Wissenschaftler erstellen 3D-gedrucktes lebendes Lungengewebe

Forscher an der UBC Okanagan haben ein 3D-Bioprint-Modell entwickelt, das die Komplexität natürlichen Lungengewebes genau nachahmt – eine Innovation, die die Art und Weise, wie Wissenschaftler Lungenerkrankungen erforschen und neue Behandlungsmethoden entwickeln, grundlegend verändern könnte.

Dr. Emmanuel Osei, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Naturwissenschaften der Irving K. Barber University, sagt, das Modell produziere Gewebe, das in seiner Komplexität der menschlichen Lunge sehr ähnlich sei, was die Erprobung von Atemwegserkrankungen und die Entwicklung von Medikamenten verbessern könne.

„Um unsere Forschung und die erforderlichen Tests durchführen zu können, bei denen wir die Mechanismen komplexer Lungenerkrankungen untersuchen, um letztlich neue Angriffspunkte für Medikamente zu finden, müssen wir in der Lage sein, Modelle zu erstellen, die mit menschlichem Gewebe vergleichbar sind“, sagt er.

Das Forscherteam verwendete eine Biotinte aus lichtempfindlicher, polymermodifizierter Gelatine und einem Polymer namens Polyethylenglykoldiacrylat, um im 3D-Druckverfahren ein Hydrogel mit mehreren Zelltypen und Kanälen zu drucken und so die Gefäßstruktur der menschlichen Atemwege nachzubilden.

Nach dem Drucken verhält sich das Hydrogel ähnlich wie die komplexe mechanische Struktur des Lungengewebes und verbessert so die Art und Weise, wie wir untersuchen, wie Zellen auf Reize reagieren.

„Unser Ziel war es, ein physiologisch relevanteres In-vitro-Modell der menschlichen Atemwege zu entwickeln“, sagt Dr. Osei, der auch am Heart and Lung Innovation Centre der UBC arbeitet. „Durch die Integration vaskulärer Komponenten können wir die Lungenumgebung besser modellieren, was für die Erforschung von Krankheiten und die Prüfung von Medikamenten von entscheidender Bedeutung ist.“

Dr. Osei erklärte, dass bei einer Person, bei der Lungenkrebs diagnostiziert wird, ein Chirurg – mit Zustimmung des Patienten – den betroffenen Bereich zusammen mit etwas normalem Lungengewebe entfernen und diese Proben den Forschern spenden kann.

„Ein Forscher hat jedoch keinen Einfluss darauf, wie viel Gewebe er erhält“, erklärt er. „Manchmal wird nur ein kleines Stück Gewebe ins Labor gebracht und dort mit verschiedenen Chemikalien behandelt. Dank 3D-Bioprinting können wir nun Zellen aus diesen Spendergeweben isolieren und möglicherweise zusätzliche Gewebe- und Testproben herstellen, um in unseren Laboren zu forschen, ohne auf neue Spenderproben angewiesen zu sein.“

Viele Lungenerkrankungen seien derzeit unheilbar, darunter die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Asthma, idiopathische Lungenfibrose und Krebs, sagte Dr. Osei. Die Möglichkeit, Testmodelle zu erstellen, sei ein bedeutender Fortschritt in der Erforschung von Atemwegserkrankungen und der Arzneimittelentwicklung.

Die in Zusammenarbeit mit Mitacs und mit Unterstützung von Providence Health Care im Fachjournal „Biotechnology and Bioengineering“ veröffentlichte und von Providence Health Care unterstützte Studie ist ein Schritt zum Verständnis von Aspekten von Lungenerkrankungen wie Vernarbung und Entzündung und könnte in Zukunft zu Heilmitteln für eine Vielzahl von Krankheiten führen.

In dem Artikel wurden Tests beschrieben, bei denen unter anderem ein biogedrucktes 3D-Modell einem Zigarettenrauchextrakt ausgesetzt wurde. Dadurch konnten die Forscher einen Anstieg entzündungsfördernder Zytokine beobachten, die die entzündliche Reaktion des Lungengewebes auf Nikotin markieren.

„Die Tatsache, dass wir dieses Modell erstellen und dann spezifische Auslöser wie Zigarettenrauch verwenden konnten, um zu zeigen, wie das Modell auf Aspekte von Lungenerkrankungen reagiert und diese nachahmt, ist ein bedeutender Schritt vorwärts im Verständnis der komplexen Mechanismen von Lungenerkrankungen und wird uns helfen zu verstehen, wie wir sie behandeln können“, sagt Dr. Osei.

„Unser Modell ist komplex, aber aufgrund der Reproduzierbarkeit und der optimalen Natur des Bioprintings kann es durch Hinzufügen zusätzlicher Zelltypen oder von bestimmten Patienten stammender Zellen angepasst werden, was es zu einem leistungsstarken Werkzeug für die personalisierte Medizin und Krankheitsmodellierung macht.“

Dr. Osei weist darauf hin, dass die Fortsetzung dieser Arbeit seinem Forschungsteam eine einzigartige Möglichkeit bietet, mit Kollegen aus Organisationen wie dem Immunobiology Eminence Research Excellence Cluster der UBC, Biotech-Unternehmen und allen, die an der Entwicklung bioartifizieller Modelle interessiert sind, zusammenzuarbeiten.