3D-gedrucktes Heart-on-a-Chip-Modell zur Erforschung kardiologischer Erkrankungen

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Gewebestücke herstellen und sie in Organe, wie zum Beispiel das menschliche Herz, verpflanzen. Ohne weitere Kontextinformationen erinnert dies stark an Mary Shelleys berühmten Roman „Frankenstein“. Doch objektiv betrachtet könnte die Forschung auf diese Weise unzähligen Patienten helfen, ihre Lebensqualität wiederzuerlangen, indem sie sich von schweren medizinischen Problemen und Krankheiten erholen.

Das Muskelgewebe des menschlichen Herzens besteht hauptsächlich aus Herzmuskelzellen, die bei einem Herzinfarkt irreversibel geschädigt werden. Ein ehrgeiziges Ziel der aktuellen biowissenschaftlichen Forschung ist es, aus patienteneigenen Stammzellen funktionsfähiges, makroskopisches Herzgewebe herzustellen. Nach einem Herzinfarkt könnten diese künstlichen Gewebezellen den erkrankten oder geschädigten Muskel ersetzen und den Menschen helfen, zu einem normalen Leben zurückzukehren.

Mit 3D-Druck zu Heart-on-a-Chip-Modellen

Wissenschaftler der Boston University haben kürzlich eine weiche und mechanisch aktive Zellkulturplattform entwickelt, um Herzmuskelgewebe in einer anpassbaren 3D-Mikroumgebung zu untersuchen. Mithilfe dieser multifunktionalen Plattform kann Herzgewebe in einer 3D-Mikroumgebung gezüchtet und die Selbstorganisation des Gewebes an den Zellanhaftungsstellen untersucht werden, die sich an den vertikalen Wänden des Chips befinden. Ein integrierter elektronischer Sensor misst die Kräfte, die durch die Kontraktionen der kultivierten Herzzellen entstehen. Darüber hinaus haben die Forscher einen mechanischen Aktuator in den Chip integriert, um das kultivierte Gewebe aktiv zu dehnen. Mit diesem Aktuator können die Wissenschaftler den Einfluss von konstanten und dynamischen mechanischen Belastungen auf das Herzgewebe messen.

Softlithografie trifft auf Zwei-Photonen-Polymerisation

Die Heart-on-a-Chip-Plattform besteht aus einer inneren, kreisförmigen Keimvertiefung, in die das Herzgewebe verpflanzt wurde. Die Zellbefestigungsstellen werden direkt auf die vertikalen Wände der Keimvertiefung gedruckt. Der mikrofluidische Aktuator ist das Schlüsselelement der Plattform und fungiert auch als Dehnungssensor. Sobald eine Flüssigkeit durch den Kanal fließt, dehnt sich die dünne Trennwand zwischen dem Kanal und der Keimvertiefung aus. Diese mechanische Belastung wirkt sich auch auf das kultivierte Gewebe aus, das an den Befestigungsstellen der Plattform wächst. Gleichzeitig kann die Ausdehnung der dünnen Trennwand mit einer elektronischen Anzeige aufgezeichnet werden.

Die Wissenschaftler stellten die Keimvertiefung und den umgebenden mikrofluidischen Kanal mithilfe der PDMS-Softlithografie her. In einem ersten Schritt ermöglichte ihnen die 2PP-Technologie von Nanoscribe dabei, den negativen Master zu realisieren. Der Ansatz des direkten Laserschreibens ist hierbei vorteilhaft, weil die Forscher auf diese Weise die dünne Membranwand, die den äußeren mikrofluidischen Kanal von der inneren Keimvertiefung trennt, mit einem hohem Aspekt-Verhältnis 3D-drucken konnten. Die Stärke der 2PP-Technologie im Zuge der Herstellung kommt außerdem zum Tragen, nachdem die Forscher die PDMS-Keimvertiefungen aus dem Negativmaster geformt haben. Denn sie druckten mit einem Nanoscribe-Drucker außerdem Mikrokäfige direkt auf die dünnen vertikalen Membranwände der Keimvertiefung. Diese Mikrostrukturen dienen als Verankerungspunkte für die Zellen und definieren die Geometrie des freistehenden Herzgewebes. In einem letzten Schritt wird die Heart-on-a-Chip-Plattform auf einem Glassubstrat mit integrierten Elektrodenkontakten für die elektronische Belastungsauslesung befestigt.

Fortschritte in der Forschung zum Cell Alignment durch synchrone Herzschläge

Im Rahmen des Projekts stellten die Forscher Plattformen mit unterschiedlich vielen Zellhaftungsstellen her und beobachteten dann, wie sich die Geometrie des freistehenden Herzgewebes in der Keimvertiefung je nach Position und Anzahl dieser Stellen veränderte. Nach vier bis fünf Tagen begann das Herzgewebe spontan zu schlagen. Dank des integrierten Dehnungssensors konnten sie außerdem die mechanischen Kräfte überwachen, welche die Zellen auf die Befestigungskäfige ausübten. In einem weiteren Versuch dehnten die Wissenschaftler das Herzgewebe mit dem mikrofluidischen Aktuator periodisch. Nach etwa drei Minuten synchronisierten sich die spontanen Kontraktionen der Herzzellen mit dem stimulierten Schlag. Mit diesen Ergebnissen kommen die Forscher ihrem Ziel einen Schritt näher, Gewebeteile auf ein schlagendes Herz zu transplantieren und sie mit dem Schlag des eigenen Herzens zu synchronisieren.

Neue Möglichkeiten für das Tissue Engineering und die regenerative Medizin

Dieses Ziel erfordert weitere Anschlussstudien. Festgehalten werden kann jedoch, dass den Forschern dank der Zwei-Photonen-Polymerisationstechnologie von Nanoscribe die Herstellung einer Plattform gelang, mit der detaillierte Studien und neue Erkenntnisse über das Herzgewebe möglich werden.