Anwendungen, Werkzeuge und Tipps für erfolgreiches Bioprinting

Was ist Bioprinting und in welchen Bereichen kann es eingesetzt werden?

Bioprinting hat seine Wurzeln im 3D-Druck, einer Technologie, welche die Herstellung dreidimensionaler Druckmaterialien ermöglicht. Durch die Verteilung von Zellen und anderen Substanzen (z. B. extrazelluläre Matrix) auf eine Weise, dass sie natürliche Gewebe oder Organe nachbilden, können Forscher mit Bioprinting komplexe biologische Systeme ohne aufwändige manuelle Arbeitsabläufe modellieren.

Bislang konzentrieren sich Bioprinting-Anwendungen vorwiegend auf die Forschung an Organoiden und die regenerative Medizin. Durch die Verwendung eines Bioprinters für die Herstellung von Organoiden können Forscher die unvermeidbare Variabilität von einem Benutzer zum nächsten ausschließen, die mit der manuellen Herstellung von Hydrogel-Kuppelkonstruktionen einhergeht. Des Weiteren ermöglicht das Bioprinting von Geweben wie Haut, Blutgefäßen, Muskeln und Knochen eine präzisere In-vitro-Nachbildung dieser Systeme, um zu untersuchen, wie sie möglicherweise für regenerative Zwecke verwendet werden können.

Welche Werkzeuge sind für die Verwendung von Bioprinting verfügbar?

Bioprinter lassen sich in vier Hauptkategorien unterscheiden. Die erste Kategorie basiert auf dem Tintenstrahl-Prinzip und verwendet Hitze oder Vibration, um Tropfen der „Biotinte“ auf die Oberfläche des Kulturgefäßes zu spritzen. Zwar sind diese auf dem Tintenstrahl-Prinzip basierten Systeme relativ kostengünstig, aber leider häufig mit vielen der hochviskosen Flüssigmedien, die für die Herstellung von Organoiden und Geweben verwendet werden, nicht kompatibel. Beim Laser-Prinzip basierten Bioprinting hingegen werden Zellen und andere körperfremde Substanzen in Schichten aufgetragen. Sie bieten eine hohe Präzision und sind für das Bioprinting von Substanzen mit höherer Viskosität geeignet, sind jedoch mit einem erhöhten Risiko einer Zellschädigung durch die verwendete Hitze verbunden.

Extrusions-basierte Bioprinter verwenden Druck, um die Probe durch eine Düse zu pressen und eine vordefinierte Form zu erzeugen. Da sich der Druck einfach an die unterschiedliche Viskosität der Probenarten anpassen lässt, bevorzugen Forscher häufig das extrusions-basierte Bioprinting aufgrund seiner Flexibilität. Piezoelektrische Bioprinter bieten die höchste Präzision. Sie haben jedoch ihren Preis, und das Verfahren muss sorgfältig optimiert werden, um eine Zellschädigung zu vermeiden.

Zusätzlich zur Ausrüstung sind zahlreiche Reagenzien für Bioprinting-Anwendungen verfügbar, von denen viele ursprünglich für die manuelle Herstellung von 3D-Zellkulturen entwickelt wurden. Eines der bekanntesten Beispiele ist Corning™ Matrigel™ Matrix, ein solubilisiertes Basalmembran-Präparat, das umfassend für die Forschung an Organoiden verwendet wurde. In jüngster Zeit kamen verschiedene Opfertinten auf den Markt. Sie eignen sich für den Aufbau von vaskularisiertem Gewebe, Kanälen in mikrofluidischen Systemen und werden als Stützstrukturen für den Aufbau komplexerer Gewebekonstruktionen sowie für die Durchführung von Validierungsexperimenten vor dem Bioprinting lebender Zellen eingesetzt.

Ist es schwierig, sich in das Thema Bioprinting einzuarbeiten?

Auch wenn Vorkenntnisse der grundlegenden Techniken für Forscher, die sich erstmals mit Bioprinting beschäftigen, sicherlich nützlich sind, wurden bei den aktuell verfügbaren Systemen viele der damit verbundenen verkomplizierenden Faktoren eliminiert. Eine dieser Plattformen ist der Corning Matribot™ Bioprinter, ein extrusions-basiertes System, das für die Verwendung mit temperaturempfindlichen Hydrogelen wie Matrigel Matrix entwickelt wurde. Die größte Schwierigkeit bei der Handhabung von Matrigel Matrix ist, dass sie bei Umgebungstemperatur aushärtet. Folglich müssen sowohl die Matrigel Matrix als auch alle für das Probenhandling verwendeten Pipettenspitzen kontinuierlich gekühlt werden, um eine vorzeitige Polymerisation zu vermeiden. Beim Matribot Bioprinter ist dieses Problem durch einen gekühlten Spritzen-Druckkopf und ein beheiztes Druckbett gelöst, wodurch sichergestellt wird, dass die Matrigel Matrix erst aushärtet, wenn sie in das Kulturgefäß eingebracht wurde.

Welche Faktoren sind beim Bioprinting zu berücksichtigen?

Wie alle Forschungstechniken sind auch beim Bioprinting Optimierungsmaßnahmen erforderlich. Einer der wichtigsten Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt, ist die Art des zu untersuchenden Systems, das je nach betroffenem Zelltyp unterschiedlich sein kann. So benötigen beispielsweise Endothelzellen eine andere extrazelluläre Matrix (ECM) als Muskelzellen, wohingegen andere Zelltypen wie Keratinozyten und Hornhautzellen häufig ein stützendes Gerüst aus Fibroblasten bzw. Stromazellen benötigen. Auch der experimentelle Durchsatz sollte berücksichtigt werden. So ist eine Petrischale möglicherweise für die Untersuchung von Gehirn-Organoiden zur Entschlüsselung von Signalwegen während der Entwicklung am besten geeignet, um daraus weitere Untersuchungen abzuleiten, während für Anwendungen mit hohem Durchsatz, wie Wirkstoff-Screenings, die Verwendung von Platten mit 96 oder 384 Well die bessere Lösung ist.

Je nach Zweck der Untersuchung ist es entscheidend, von Beginn an eine hohe Zelllebensfähigkeit zu garantieren. Dazu muss die logarithmische Wachstumsphase bei kultivierten Zellen aufrechterhalten und das Gewebematerial bis zur Ernte sachgemäß aufbewahrt werden, um einen ungewollten Zelltod zu verhindern.