Bei Verbrennung kommt es häufig auch zu Verletzungen der Atemwege. Um die Inhalationsverletzungen zu behandeln, müssen Schnittwunden repariert, beschädigtes Gewebe entfernt und die gesunden Enden wieder verbunden werden. Forscher der Universität Hongkong (HKU) entwickelten zusammen mit C2iTech und dem japanischen Konglomerat Hitachi einen neuen Ansatz, um die Behandlung von Atemwegstraumata besser zu behandeln: 3D-gedruckte Atemwege.
Erster Schritt ist für die Forscher die Entnahme von patienteneigenen Zellen. Mithilfe einer entwickelten Methode an der HKU kann dieser Vorgang in einem einzigen Mundabstrich erfolgen. Anhand dieser Stammzellen züchten die Wissenschaftler im Labor Organoide oder „Miniorgane“, welche die Funktion und Struktur der biologischen Organe einer Person nachahmen. Diese kombinieren die Forscher mit 3D-gedrucktem Gewebe, um so personalisierte 3D-gedruckte Atemwege zu erstellen.
Bei Brandopfern kommt es häufig zu Verletzungen der Atemwege. (Bild: Pixabay)
Dies erweist sich allerdings als äußerst herausfordernd, wie Professor Michael Chan vom Zentrum für Immunologie und Infektion hervorhebt: „Bestehende Technologien ermöglichen den 3D-Druck eines Atemwegs mithilfe von Biomaterialien. Ohne die Zellen kann dieser jedoch seine Funktion nicht erfüllen.“ Die Einbettung von menschlichen Zellen ist also ein zentrales Element für das Funktionieren der Atemwege.
Für die Forschenden war es daher von zentraler Bedeutung, eine Möglichkeit zu finden, die Organoide mit dem 3D-gedruckten Gewebe zu verbinden. „Unser Ansatz besteht darin, Strukturen zu schaffen, die den im Bauwesen verwendeten Bewehrungsstäben ähneln, und die Organoide darauf zu befestigen, so als würden wir Fischbällchen auf einen Spieß fädeln“, erklärt Chan.
In der Zusammenarbeit mit Hitachi und dem HKU Spin-off C2iTech, das sich auf die personalisierte Organoid-Kulitivierung spezialisiert hat, tat sich hier ein weiterer Durchbruch auf. Aus der Kollaboarion ging eine einzigartige Maschine für die Herstellung von Atmungsorganoiden hervor. Die Wissenschaftler müssen nun die Organoide nicht mehr manuell züchten und versorgen. Der arbeitsintensive und fehleranfällige Prozess wird nun von der Maschine übernommen, die personalisierte Organe druckt. Die Maschine kann 128 Proben gleichzeitig verarbeiten und rationalisiert den Herstellungsprozess: „Die ultimative Version wird die Organoide nach der Entnahme der Stammzellen von Anfang bis Ende herstellen“, so Chan.
Professor Michael Chan entwickelt mit seinem Team und Partnern Organoide und für 3D-gedruckte Atemwege. (Bild: Edmond So)
Anhand der Organoide kann getestet werden, wie eine bestimmte Personen auf Medikamente, Krankheiten und Impfungen reagiert. Sie stellen also einen wertvollen Schritt in Richtung personalisierte Medizin dar. „Ich gehe davon aus, dass Organoide in Zukunft unverzichtbar sein werden. Wenn sie sich durchsetzen, werden die Menschen nicht mehr auf Handarbeit angewiesen sein. Stattdessen können sie auf Maschinen hoffen, die diese Aufgaben effizienter erledigen können“, sagt Chan zum Potential der Organoide und setzt fort: „In Zukunft werden wir uns nicht nur auf die Atemwege beschränken. Wir hoffen, dasselbe auch für andere Organe tun zu können. 3D-Druck mit Biomaterialien ist einfach, entscheidend ist jedoch, welche Art von Zellen man darin einsetzt.“
Weitere Schritte sind nun, die Automatisierung der Organoid-Entwicklung voranzutreiben und die Langzeiterhaltung zu verbessern. Ziel ist es, die Organoide automatisch zu erstellen und die Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit zu verbessern. Außerdem könnten die Organoide auch für Pharmaunternehmen interessant sein, um neue Medikamente zu testen. Darüber hinaus ist die Kommerzialisierung der Maschine möglich.
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*Titelbildnachweis: Edmond So