3D-gedrucktes Herz schlägt dank neuer faserverstärkter Tinte
Herzkrankheiten sind eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Sie sind so weit verbreitet, dass nach Angaben der Centers of Disease Control and Prevention (CDC) in den Vereinigten Staaten alle 33 Sekunden ein Mensch an einer Herz-Kreislauf-Erkrankung stirbt, wobei sie im Jahr 2021 für jeden fünften Todesfall, d.h. etwa 695 000 Menschen, verantwortlich sind, die Erforschung von Behandlungsmöglichkeiten daher unerlässlich macht. Nun ist Harvard-Wissenschaftlern dank der Bioprinting-Technologie ein Durchbruch gelungen, um Abhilfe zu schaffen. Durch die Verwendung einer speziellen, mit Fasern angereicherten Tinte sind sie nach eigenen Angaben in der Lage, eine funktionale Herzkammer in 3D zu drucken, die das Schlagen eines menschlichen Herzens imitieren kann.
Es ist nicht das erste Mal, dass das Bioprinting für die Herstellung von Organen eingesetzt wird. Derzeit gibt es einen Mangel an Organspenden, und während nach Angaben des Organ Procurement and Transplantation Network allein im Jahr 2022 mehr als 42.000 Transplantationen durchgeführt wurden, sterben jeden Tag mindestens 17 Menschen, während sie auf eine Organtransplantation warten. Um diese Versorgungslücke zu schließen, wurde das Bioprinting, also das Drucken lebender Teile aus echten Zellen, als wichtiger Hoffnungsträger entdeckt. Obwohl die Forschung voranschreitet, ist es jedoch schwierig, eine Lebensfähigkeit herzustellen. Die Schaffung von Gewebe, das tatsächlich schlagen kann, würde uns einen Schritt näher an die Möglichkeit bringen, nicht nur 3D-gedrucktes Gewebe für die Forschung herzustellen, sondern ganze Organe zu drucken.
Suji Choi, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SEAS und Erstautor der Arbeit, erklärt: „Man hat versucht, die Strukturen und Funktionen von Organen nachzubilden, um die Sicherheit und Wirksamkeit von Medikamenten zu testen und so vorherzusagen, was im klinischen Umfeld passieren könnte. Die FIG-Tinte kann zwar durch die Druckdüse fließen, doch sobald die Struktur gedruckt ist, behält sie ihre 3D-Form bei. Aufgrund dieser Eigenschaften habe ich festgestellt, dass es möglich ist, eine ventrikelartige Struktur und andere komplexe 3D-Formen zu drucken, ohne zusätzliche Stützmaterialien oder Gerüste zu verwenden.„
Die Herstellung eines funktionierenden 3D-gedruckten Herzens
In einer in Nature Materials veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher von der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), wie sie eine neue Hydrogel-Tinte entwickelt haben, die mit Gelatinefasern infundiert wurde, die so genannte FIG-Tinte (fiber-infused gel). Mit dieser Tinte konnte eine funktionale Herzkammer in 3D gedruckt werden, die sogar das Schlagen eines echten menschlichen Herzens imitieren kann. Die Tinte wird dabei durch eine Düse gedruckt, und im Gegensatz zu anderen Tinten ist die Struktur dank der Fasern in der Lage, ihre 3D-Form unmittelbar nach dem Druck beizubehalten, so dass es laut Choi möglich ist, eine Herzkammer-ähnliche Struktur zu drucken, ohne zusätzliche Stützmaterialien oder Gerüste zu verwenden. Außerdem konnte das Team die Druckrichtung steuern, um zu kontrollieren, wie sich die Herzmuskelzellen ausrichten würden.
Sobald eine elektrische Stimulation angewandt wurde, löste sie eine koordinierte Welle von Kontraktionen aus, die mit der Richtung der Fasern übereinstimmten und so einen Pumpvorgang bewirkten. Derzeit kann die 3D-gedruckte Herzkammer bereits 5 bis 210 Mal mehr Flüssigkeitsvolumen pumpen als frühere 3D-gedruckte Herzen, was beispielsweise den Bau von Herzklappen oder Miniaturherzen mit zwei Kammern und mehr ermöglicht.
Kevin „Kit“ Parker, Professor für Bioengineering und angewandte Physik und Leiter der Disease Biophysics Group am SEAS sowie einer der Hauptautoren der Studie, schließt mit den Worten ab: „FIGs sind nur ein Werkzeug, das wir für die additive Fertigung entwickelt haben. Wir arbeiten an weiteren Methoden, um menschliches Gewebe für regenerative Therapeutika herzustellen. Unser Ziel ist es nicht, werkzeuggesteuert zu sein – wir sind werkzeugunabhängig auf der Suche nach einer besseren Methode, um Biologie zu erzeugen.“ Weitere Informationen, auch über das Verfahren zur Herstellung der Fasern, finden Sie in der Pressemitteilung HIER.
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