Gewebekultur im Labor: Cell-Fitness-Programme


In ihrer Doktorarbeit hat Dr. Amelie Erben die Grundlagen für zukünftige Gewebekulturen im Labor geschaffen. Proteingerüste aus 3D-Druckern bieten eine optimale Umgebung für die Zellentwicklung.

München, 16. Januar 2024 – „Zellen brauchen Unterstützung, um sich zu entwickeln“, erklärt Dr. Amelie Erben. „In lebenden Organismen werden sie durch Netzwerke von Proteinbindungen oder Proteinen unterstützt. Dies sind sozusagen Fitnessgeräte, mit denen Zellen ihre zukünftigen Funktionen beibehalten und trainieren können Ingenieur am Zentrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin (CANTER) der Hochschule für angewandte Wissenschaften München sagt: Die Technische Universität (TUM) hat erfolgreich 3D-Drucker eingesetzt, um hochauflösende extrazelluläre Matrizen für experimentelle Zellen herzustellen.

Forschungsteams auf der ganzen Welt arbeiten seit Jahrzehnten daran, die Art und Weise, wie Gewebe im Labor hergestellt werden, zu verbessern. Ziel ist es, aus einzelnen Zellen wie Haut, Neuronen, Herzmuskel und Alveolen spezifische funktionelle Gewebe zu züchten. Dieses Tissue Engineering hat eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Transplantationsmedizin und der Arzneimittelentwicklung.

verschweißte Proteinketten

„Die dritte Dimension ist im Tissue Engineering enorm wichtig“, betont Erben. „Jeder Zelltyp ist anders und erfordert für die Entwicklung ganz spezifische räumliche Proteinstrukturen. Im Labor müssen wir künstlich dreidimensionale Strukturen für Proteine ​​erzeugen, damit sie natürlichen Vorbildern nicht nahe kommen. Je näher, desto besser.“

Am Beispiel von Lungengewebe konnten die Forscher zeigen, dass Proteinumgebungen mit 3D-Druckern sehr präzise erzeugt werden können. „Die Kultivierung von Alveolen, also Alveolen, ist besonders schwierig, weil sie aus einer sehr dünnen extrazellulären Matrix bestehen, aus der Sauerstoff in den Blutkreislauf abgegeben wird“, erklärt Erben. „Daher muss die umgebende Proteinstruktur besonders präzise aufgebaut werden.“

Um nur wenige Mikrometer dicke 3D-Strukturen zu drucken, nutzten Maschinenbauingenieure die Zwei-Photonen-Stereolithographie an der Max-Planck-Biochemie. Dabei werden Proteine ​​Schicht für Schicht verschweißt und bilden an bestimmten Stellen Ketten. Die Steuerbefehle des Druckers basierten auf einer umfassenden Analyse von echtem Lungengewebe. „Wir wollten dem natürlichen Vorbild in Form, Stabilität und biochemischer Zusammensetzung möglichst nahe kommen“, erinnert sich der Ingenieur. Frühe Experimente zeigten, dass sich Zellen in dieser gedruckten Umgebung tatsächlich gut vermehrten und ähnliche Eigenschaften wie natürliches Lungengewebe aufwiesen.

Nächster Schritt: Behälter zur Bereitstellung von kultiviertem Gewebe

Im zweiten Teil der Studie druckte Erben dreidimensionale Proteinstrukturen mit bis zu 80 Mikrometer dünnen Kanälen. Damit soll künftig die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen simuliert werden. „Wir haben damit den Grundstein für eine systematische Untersuchung dreidimensionaler Zellinteraktionen im Hinblick auf strukturelle, mechanische und biomolekulare Stimulation gelegt“, fasst Erben zusammen. Forscher des Comprehensive Pneumonia Center am Helmholtz Zentrum München und des Instituts für Biomaterialien und Biomolekulare Systeme in Stuttgart untersuchten anhand von Proteingerüsten aus 3D-Druckern Zellreaktionen auf verschiedene Reize und wollen die Struktur des Werkstücks dem natürlichen Vorbild ähnlicher machen. .

Gerne vereinbaren wir ein Gespräch mit Dr. Amelie Erben.

Kontakt: Christiane Taddigs-Hirsch, T 089 1265-1911 oder per E-Mail.

Amelie Erben

Erben erwarb einen Bachelor-Abschluss in Ingenieurwissenschaften an der Technischen Universität München und später einen Master-Abschluss in Maschinenbau mit Schwerpunkt Medizintechnik. Während ihrer Semesterforschung untersuchte sie die Reparatur doppelsträngiger DNA-Brüche im Cees Dekker Lab an der Fakultät für Bionanowissenschaften der Technischen Universität Delft. Anschließend forschte er am Center for Applied Tissue Engineering and Regenerative Medicine (CANTER) der Hochschule München. Betreut wurde sie von Professor Dr. Vorträge von Professor Hauke ​​Clausen Schaumann und Professor Heinz Nixdorf, verantwortlich für biomedizinische Elektronik am TranslaTUM, Zentrum für Translationale Krebsforschung, Technische Universität München. Oliver Hayden. Unterstützt wurde sie durch den Einsatz der Zwei-Photonen-Stereolithographie im Labor des Max-Planck-Instituts für Biochemie.

Veröffentlichung

Amelie ErbenMarcel Herning, Bastian Hartmann, Tanya Becke, Stefan A. Eisler, Alexander Southern, Severine Krantz, Oliver Hayden, Nikolaus Kneidinger, Melanie Königshoff, Michael Lindner, Günther E.M. Tovar, Gerald Burgstaler, Hauke ​​Clausen-Schaumann, Stefanie Sudhop, Michael Heyman (2020), Hochpräzise 3D-gedruckte Zellgerüste, die die natürliche Gewebezusammensetzung und -mechanik nachahmenAdvanced Healthcare Meter, DOI: 10.1002/adhm.202000918

Jun Chan, Patrick Byers, Amelie ErbenChristine Frank, Levin Schulte-Schulte-Spechtel, Michael Heyman, Denica Docheva, Heinz P. Huber, Stefanie Sudhop, Hauke ​​​​Clausen-Schauman (2021), Einzelzell-Bioprinting mit ultrakurzen Laserpulsen, Erweiterte Funktionen. Meter, DOI: 10.1002/adfm.202100066

Amelie ErbenThomas Keller, Josefine Risner, Constanze Eulenkamp, ​​​​Thomas Hellerer, Hauke-Clausen-Schaumann, Stefanie Schudhop, Michael Heyman (2022), Technische Prinzipien und Algorithmendesignsynthese für ultrakleine Biohybrid-Perfusionschips, bioRxiv-Vorabdruck, DOI: 10.1101/2022.03.16.484492

Francisco Zurita*, Leroy Grob*, Amelie Erben*Fulvia Del Duca, Hauke ​​Clausen-Schaumann, Stefanie Sudhop, Oliver Hayden, Bernhard Wolfrum, Vollständig 3D-gedruckte Manschettenelektroden für Miniatur-Neuronalschnittstellen; Vollständig 3D-gedruckte Manschettenelektrode für kleine neuronale Schnittstelleneingereicht bei Advanced Materials Technologies im Jahr 2022 * Diese Autoren haben gleichermaßen zu diesem Artikel beigetragen

Magazin-Cover

Amelie ErbenMarcel Herning, Bastian Hartmann, Tanya Becke, Stefan A. Eisler, Alexander Southern, Severine Krantz, Oliver Hayden, Nikolaus Kneidinger, Melanie Königshoff, Michael Lindner, Günther E.M. Tovar, Gerald Burgstaler, Hauke ​​​​Clausen-Schaumann, Stefanie Sudhop, Michael Heyman (2020), Hochpräziser 3D-Biodruck: Hochpräzise 3D-gedruckte Zellgerüste, die die Zusammensetzung und Mechanik von natürlichem Gewebe nachahmenAdvanced Healthcare Meter, DOI: 10.1002/adhm.202070087

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