Gen-Schalter lässt 3D-gedrucktes Knochengewebe eigenständig neue Blutgefäße bilden – Hoffnung für die Behandlung von Knochendefekten durch Trauma oder Infektion
de.wedoany.com-Bericht: Einem interdisziplinären Team der Pennsylvania State University in den USA ist ein Durchbruch gelungen: Nach der Programmierung von Zellen nutzten sie eine Gen-Schalter-Technologie, um 3D-gedrucktem Knochengewebe die Fähigkeit zu verleihen, eigenständig neue Blutgefäße zu bilden. Dieses Ergebnis bringt neue Hoffnung für die Behandlung von Knochendefekten, die durch schwere Traumata oder Infektionen verursacht wurden. Die entsprechende Studie wurde in der neuen Ausgabe des Chemical Engineering Journal veröffentlicht.
Eine der größten Herausforderungen bei der Regeneration von Knochengewebe ist die Bildung eines Gefäßnetzwerks im Inneren des neu entstandenen Gewebes. Ohne Blutversorgung kann dickes Knochengewebe nicht überleben und normal wachsen. Herkömmliche Methoden sind bei der Förderung der Vaskularisierung nur begrenzt wirksam.
Das Forschungsteam verwendete eine fortschrittliche Technologie namens „Aspirationsgestützter Bioprinting“. Diese Technologie ermöglicht es, winzige lebende Zellcluster – sogenannte Sphäroide – präzise an vorgegebenen Positionen in einem Hydrogel-Gerüst zu platzieren. Diese präzise Steuerung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Zellen und gewährleistet so die Konsistenz der Geweberegeneration.
Um diesen Sphäroiden unterschiedliche Funktionen zu verleihen, bezog das Forschungsteam undifferenzierte Stammzellen aus kommerziellen Quellen und führte zwei spezifische Gen-Regulationsmoleküle ein: miR-148b und miR-210. Diese beiden Moleküle wirken wie Gen-Schalter: Ersteres lenkt die Zellen in Richtung osteogener Differenzierung, während Letzteres für die Aktivierung des Angiogenese-Programms verantwortlich ist.
Nach mehrtägiger Kultivierung wurden diese programmierten Zellen zu Sphäroiden zusammengesetzt und anschließend per 3D-Druck in das Gel-Gerüst eingebettet. In den folgenden 28 Tagen reiften und differenzierten sich die Zellen im Gerüst allmählich und bildeten schließlich eine Gewebestruktur mit sowohl knöcherner als auch vaskulärer Doppelfunktion.
Tierversuche bestätigten die Wirksamkeit dieser Methode. Im Knochendefektmodell immundefizienter Mäuse erholte sich das Knochengewebe ohne jegliche Behandlung nach sechs Wochen nur auf etwa 35 % der Fläche; nach Implantation eines leeren Gerüsts ohne spezielle Sphäroide stieg die Erholungsfläche auf 93 %. Bei Verwendung gemischter Sphäroide mit beiden Gen-Schaltern war der Effekt noch deutlicher: Nicht nur die Knochengewebsabdeckung war größer, auch die Expression des Gefäßendothel-Markers CD31 war signifikant erhöht, was auf eine aktivere Bildung neuer Blutgefäße hindeutet.
Das Forschungsteam geht davon aus, dass zwischen den Sphäroiden mit unterschiedlichen Funktionen eine synergistische Wirkung bestehen könnte, die gemeinsam das Gesamtwachstum von Knochen und Blutgefäßen fördert. Als nächsten Schritt plant das Team, diesen Synergiemechanismus in größeren Tiermodellen weiter zu untersuchen und zu bewerten, ob die Angiogenese negative Auswirkungen auf das Knochengewebewachstum haben könnte.
Diese Technologie richtet sich derzeit hauptsächlich an Patienten mit großflächigen Knochendefekten infolge von Krebs, Infektionen oder schweren äußeren Verletzungen und ist nicht für die Behandlung gewöhnlicher Frakturen geeignet. Da die verwendeten Materialien bereits kommerziell hergestellt werden, besitzt diese Technologie eine gute Übertragbarkeit und könnte in Zukunft den Weg in die klinische Anwendung beschleunigen.
In der regenerativen Medizin gibt es eine schwer zu überwindende Hürde: dem in den Körper implantierten neuen Gewebe ein eigenes Blutgefäßnetz zu geben. Bisherige Implantatmaterialien waren oft „passiv“ und mussten darauf warten, dass umliegende Blutgefäße langsam einwachsen, was leicht zu Nekrose durch Ischämie führen konnte. Heute geben Wissenschaftler den Zellen quasi vorab Wachstumsanweisungen und verwandeln ursprünglich „totes“ Material in „lebendes“ Gewebe, das sich selbst vervollkommnet. Tatsächlich könnte die Anwendung dieses Ansatzes weit über die Orthopädie hinausgehen. In Zukunft könnten Muskeln, Weichteile und sogar der Aufbau komplexerer Organe davon profitieren. Zudem sind alle verwendeten Rohstoffe bereits kommerzialisiert, ohne komplexe Hürden – das bedeutet, dass die Schwelle für den Weg vom Labor zum Operationstisch erheblich gesenkt wurde, was den Patienten schneller zugutekommen könnte.
