image: A hydrogel composed of living cells and photosensitive molecules is deposited in a special cuvette. A thin laser light sheet illuminates the gel following a programmed pattern (green beam). This leads to the formation of 3D micro-structures that reproduce the tissue architecture and function. The remaining, still liquid hydrogel is washed out after the printing process. view more
Credit: F. Pampaloni, BRIGHTER, 2019
FRANKFURT. Organe künstlich zu erzeugen, ist ein hochaktuelles Forschungsthema. Künstliche Organe werden in naher Zukunft den Mangel an Organspenden ausgleichen und Tierversuche ersetzen. Zwar gibt es bereits vielversprechende Versuche mit 3D-Druckern, die eine Bio-Tinte" lebender Zellen verwendet, aber ein funktionsfähiges Organ ist so noch nie entstanden. Eine von Elena Martinez (IBEC, Barcelona) initiierte europäische Forschergruppe unter Beteiligung der Goethe-Universität geht jetzt neue Wege. Sie entwickelt ein Lithographie-Verfahren, das auf spezielle Hydrogele setzt, die mit lebenden Zellen versetzt sind.
Biodrucksysteme, die Strukturen schichtweise von unten nach oben aufbauen (engl. "bottom-up"), haben erhebliche Nachteile. Zum einen dauert der Druckvorgang viel zu lang, so dass die Überlebenschancen der Zellen in der Bio-Tinte und in den polymerisierten Schichten sehr gering sind. Des Weiteren erzeugt der Sprühvorgang für die Zellen, besonders für Stammzellen, eine erhebliche Ausfallrate. Dazu kommt, dass die Auflösung des Verfahrens mit etwa 300 Mikrometern viel zu gering ist, um die filigranen Strukturen natürlicher Gewebe nachzubilden. Schließlich ist es besonders schwierig, komplexe Hohlraumstrukturen, wie blutführende Gefäße, in das Zellgewebe einzubauen.
Mit unserem Projekt wollen wir den umgekehrten Weg gehen, indem wir ein abwärts strukturiertes (engl. "top-down") Lithographie-Verfahren entwickeln", erklärt Dr. Francesco Pampaloni vom Buchmann Institut für Molekulare Lebenswissenschaften (BMLS) an der Goethe-Universität. Das Verfahren funktioniert ähnlich wie die Lithographie in der Halbleitertechnik. Anstelle des Halbleiters und der photoempfindlichen Schicht, die durch eine Maske beleuchtet wird, tritt ein Hydrogel mit lichtempfindlichen Molekülen. Dieses wird mithilfe der Lichtscheibentechnik, die Prof. Ernst Stelzer für die Lichtscheibenmikroskopie erfunden hat, in dünnen Scheiben belichtet. So bilden sich verzweigte Kettenstrukturen (Polymere), die als Matrix für die Besiedlung durch lebende Zellen dienen. Das restliche, noch flüssige Hydrogel, wird ausgewaschen.
Mit diesem Verfahren werden wir in der Lage kommen, die räumliche Struktur und ihre Steifigkeit mit einer bisher unerreichten Auflösung einzustellen, so dass wir die gleichen heterogenen Mikrostrukturen schaffen können, die Zellen in natürlichen Geweben vorfinden", erklärt Pampaloni. Er erwartet, dass sich vollkommen neue Möglichkeiten für die Biofabrikation komplexer Gewebe und ihrer anatomischen Mikrostrukturen ergeben werden. Zudem kann man die spezifischen Eigenschaften der Matrix nutzen, um Stammzellen in wohldefinierte Kompartimente einzubringen oder die Ausbildung von Gefäßen zu ermöglichen. Weitere Vorteile gegenüber bislang üblichen 3D-Drucksystemen sind die hohe Geschwindigkeit und eine kostengünstige Produktion.
BRIGHTER steht für "Bioprinting by light sheet lithography: engineering complex tissues with high resolution at high speed". Gefördert wird das Projekt ab Juli 2019 für drei Jahre im Rahmen des renommierten und sehr selektiven Future and Emerging Technologies" (FET) Open Horizon 2020 Programm der Europäischen Union. BRIGHTER wird mit insgesamt 3.450.000 Euro finanziert, von denen 700.000 Euro an das Team von Dr. Pampaloni im Arbeitskreis Physikalische Biologie von Prof. Stelzer, Fachbereich Biowissenschaften der Goethe-Universität, gehen. Weitere Partner sind das IBEC (Barcelona, Spanien, Koordination), Technion (Haifa, Israel) sowie die Unternehmen Cellendes (Reutlingen, Deutschland) und Mycronic (Täby, Schweden).
###
Ein Bild zum Download finden Sie unter: http://www.uni-frankfurt.de/78299401
Bildtext: Ein Hydrogel aus lebenden Zellen und lichtempfindlichen Molekülen wird in einer dünnen Schicht mit Laserlicht beleuchtet (grüner Strahl). Dadurch entstehen 3D-Mikrostrukturen, die Gewebe und seine Funktion nachbilden. Das verbleibende Hydrogel wird nach dem Druckprozess ausgewaschen.
Bild: F. Pampaloni, BRIGHTER, 2019
Informationen: Dr. Francesco Pampaloni, Physikalische Biologie, Fachbereich Biowissenschaften, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798-42544, fpampalo@bio.uni-frankfurt.de, http://www.physikalischebiologie.de
Aktuelle Nachrichten aus Wissenschaft, Lehre und Gesellschaft in GOETHE-UNI online (http://www.aktuelles.uni-frankfurt.de)
Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 mit privaten Mitteln überwiegend jüdischer Stifter gegründet, hat sie seitdem Pionierleistungen erbracht auf den Feldern der Sozial-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaften, Medizin, Quantenphysik, Hirnforschung und Arbeitsrecht. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein hohes Maß an Selbstverantwortung. Heute ist sie eine der drei größten deutschen Universitäten. Zusammen mit der Technischen Universität Darmstadt und der Universität Mainz ist die Goethe-Universität Partner der länderübergreifenden strategischen Universitätsallianz Rhein-Main. http://www.goethe-universitaet.de
Herausgeberin: Die Präsidentin der Goethe-Universität Redaktion: Dr. Anne Hardy, Referentin für Wissenschaftskommunikation, Abteilung PR & Kommunikation, Theodor-W.-Adorno-Platz 1, 60323 Frankfurt am Main,
Tel: 069 798-12498, Fax: 069 798-763 12531, hardy@pvw.uni-frankfurt.de