerüsten aus Menschen- und Schweineherzen haben Strukturen mit ausgedehnten Gefäßen, allen Ventilen und vier vollständigen Kammern hervorgebracht, unter anderem Komponenten, die in den 3D-gedruckten Herzen des aktuellen Berichts fehlen.
Obwohl die im aktuellen Bericht beschriebenen Pflaster und "Herzen" aus menschlichen Zellen stammen und sich möglicherweise sogar als immunologisch kompatibel mit dem Wirt erweisen, seien sie in ihrer derzeitigen Form nicht anatomisch oder biochemisch wie die Realität.
"Ich sehe keine gute Physiologie, ich sehe keine gute Funktion, ich sehe keine gute elektrische Aktivität, und wenn ich mir die Histologie anschaue, zeigen sie nicht wirklich, wie reife Zellen aussehen."
Eine der größten Herausforderungen auf diesem Gebiet sei die Entwicklung effizienter Methoden zur Herstellung der großen Anzahl pluripotenter Stammzellen, die für die Konstruktion eines vollständigen Organs erforderlich sind. "Wenn Sie ein menschliches Herz bauen wollen, brauchen Sie 10 bis 100 Milliarden Zellen, und das Wachstum ist nicht trivial", sagte sie. "Das routinemäßig zu tun, um ein Organ zu erzeugen, war ein unerfüllter Bedarf auf dem Gebiet."
Taylor fügte über die aktuelle Forschung hinzu: "Davon abgesehen haben sie dies getan, und es ist ein Fortschritt für den kardialen 3D-Druck."
Die Entwicklung des Bioink für den 3D-Druck, wie im aktuellen Bericht beschrieben, begann mit Omentalgewebe, von dem die Zellen und extrazellulären Komponenten getrennt wurden. Unter Verwendung etablierter Techniken werden die Zellen "umprogrammiert", um pluripotente Stammzellen zu werden, und dann in Kardiomyozyten und Endothelzellen differenziert, heißt es.
Das extrazelluläre Matrixmaterial wird zu einem "personalisierten Hydrogel" verarbeitet, einem Medium aus kollagenen Nanofasern, die sich "bei Raumtemperatur wie ein schwaches Gel verhalten" und beim Erhitzen auf physiologische Temperatur beim Menschen stärker werden.
Wie beschrieben, werden die Myozyten und Endothelzellen getrennt mit dem Hydrogel kombiniert, um zwei Bioinks zu erzeugen, die der Drucker in Schichten aufträgt, um die dreidimensionalen Flecken zu erzeugen, die vaskularisiertem Myokardgewebe ähneln.
Ein ähnlicher Prozess wurde bei der Herstellung der herzartigen Strukturen mit einer Größe von jeweils etwa 20 mm x 14 mm durchgeführt. der Drucker wird von einer Datenvorlage geleitet, die aus kardialen Computertomographiebildern abgeleitet ist.
Die gleichen Techniken könnten möglicherweise auf andere Gewebe und Organe angewendet werden, schlug Dvir vor. Zum Beispiel: "Es könnte mit der Leber oder den Nieren funktionieren, aber dies muss untersucht und weiterentwickelt werden. Ich möchte vorsichtig sein und diese Technologie nicht überbieten."
"Die Hürden beim Aufbau eines Herzens sind gewaltig", sagte Taylor. "Das Niveau der Gefäß- und Mikrovaskulatur, der Zell-Zell-Wechselwirkung sowie der elektrischen und mechanischen Physiologie, die in das Herz gelangen muss, ist anders als in jedem anderen Organ."
Dass das Feld bereit ist, etwas als "Herz" zu bezeichnen, wenn es nur in kleinem Maßstab wie eines geformt ist und möglicherweise Zellen aufweist, die sich ähnlich wie Myozytenkontraktionen zusammenziehen ", zeigt, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben, um zum Realen zu gelangen Deal."
Noor, Dvir und ihre Mitautoren berichten, dass sie keine Konflikte haben. Taylor hat zuvor erklärt, dass sie keine relevanten Konflikte hat. Bilder, die diese Geschichte begleiten, wurden in den veröffentlichten Bericht aufgenommen, der von der WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheimand, veröffentlicht wird, und wurden gemäß den Bestimmungen der Creative Commons Attribution License reproduziert.
Fortgeschrittene Wissenschaft. Online veröffentlicht am 15. April 2019. Volltext
TAU-Wissenschaftler drucken das erste 3D-Herz mit eigenen Zellen und Materialien des Patienten. Montag, 15. April 2019. Pressemitteilung
Curr Opin Organtransplantation. 2018; 23: 664 - 672. Abstrakt
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