Wissenschaftler aus Oregon arbeiten mit 3D-Druckern an einer gesünderen Zukunft für uns alle

Die Zellen von Haylie Helms kleben wie tausende unsichtbare Seepocken an der Seite einer durchsichtigen Plastikflasche.

„Wenn man sie in eine dieser Flaschen steckt und ihnen die richtigen [Nährstoffe] gibt, wachsen die Zellen weiter und breiten sich auf dem Plastik aus“, erklärt sie, während sie beginnt, mit der Seite ihrer Handfläche auf die Flasche zu klopfen.

Die flache rosa Flüssigkeit in der Flasche kräuselt sich unter dem Aufprall. Wenn sich die Zellen von der Seite entfernen, wird die Flüssigkeit leicht trüb. Helms überführt die Lösung in ein Reagenzglas und schleudert sie in einer Zentrifuge herunter.

Das Pellet am Boden dieses Röhrchens enthält etwa 1 Million Prostatakrebszellen.

Brandon Swanson / OPB

Wenn es herauskommt, ist die Flüssigkeit wieder klar und am Boden des Röhrchens ist ein schwacher weißlicher Fleck zu sehen.

„Es ist also nicht so einfach zu erkennen, aber … da unten ist ein kleiner Klumpen“, sagt sie. „In diesem kleinen Pellet sind etwa eine Million Zellen.“

Zellen sind die winzigen Bausteine ​​des Lebens, und diese Zellen sind der Schlüssel zu der bahnbrechenden Arbeit des Forschers der Oregon Health and Science University in einem medizinischen Wissenschaftsgebiet namens Biofabrikation – im Wesentlichen Bauen mit Biologie. Eines der langfristigen Ziele der Biofabrikation ist die Schaffung transplantierbarer menschlicher Organe.

Im Laufe vieler Monate hat Helms eine Möglichkeit entwickelt, einzelne Zellen in 3D zu drucken. Es ist eine Technik, die das Feld diesem Ziel näher bringen könnte.

OHSU-Forscherin Haylie Helms bereitet Prostatakrebszellen für den Druck vor.

Brandon Swanson / OPB

„Ein bisschen wie ein Tintenstrahldrucker funktioniert – man hat alle seine verschiedenen Farben. Ich kann einfach unterschiedliche Zelltypen in jeden der Kanäle einsetzen“, sagt sie.

Der Drucker, den sie für ihre Arbeit verwendet, ist kommerziell hergestellt, aber was sie damit macht – eine winzige Zelle nach der anderen zu drucken, um zu verstehen, wie sie miteinander interagieren – ist sehr neu.

„Ich drucke alle Arten von Zellen. Und das Ziel besteht darin, alle Zellen, aus denen ein Gewebe besteht, im richtigen Muster zusammenzufügen“, sagt sie.

Die Technik ist so neu, dass Vertreter des Druckerherstellers erstaunt waren, als sie das Labor in Portland besuchten, in dem Helms arbeitet.

„Selbst als ich der Firma sagte, dass ich das tue, sagten sie mir, dass das nicht möglich sei. Und ich sagte: ‚Bitte passen Sie auf‘“, sagte sie.

Anstatt mit Tinte zu drucken, haben OHSU-Wissenschaftler herausgefunden, wie man einzelne Zellen druckt. In dieser Patrone, die in den Drucker geladen wird, befinden sich etwa eine Million Prostatakrebszellen.

Brandon Swanson / OPB

In ihrer Druckerpatrone befinden sich an diesem Tag Prostatakrebszellen.

Helms schnappt sich einen Videospiel-Controller und bewegt damit den Druckerkopf.

„Bewegen Sie sich nach oben und unten, nach links, nach rechts und sagen Sie dann den Zellen, wann sie kommen sollen“, sagt sie, ohne den Blick von einem Computerbildschirm abzuwenden, der ein stark vergrößertes Bild der Druckoberfläche zeigt. „Denn wenn das, was Sie drucken, nur Bruchteile eines Millimeters beträgt, ist es später schwer, es wiederzufinden.“

Sie drückt einen Knopf und plötzlich erscheint ein weißer Punkt vor dem grauen Hintergrund ihres Bildschirms.

Haylie Helms, Forscherin an der Oregon Health & Science University, nutzt einen Videospiel-Controller, um einen 3D-Druckerkopf zu steuern und einzelne Zellen in diesem Bild aus „All Science. No Fiction“ präzise zu drucken. Videomaterial im Oktober 2023.

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„Dieser kleine Punkt ist eine einzelne Zelle“, sagt sie.

Sie bewegt sich ein paar Mikrometer nach links und legt eine weitere ab – jetzt sind zwei Prostatakrebszellen mit unglaublicher Präzision platziert.

„Jeder neckt mich damit, dass ich eigentlich nicht arbeite. Ich sitze einfach hier und spiele den ganzen Tag Videospiele“, sagt sie.

Aber hier steht viel mehr auf dem Spiel als bei einem durchschnittlichen Videospiel.

„Es sind nicht nur die genetischen Mutationen innerhalb des Krebses, die zu seiner Entstehung geführt haben. Es liegt auch an der Anordnung der Zellen. Wenn ein Zelltyp neben einem anderen Zelltyp liegt, kann das tatsächlich ein Hinweis darauf sein, ob bei Ihnen ein solcher entsteht.“ bessere oder schlechtere Prognose“, sagt Helms.

Helms nutzt ihre Drucktechnik, um herauszufinden, wie sich verschiedene Zellkonfigurationen verhalten.

„Ich nehme eine Krebszelle und lege gesunde Zellen darum herum und ich werde sehen: Wie kommunizieren diese Zellen?“ Sie erklärt. „Wächst der Krebs weiter? Wirken die gesunden Zellen krebsartiger? Und wir ändern ständig die Muster und die Zelltypen, um herauszufinden: Wie kommunizieren diese Zellen miteinander?“

Und letztendlich kann es Aufschluss darüber geben, warum der Krebs einer Person aggressiver ist als der einer anderen – und diese Informationen sind sehr wertvoll. Denn sobald sie die Wechselwirkungen zwischen den Zellen verstehen, verfügen Forscher über die Informationen, die sie für die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden benötigen.

„[Krebs-]Medikamente zielen auf die spezifischen Wechselwirkungen und die Mechanismen ab, wie die Zellen funktionieren“, sagt Helms. „Wenn man diesen Mechanismus nicht kennt, kann man kein Medikament dafür entwickeln.“

OHSU-Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, einzelne Zellen in 3D zu drucken, die so klein sind, dass sie für das bloße Auge unsichtbar sind.

Brandon Swanson / OPB

Während Helms‘ Forschungsschwerpunkt derzeit auf Krebs liegt, ist OHSU-Associate-Professor Luiz Bertassoni gespannt darauf, was dank der neuen Methode des Zell-für-Zelle-Druckens bald möglich sein könnte.

„Wissen Sie, wir legen großen Wert auf Präzision“, sagt er.

Bertassoni leitet das Labor, in dem Helms arbeitet.

„Jede einzelne Zelle in Ihrem Körper existiert aus einem bestimmten Grund – im wahrsten Sinne des Wortes“, sagt er. „Wir sind besonders daran interessiert, das Maß an Präzision zu reproduzieren, das uns die Natur bietet, weil wir glauben, dass dies der Schlüssel zur tatsächlichen Wiederherstellung der Funktion des Körpers ist.“

Einfach ausgedrückt besteht Bertassonis Ziel darin, komplexe menschliche Organe, die im Menschen funktionieren, in 3D zu drucken.

Nach Angaben der Health Resources and Services Administration warten in den Vereinigten Staaten mehr als 100.000 Menschen auf eine Organtransplantation. Jeden Tag sterben siebzehn Menschen, die auf eine Transplantation warten.

Das Drucken transplantierbarer Organe ist eine Herausforderung, der sich viele Labore auf der ganzen Welt stellen. Es gab enorme Fortschritte beim Aufbau von Geweben und vereinfachten Versionen von Organen, aber Bertassoni sagt, dass niemand sie so voll funktionsfähig gemacht hat wie die in lebenden Organismen.

Er glaubt, dass die Möglichkeit, ein Organ präzise nachzubilden – Zelle für Zelle – der Weg ist, diese Hürde zu überwinden.

Die 3D-Drucktechnik von Helms könnte die Möglichkeit bieten, dies zu erreichen.

„Mit den anderen Methoden der Gewebezüchtung, die es gibt, können wir die Strukturen erzeugen. Wir können die Proteine ​​und das Gerüst, das die Form ergibt, ablegen“, sagt sie. „Aber jetzt können wir damit auch die Zellen in der Anordnung hinzufügen, die sie benötigen.“

Forscher an der OHSU glauben, dass die Fähigkeit, ein Organ präzise zu reproduzieren – Zelle für Zelle für Zelle – der Schlüssel zur Schaffung transplantierbarer Organe ist, die tatsächlich funktionieren.

Brandon Swanson, Jes Burns / OPB

Es muss jedoch noch viel passieren, bevor transplantierbare, im Labor gezüchtete/hergestellte Organe hergestellt werden können.

„Es ist eine potenziell vielversprechende Lösung. … Im Prinzip ist das möglich“, sagt der Ingenieur Yong Lin Kong von der University of Utah, der sich auf biomedizinischen 3D-Druck spezialisiert hat, aber nicht mit der OHSU-Arbeit verbunden ist. Er hat die Entwicklungen auf diesem Gebiet genau verfolgt.

„Natürlich wird es auch immer … unerwartete Herausforderungen geben“, sagt er. „Weil wir von der Biologie noch viel darüber lernen müssen, wie Zellen und Gewebe zusammenkommen. Und diese fehlenden Informationen könnten die nächste Hürde sein, wenn sie diese Systeme erst einmal aufgebaut haben.“

Aber schon davor, sagt Bertassoni, seien die Herausforderungen beim Bau von etwas so Großem wie einem menschlichen Organ beträchtlich. Und es ist eine große Herausforderung, die erforderliche Präzision bei der Zellkonstruktion in einem Maßstab zu erreichen, der für den menschlichen Körper von Bedeutung ist.

„Man kann drei Zellen dicht nebeneinander platzieren – ja, das ist cool. Das ist wichtig. Aber kann man drei oder vier Zellen vier Millionen Mal platzieren? Das ist wirklich das, was nötig wäre, um eine ganze Leber aufzubauen.“ " er sagt.

Und in diese Richtung geht das OHSU-Labor.

„Das ist erst der Anfang. Wir verfeinern unsere Prozesse. Wir skalieren sie. Wir machen das Ganze schneller und reproduzierbar“, sagt Helms.

Bertassoni ist sich bewusst, dass der Weg zur Präzisionsdrucktechnologie noch lang sein wird. Aber die Auswirkungen dieses Ansatzes auf die personalisierte Gesundheitsversorgung sind geradezu erstaunlich.

„Wenn Sie in ein Krankenhaus gehen und sagen: ‚Ich habe Leberversagen, ich brauche eine neue Leber‘“, sagt Bertassoni und stellt sich ein Szenario in nicht allzu ferner Zukunft vor.

„[Und Sie sagen:] ‚Moment mal, ich drucke Ihnen eine Leber aus.‘ Und Sie bringen eine Leber mit, die speziell für diesen Patienten ist. Dann verändern Sie die Medizin für immer.“

Diese Geschichte wurde im Rahmen der OPB-Wissenschaftsreihe „All Science. No Fiction“ produziert. das sich auf lösungsbasierte Forschung im pazifischen Nordwesten konzentriert.

Möchten Sie mehr über die unglaubliche Biofabrikationsforschung an der OSHU erfahren? Genießen Sie Ihre Wissenschaft in Videoform? Schauen Sie sich die neuesten Folgen von „All Science. No Fiction“ an.

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Stichworte:Wissenschaft & Umwelt, Alles Science No Fiction