Tissue-Engineering im Femtosekunden-Takt

Forschern der Hochschule München ist es erstmals gelungen, lebende menschliche Zellen ohne Verunreinigung oder genetische Schäden in 3D auf ein Glasplättchen zu drucken.

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Die Wirklichkeit ist zu schnell, um sie zu begreifen. Im Mikrosekundentakt schießt eine winzige Fontäne aus dem Probenbehälter und trifft auf ein mit Gel beschichtetes Glasplättchen. Innerhalb weniger Sekunden entsteht eine dreidimensionale Struktur aus lebenden menschlichen Zellen. Um Details erkennen zu können, braucht man Zeitlupenaufnahmen. Prof. Heinz P. Huber von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik der Hochschule München sitzt mit seinem Team vor dem Monitor und betrachtet die Abläufe in Slow-motion: „Wir können hier sehen, wie die Lichtpulse des Femtosenkundenlasers die Flüssigkeit im Probenbehälter anregen und sich unter der Oberfläche eine undurchsichtige Plasma-Blase bildet“, erklärt der Physiker. Wenige Augenblicke später explodiert die Blase und eine Fontäne, dünner als ein Haar, schießt mit 50 Stundenkilometern nach oben. Dieser „Jet“ besteht aus winzigen Wassertröpfchen, und diese enthalten lebende Zellen.

„Mit diesem Jet können wir Zellstrukturen drucken“, erläutert Jun Zhang, der gerade eine Doktorarbeit über die neue Technik schreibt: „Die Anlage lässt sich so steuern, dass die Zellen in einer Ebene, aber auch drei-dimensional und in hoher Auflösung aufgebracht werden können. So entstehen Keimzellen für neues Gewebe.“

Je nachdem, welche Zellen auf das Glasplättchen aufgedruckt werden, bildet sich Haut-, Herzmuskel- oder Knorpelgewebe. Zhang arbeitet derzeit mit Sehnen-Zellen. Aus denen will er, zusammen mit den Medizinern an der Universität Regensburg, künstliche Sehnen für Implantate herstellen. Weil diese aus körpereigenen Zellen der Patienten gewonnen werden können, sind keine Abstoßungsreaktionen zu befürchten. Bis Patienten mit Sehnenverletzungen von der neuen Technik profitieren, wird allerdings noch einige Zeit vergehen.

Schon seit Jahren wetteifern Forscherteams auf der ganzen Welt um die beste Technik zur Herstellung von künstlichem Gewebe, englisch Tissue Engineering. Ziel ist es, im Labor Gewebeersatzmaterialien zu erzeugen, die in Aufbau und Funktion identisch sind mit menschlichem Gewebe. Aus diesem sollen dann Implantate aber auch Gewebeproben für die Untersuchung neuer Wirkstoffe hergestellt werden. „Es gibt mittlerweile mehrere Druck-Verfahren, bisher hat jedoch keines die hohen Erwartungen erfüllt“, erklärt Huber. Bei gängigen Inkjet-Bioprintern beispielsweise setzt die Reibung in der Spritzdüse den Zellen zu und verringert deren Überlebensrate. In Laserdruckern, die mit infraroten Lichtpulsen arbeiten, führt eine energieabsorbierende, meist metallische, Schicht zu Verunreinigungen mit Nanopartikeln. Und UV-Laser-Drucker verursachen mitunter Schäden am Erbgut.

„Wir haben daher nach einer alternativen Methode gesucht, die die Zellen nicht belastet. Dabei sind wir auf die Multi-Photonen-Absorption gestoßen“, erinnert sich Huber. Die Photonen, die ein Femtosekundenlaser erzeugt, versetzten die Flüssigkeit in einen energetisch angeregten Zustand, ohne die Zellen zu schädigen. Das Laserlicht kann außerdem direkt, ohne Absorber, auf die Flüssigkeit gerichtet werden, Verunreinigen werden damit vermieden. Ein weiterer Vorteil: Der Jet, der entsteht, wenn die Energie aus der durch das Laserlicht erzeugten Plasmablase entweicht, ist extrem dünn und kann daher Zellen in hoher Auflösung auf einem Objektträger platzieren. Theoretisch ist die Multi-Photonen-Absorption damit eine ideale Technik, um Strukturen aus lebenden Zellen zu drucken.

Hochschule München

Originalpublikation: Zhang J, Hartmann B, Siegel J, Marchi G, Clausen-Schaumann H, Sudhop S, et al. (2018) Sacrificial-layer free transfer of mammalian cells using near infrared femtosecond laser pulses. PLOS ONE 13(5): e0195479.
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0195479