14.08.2020 - Singapore University of Technology & Design

Forscher erzeugen Herzzellen aus Stammzellen mit 3D-Druck

Additive Herstellung ermöglicht die Produktion von de-novo-Kardiomyozyten durch Kontrolle der Aggregation von Embryoidkörpern

Alle Menschen gehen von einer einzigen Zelle aus, die sich dann teilt, um schließlich den Embryo zu bilden. Abhängig von den Signalen, die von ihren benachbarten Zellen ausgesendet werden, werden diese geteilten Zellen dann zu spezifischen Geweben oder Organen entwickelt oder differenziert.

In der regenerativen Medizin ist die Kontrolle dieser Differenzierung im Labor von entscheidender Bedeutung, da Stammzellen differenziert werden könnten, um das Wachstum von Organen in vitro zu ermöglichen und geschädigte adulte Zellen zu ersetzen, insbesondere solche mit sehr begrenzten Replikationsfähigkeiten, wie z.B. Gehirn oder Herz.

Ein üblicher Ansatz, den Wissenschaftler bei der Differenzierung von Stammzellen verfolgen, ist die Verwendung chemischer Stimulatoren. Diese Methode ist zwar sehr effizient, um einen einzigen Zelltyp herzustellen, aber ihr fehlt die Fähigkeit, die Komplexität lebender Organismen zu reproduzieren, in denen mehrere Zelltypen koexistieren und zusammenarbeiten, um ein Organ zu bilden.

Alternativ dazu, inspiriert durch den natürlichen Prozess der Zellentwicklung, besteht eine andere Methode darin, Stammzellen in kleine Zellaggregate oder Sphären zu packen, die als Embryoidkörper bezeichnet werden. Ähnlich wie bei echten Embryonen ist die Zell-Zell-Interaktion in embryonalen Körpern der Hauptantrieb für die Differenzierung. Bei der Herstellung dieser Embryoidkörper wurde festgestellt, dass Parameter wie Zellzahl, Größe und Sphärizität des Embryoidkörpers die Art der Zellen, die produziert werden, beeinflussen.

Da die Wissenschaftler jedoch nicht in der Lage waren, diese Parameter zu kontrollieren, mussten sie mühsam eine große Anzahl von Embryoidkörpern herstellen und spezifische Körper mit geeigneten Merkmalen für die Untersuchung auswählen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wandten sich Forscher der Singapore University of Technology and Design (SUTD) der additiven Herstellung zu, um die Stammzelldifferenzierung in embryonalen Körpern zu kontrollieren. Ihre Forschungsstudie wurde in Bioprinting veröffentlicht.

Die Doktorandin Rupambika Das und der Assistenzprofessor Javier G. Fernandez, die einen multidisziplinären Ansatz verfolgen, indem sie die Forschungsbereiche 3D-Herstellung und Biowissenschaften kombinieren, druckten mehrere physikalische Geräte im Mikromaßstab mit fein abgestimmten Geometrien. Sie nutzten die Geräte, um eine beispiellose Präzision bei der gerichteten Differenzierung von Stammzellen durch die Bildung embryonaler Körper zu demonstrieren. In ihrer Studie regulierten sie erfolgreich die Parameter zur Steigerung der Produktion von Kardiomyozyten, Zellen, die sich im Herzen befinden.

"Das Gebiet der additiven Herstellung entwickelt sich in einem konkurrenzlosen Tempo. Wir erleben ein Niveau an Präzision, Geschwindigkeit und Kosten, das noch vor wenigen Jahren unvorstellbar war. Wir haben gezeigt, dass das 3D-Drucken jetzt den Punkt der geometrischen Genauigkeit erreicht hat, an dem es in der Lage ist, das Ergebnis der Stammzelldifferenzierung zu kontrollieren. Und damit treiben wir die regenerative Medizin voran, um mit der beschleunigten Geschwindigkeit der additiven Fertigungsindustrie weiter voranzuschreiten", sagte der leitende Forschungsassistent Professor Javier G. Fernandez von SUTD.

"Der Einsatz des 3D-Drucks in der Biologie hat sich stark auf das Drucken von künstlichen Geweben mit zellbeladenen Zellen konzentriert, um künstliche Organe 'Stück für Stück' zu bauen. Jetzt haben wir gezeigt, dass der 3D-Druck das Potenzial hat, in einem bio-inspirierten Ansatz eingesetzt zu werden, bei dem wir das Wachstum der Zellen im Labor so steuern können, wie sie in vivo wachsen", fügte die Erstautorin Rupambika Das, Doktorandin der SUTD, hinzu.

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