Rheolution-Artikel
Was ist 4D-Bioprinting und warum ist es wichtig?
von Dr. Antoine Frayssinet,
Senior Application Specialist bei Rheolution Inc.
Wodurch unterscheidet sich das 4D-Bioprinten vom 3D-Druck?
3D-gedruckte, mit Zellen besiedelte Objekte, die zur Implantation in den menschlichen Körper bestimmt sind, sollen punktuell eine bestimmte Degeneration oder Erkrankung lindern. Diese Implantate sind jedoch statisch und leblos – im Gegensatz zur dynamischen Umgebung des körpereigenen Gewebes, in der das Gewebe im Laufe der Zeit schwankenden biophysikalischen, biochemischen und mechanischen Reizen ausgesetzt ist. Mit dem 4D-Bioprinting hat die wissenschaftliche Gemeinschaft kürzlich die „Zeit“ als vierte Dimension integriert: Gerüste und Hydrogele sind in der Lage, sich nach dem Druck im Laufe der Zeit weiterzuentwickeln, sei es auf biologischem Wege oder durch die Einwirkung eines externen Reizes.
Wie lösen Reize Formveränderungen in 4D-Biomaterialien aus?
Erstens kann eine Formänderung nach dem Druckvorgang hervorgerufen werden, indem das Hydrogel physikalischen Reizen ausgesetzt wird, z. B. einem Magnetfeld, einer Temperaturänderung (z. B. bei Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm) oder Poly(ε-Caprolacton) (PCL)), Lichtbestrahlung oder Feuchtigkeit (z. B. bei zweischichtigem Polyethylenglykol (PEG)). Der letzte „Artikel des Monats“ zum Thema 4D-Bioprinting stellte ein anschauliches Beispiel für ein Hydrogel auf Alginatbasis vor, das lichtempfindlich ist und sich je nach der nach dem Druck induzierten Lichteinwirkung zu komplexen Formen falten kann. Die Komplexität der entworfenen Formen kann durchaus beeindruckend sein: So verwendete beispielsweise das Team von Dr. Lewis mit Acrylamid vermischte Zellulosefibrillen, um das Design einer Orchideenblüte mit biokompatibler Verbundtinte nachzubilden (Abbildung unten) [3]. Diese extrudierten Volumengele können somit nach dem Druck ihre Form verändern. Der nach dem Druck gewünschte Effekt kann jedoch unterschiedlich ausfallen.
Inwiefern kann das 4D-Bioprinten eine kontrollierte Wirkstoffabgabe ermöglichen?
Die Form kann während des Druckvorgangs mithilfe eines mehrstufigen Ansatzes gestaltet werden, z. B. durch Tintenstrahl-Bioprinting, und die Freisetzung der eingekapselten Wirkstoffe kann anschließend ausgelöst werden. So wurden beispielsweise Liposomen – doppelschichtige Lipidmikrokugeln, die synthetisch die Zellmembranen nachbilden – mit zwei unterschiedlichen Salzkonzentrationen gedruckt. Durch Ausnutzung dieses induzierten Osmolaritätsgradienten gelang es den Autoren, 3D-Makrokugeln zu formen, die bei einer Änderung der Temperatur oder des pH-Werts die in jeder gedruckten Mikrokugel enthaltenen Bestandteile freisetzen konnten [4].
Was sind Mikroschwimmer und wie funktionieren sie?
Eine weitere Forschungsgruppe der ETH Zürich entwickelte Nano-Hydrogele aus nicht-zytotoxischer, photohärtbarer, methacrylierter Gelatine (GelMA). Diese speziell für die gezielte Wirkstoffabgabe entwickelten Nano-Hydrogele, auch „Mikroschwimmer“ genannt, wurden durch die Beschichtung ihrer Oberfläche mit magnetischen Nanopartikeln magnetisch reagierend gemacht [5]. Diese Mikroschwimmer, die in Helixform gedruckt wurden, um ihre Schwimmleistung in Körperflüssigkeiten zu optimieren, sind stabile Wirkstoffträger, die mithilfe magnetischer Felder zu den Zielgeweben gelenkt werden können. Sobald sie ihre Position erreicht haben, können sie den mitgeladenen Wirkstoff freisetzen und werden anschließend rasch (5–15 Min.) durch Kollagenase (ein Enzym, das Kollagen und Gelatine abbaut) abgebaut, wobei nicht-zytotoxische Abbauprodukte entstehen. In diesem Fall drückt sich die vierte Dimension in dem enzymatischen Abbau des Gels über einen kurzen Zeitraum aus.
Inwiefern beeinflussen biologische Auslöser 4D-Biomaterialien?
Tatsächlich können biologische Signale wie die Glukosekonzentration oder bestimmte Enzyme einen Einfluss auf gedruckte Hydrogele haben. Eine gemeinsame Studie der University of North Carolina (USA) und der Soochow University (China) berichtete 2018 über ein auf Poly(vinylalkohol) (PVA) basierendes Biomaterial, das empfindlich auf reaktive Sauerstoffspezies (ROS) reagiert, die in der Tumormikroumgebung biologisch gebildet werden. Dank dieses gezielten biologischen Abbaus konnte das PVA-basierte Hydrogel die Antitumor-Reaktion in vivo verstärken und ein Wiederauftreten des Tumors verhindern, indem es das Antitumormittel lokal abgab, bevor es nach drei Wochen abgebaut wurde [6]. Nach demselben Prinzip könnten pH-empfindliche Biomaterialien wie Kollagen, Gelatine und Keratin in der Nähe von Entzündungsherden, an denen die pH-Werte sinken, von Nutzen sein.
Wie steuern Zellen die 4D-Reifung von Hydrogelen?
Die Funktionalität regenerativer Hydrogele lässt sich zudem schrittweise mit der Reifung des Gerüsts selbst weiterentwickeln, wobei die darauf angesiedelten Zellen als Reaktion auf ihre Umgebung wie eine Mikrofabrik wirken und ihre eigenen Matrizen sowie phänotypischen Profile erzeugen, die an das betreffende degenerierte Gewebe angepasst sind (siehe Abbildung oben). Die Art dieser Mikroproduktion lässt sich durch Wachstumsfaktoren, Differenzierungsfaktoren (im Falle von ausgesäten Stammzellen) oder beispielsweise durch die mechanischen Eigenschaften des Implantats steuern [7]. Die Berücksichtigung dieser zellulären Aktivität bei der Entwicklung eines Biomaterials für den klinischen Einsatz steht nicht im Widerspruch zur Stimulation des Biomaterials nach dem Druckvorgang selbst. In Anlehnung an eine Origami-Technik gelang es Kuribayashi-Shigetomi et al., die Zellzugkraft von Fibroblasten (spindelförmige normale Zellen) zu nutzen, um komplexe 3D-Mikrostrukturen wie einen Würfel, eine Kugel oder ein Hohlrohr zu erzeugen. In diesem Fall wurden Zellen auf teilweise mit Fibronektin beschichtete Glasmikroplatten ausgesät. Die vierte Dimension wurde durch die Fähigkeit dieser Zellen eingeführt, im Laufe der Zeit an ihrer Umgebung zu ziehen, was zur Gestaltung von 3D-Gerüsten genutzt wurde [8].
Anwendungen in der Praxis: Stents und intelligente Wundverbände
In den letzten Jahren wurden mittels 4D-Bioprinting hergestellte Biomaterialien zur Entwicklung von Stents untersucht – hohle Strukturen, die beispielsweise in eine Arterie oder Vene eingesetzt werden, um deren Struktur zu stärken. Der Arzt kann den zusammengerollten Stent problemlos in das menschliche Gewebe einführen und ihn anschließend durch einen spezifischen Reiz so ausdehnen, dass er das menschliche Gefäß effizient stützt. Erfolgreiche Konstruktionen wurden mit einem auf methacrylatisiertem PEG basierenden Biomaterial, Alginat oder Hyaluronsäure hergestellt [9][10]. Um diesen kurzen Überblick mit einer letzten Anwendung abzuschließen: Das Team von Dr. Akbari in Kanada entwickelte zudem einen intelligenten Wundverband: Der Verband erkennt bakterielle Infektionen durch Überwachung des pH-Werts (mit einer äußeren Anzeige spezifischer Farben, d. h. visuellen Markern, die vom gemessenen pH-Wert abhängen). Sobald die Infektion erkannt wird, setzt das gedruckte Hydrogel am Wundort Antibiotika frei, um der Infektion entgegenzuwirken [11].
Wie geht es mit dem 4D-Bioprinting in den Biowissenschaften weiter?
Mit seinen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten ist das 4D-Bioprinting eine äußerst vielversprechende Technologie für den biomedizinischen Bereich. Es bestehen jedoch nach wie vor Herausforderungen, wie beispielsweise die Kontrolle über die Zellausrichtung, um natives Gewebe noch genauer nachbilden zu können. Ein Beispiel für eine mikroanisotrope Zellausrichtung wurde in der Studie beschrieben, die in unserer Artikel des Monats veröffentlicht im März. Eine weitere große Herausforderung besteht darin, Bio-Tinten zu entwickeln, deren Eigenschaften – hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Zellpopulation und Phänotyp sowie der Beschaffenheit und Komplexität der extrazellulären Matrix – auf das betreffende degenerierte Gewebe abgestimmt sind. Insgesamt lässt sich sagen, dass unter Verwendung der verschiedenen 3D-Bioprinting-Verfahren, die in unserem letzten Rheolution-Artikel Im April schreitet das 4D-Bioprinting optimistisch von „Proof-of-Concept“-Studien hin zu klinischen Anwendungen voran.
ElastoSens™ Bio
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Literaturverzeichnis
[1] Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., Xu, F., (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications. Trends Biotechnology, Special Issue: Biofabrication, 34, 746–756.
[2] Yang, Q., Gao, B., Xu, F., (2020). Recent Advances in 4D Bioprinting. Biotechnology Journal, 15, 1900086.
[3] Sydney Gladman, A., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., Lewis, J.A., (2016). Biomimetic 4D printing. Nature Materials, 15, 413–418.
[4] Villar, G., Graham, A.D., Bayley, H., (2013). A Tissue-Like Printed Material. Science, 340, 48–52.
[5] Wang, X., Qin, X.-H., Hu, C., Terzopoulou, A., Chen, X.-Z., Huang, T.-Y., Maniura-Weber, K., Pané, S., Nelson, B.J., (2018). 3D Printed Enzymatically Biodegradable Soft Helical Microswimmers. Advanced Functional Materials, 28, 1804107.
[6] Wang, C., Wang, J., Zhang, X., Yu, S., Wen, D., Hu, Q., Ye, Y., Bomba, H., Hu, X., Liu, Z., Dotti, G., Gu, Z., (2018). In situ formed reactive oxygen species-responsive scaffold with gemcitabine and checkpoint inhibitor for combination therapy. Science Translational Medicine, 10(429), eaan3682.
[7] Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L., Discher, D.E., (2006). Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification. Cell, 126, 677–689.
[8] Kuribayashi-Shigetomi, K., Onoe, H., Takeuchi, S., (2012). Cell Origami: Self-Folding of Three-Dimensional Cell-Laden Microstructures Driven by Cell Traction Force. PLOS ONE, 7, e51085.
[9] Ge, Q., Sakhaei, A.H., Lee, H., Dunn, C.K., Fang, N.X., Dunn, M.L., (2016). Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers. Scientific Reports, 6, 31110.
[10] Kirillova, A., Maxson, R., Stoychev, G., Gomillion, C.T., Ionov, L., (2017). 4D Biofabrication Using Shape-Morphing Hydrogels. Advanced Materials, 29(46).
[11] Mirani, B., Pagan, E., Currie, B., Siddiqui, M.A., Hosseinzadeh, R., Mostafalu, P., Zhang, Y.S., Ghahary, A., Akbari, M., (2017). An Advanced Multifunctional Hydrogel-Based Dressing for Wound Monitoring and Drug Delivery. Advanced Healthcare Materials, 6(19).
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