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08. Oktober 2019

Biopolymere für 3D-Druck von Netzhaut-Zellgerüsten

Primäre postnatale Netzhautzellen von Ratten, die mit Nanoscribes additiver Herstellungstechnologie hergestellt wurden. Bild: University of Iowa
Immunfluoreszente Aufnahme von primären postnatalen Netzhautzellen von Ratten auf 50/50 Gelatine/HA Mikro-Zellgerüst. Bild: University of Iowa

Forscher entwickelten biokompatible 3D-Zellgerüste um damit Gewebe modellieren und zukünftig regenerieren oder Medikamente auf zellulärer Ebene prüfen zu können. Dazu nutzten die Forscher die additive Fertigungstechnologie von Nanoscribe, um biopolymere Strukturen für Netzhautzellen herzustellen, mit ähnlichen Eigenschaften wie menschliches Netzhautgewebe.

Der Verlust der Sehkraft durch degenerative Netzhauterkrankungen ist weltweit ein großes Problem. Um die irreversiblen Zellschäden durch Krankheiten wie Retinitis pigmentosa und altersbedingte Makuladegeneration zu heilen, werden Ansätze wie Gentherapie, Optogenetik und Zelltransplantation untersucht. Im Rahmen dieser Mission haben Forscher der University of Iowa für geeignete Biomaterialien für das Tissue Engineering von Netzhautzellen entwickelt. Diese Materialien müssen den biochemischen und biomechanischen Eigenschaften des menschlichen Netzhautgewebes entsprechen, um die für die Krankheitsbehandlung im Körper gewünschte Zellreaktion zu unterstützen.

Die Wissenschaftler untersuchten vier verschiedene Biopolymermischungen für den 3D-Druck extrazellulärer Matrizen (ECM). Diese Mikrogerüste wurden entwickelt, um die natürliche Umgebung der Photorezeptorzellen nachzuahmen und mit einem Photonic Professional System von Nanoscribe mittels Zwei-Photonen-Polymerisation hergestellt. Die Untersuchung der Biokompatibilität von humaninduzierten pluripotenten Stammzellen und postnatalen Netzhautzellen von Ratten bestätigte die Zell-Lebensfähigkeit auf den 3D-gedruckten Mikrogerüsten über mehrere Tage.

Natürlich vorkommender Polymere in 3D drucken

Bei den Materialien, die in der im Journal of Ocular Pharmacology and Therapeutics veröffentlichten Studie beschrieben werden, handelt es sich um vier ECM-Biopolymerformulierungen: Kollagen, Gelatine, Hyaluronsäure (HA) und eine 50/50-Mischung aus Gelatine und HA. Mit methacrylatmodifizierten Versionen der Biomoleküle und deren Mischung mit dem wasserlöslichen Photoinitiator Methylenblau bereiteten die Autoren die Materialien für die Zwei-Photonen-Polymerisation vor.

Die Flexibilität dieser additiven Fertigungstechnik ermöglichte es ihnen, die richtigen Druckparameter für die Biopolymere einzustellen, die sich von denen der gängigen Fotolacke unterscheiden. Um die natürliche Umgebung der Netzhautzellen zu simulieren, wurden Gerüste mit dicht gepackten vertikalen und horizontalen Querporen präzise bedruckt. Die als CAD-Modell konzipierte Geometrie zielt darauf ab, die Photorezeptorzellen in 3D auszurichten und Interaktion und Kommunikation zwischen den Zellen und freie Diffusion von Nährstoffen zu ermöglichen. Die Materialsteifigkeit dieser Biopolymere ist vergleichbar mit der von Netzhautgewebe (10 kPa).

Zell-Lebensfähigkeit auf dreidimensionalen Mikrogerüsten

Um die Zell-Lebensfähigkeit von Netzhautzellen zu bewerten, wurden sowohl humaninduzierte pluripotente Stammzellen als auch postnatale Netzhautzellen von Ratten bis zu einer Woche lang auf den 3D-gedruckten Mikro-Gerüsten kultiviert. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Zelltypen am besten auf HA/Gelatine-Gerüsten kultivierbar waren. Die hergestellten Mikro-Gerüste erreichten mit 87% eine Zell-Lebensfähigkeit, die den Kontrollproben ähnlich ist. Darüber hinaus zogen Gelatine-/HA-Gerüste mehr Zellen an, als Gelatine-Gerüste, und die Zellen zeigten mehr Tuj-1 (ein neuronaler Marker) und hatten eine charakteristische neuronale Morphologie. Die Forscher beobachteten auch, dass sich postnatale Netzhautzellen auf den Gerüsten, um die Gerüsten herum und in den Poren der Gerüststrukturen vermehrten, was ein positives Zeichen für die Materialbiokompatibilität war.

Diese Ergebnisse ebnen den Weg für die Entwicklung präziser, in vitro entwickelter Retinalmodelle. Diese Forschung ist Voraussetzung für zukünftige Studien, um zuverlässige und gewebeähnliche In-vitro-Umgebungen im Mikromaßstab aus geeigneten Biopolymeren herzustellen. Solche 3D-Druck-Materialien könnten es ermöglichen, Modelle zur Untersuchung von Netzhauterkrankungen, Gerüste für Arzneimitteltests und nicht zuletzt notwendige Strukturen für die Transplantationen von Netzhautregenerationszellen herzustellen.

Ausblick

Speziell für die Zwei-Photonen-Polymerisation entwickelte Druckmaterialien sind entscheidend für 3D-Drucke in höchster Qualität. Nanoscribe arbeitet kontinuierlich an der Entwicklung neuer Materialien für spezifische Anwendungen und mit definierten Eigenschaften. Derzeit arbeiten wir an neuen, biokompatiblen Fotolacken.

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