Video: Wissenschaftler züchten ein menschliches Ohr mit einer neuen, durch die Haut kriechenden 3D-Druckmethode

„Komplikationen nach einer Operation“ ist ein vager und beängstigender Begriff, der sich auf sekundäre Erkrankungen wie Infektionen bezieht, die nach einem chirurgischen Eingriff auftreten. Studien haben gezeigt, dass diese Komplikationen mehr als 50 Millionen Patienten weltweit betreffen und eher in Ländern mit hohem Einkommen wie den Vereinigten Staaten auftreten, wo Operationen häufiger vorkommen.

Für rekonstruktive und kosmetische Operationen, von denen es laut der American Society of Plastic Surgeons im Jahr 2018 in den USA insgesamt 22 Millionen gab, ist dieses Risiko besonders spürbar, da sie invasiv sind. Doch dieses Risiko könnte durch eine neue Erkenntnis revolutioniert werden. Mithilfe neuer 3D-Bioprinting-Techniken haben Biomaterialwissenschaftler und Gewebeingenieure aus China, den USA und Belgien herausgefunden, wie sich Körperteile und Organe nicht-invasiv unter der lebenden Haut züchten lassen.

Ihr neuer Ansatz für das 3D-Bioprinting ermöglicht ein nicht-invasives Gewebewachstum und die Wundheilung. Es funktioniert, indem Bioink-Zellen, das additive Material, das traditionell beim 3D-Bioprinting verwendet wird, unter die Haut injiziert werden und Nahinfrarotlicht verwendet wird, um das Gewebe zu durchdringen und anpassbare Gebäudedesigns – wie ein Ohr oder eine abstrakte Form – auf neu injizierte Zellen zu übertragen.

Das Ohr begann sich in nur 20 Sekunden zu bilden.

In einer neuen Studie, die am Freitag in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, erklärt das Team, wie sich ihr Ansatz von früheren Arbeiten im Bereich des 3D-Biodrucks unterscheidet.

„Derzeit sind die In-vivo-Anwendungsstrategien für 3D-gedruckte Produkte im Makromaßstab auf die chirurgische Implantation oder den In-situ-3D-Druck am exponierten Trauma beschränkt, die beide die Exposition der Anwendungsstelle erfordern“, schreiben die Autoren. „Dies motiviert uns, nicht-invasive 3D-Drucktechnologien zu entwickeln, mit denen die gewebebedeckte Biotinte nicht-invasiv zu maßgeschneiderten Produkten verarbeitet werden kann, einschließlich lebender Gewebekonstrukte in situ.“

Der nicht-invasive Ansatz der Forscher funktioniert, indem sie zunächst Zellen der Biotinte unter die Haut von Mäusen an der Stelle einer Wunde oder einer zukünftigen Rekonstruktion injizieren. Diese Biotinte hat selbst keine ursprüngliche Form, sondern enthält die biologischen Bausteine, die in jede beliebige Form gebracht werden können.

Nach der Injektion der Biotinte bestrahlen die Forscher den Bereich mit Nahinfrarotlicht, das durch einen digitalen Chip mit individuellen Bauanweisungen für die Biotinte geleitet wurde. Während das Licht diesen Chip durchdringt, nimmt es die Anweisungen auf und trägt sie tief unter die Haut zur darunter liegenden Biofarbe.

Im Gegensatz zu anderen Formen des sichtbaren Lichts, sogar UV-Licht, kann Nahinfrarotlicht tief in das Gewebe eindringen. Das macht es zu einem perfekten Träger für die Übertragung der Bauanweisungen an die Biotinte.

Sobald die Biotin ihre Anweisungen erhalten hat, beginnt sie, sich unter der Haut sicher zu verwandeln und die neue, individuelle Form anzunehmen. In der Studie waren die Forscher in der Lage, abstrakte Formen wie ein Kreuz und eine kuchenartige Struktur sowie eine Annäherung an ein menschliches Ohr zu schaffen.

Die Autoren schreiben, dass sich das Ohr in nur 20 Sekunden auf der Haut der Maus zu bilden begann und seine Form mindestens einen Monat lang beibehielt.

In einem Video, das den Prozess beschreibt, sagen die Autoren, dass die Reste der Biotinte von der Stelle entfernt werden können, um das vollständig geformte neue Gewebe freizulegen.

In Zukunft, so die Autoren, könnte ein Ansatz wie dieser auch für die personalisierte und vielfältige Geweberekonstruktion beim Menschen verwendet werden. Sie hoffen, dass ein nicht-invasiver Ansatz wie dieser es Chirurgen ermöglichen würde, unnötige und potenziell gefährliche rekonstruktive Operationen zu vermeiden.

„Diese Arbeit liefert den Konzeptnachweis für das nicht-invasive In-vivo-3D-Bioprinting, das einen neuen Weg für den medizinischen 3D-Druck eröffnen und die minimal-invasive oder nicht-invasive Medizin voranbringen würde“, schreiben die Autoren.

Zusammenfassung: Die dreidimensionale (3D-)Drucktechnologie hat ein großes Potenzial für den Fortschritt in der klinischen Medizin. Derzeit sind die In-vivo-Anwendungsstrategien für 3D-gedruckte makroskopische Produkte auf die chirurgische Implantation oder den In-situ-3D-Druck am exponierten Trauma beschränkt, die beide eine Exposition der Anwendungsstelle erfordern. Hier zeigen wir eine digitale, auf Nahinfrarot (NIR) Photopolymerisation (DNP) basierende 3D-Drucktechnologie, die das nicht-invasive in vivo 3D-Bioprinting von Gewebekonstrukten ermöglicht. Bei dieser Technologie wird das NIR durch ein digitales Mikrospiegelgerät in ein individuelles Muster moduliert und dynamisch projiziert, um die Polymerisation von Monomerlösungen räumlich zu induzieren. Durch Ex-vivo-Bestrahlung mit dem gemusterten NIR kann die subkutan injizierte Biotinte nicht-invasiv in maßgeschneiderte Gewebekonstrukte in situ gedruckt werden. Ohne chirurgische Implantation wurden in vivo ein personalisiertes ohrähnliches Gewebekonstrukt mit Chondrifikation und ein mit Muskelgewebe reparierbares zellbesetztes konformes Gerüst hergestellt. Diese Arbeit liefert einen Konzeptnachweis für nichtinvasives 3D-Bioprinting in vivo.