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3D-Biodrucker könnte die Medikamentenentwicklung beschleunigen

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Ein 3D-Drucker, der schnell große Mengen an benutzerdefinierten biologischen Geweben herstellt, könnte dazu beitragen, die Entwicklung von Medikamenten schneller und kostengünstiger zu machen. Nano-Ingenieure an der University of California San Diego haben die Hochdurchsatz-Bioprinting-Technologie entwickelt, die 3D-Drucke in Rekordgeschwindigkeit herstellt - innerhalb von 30 Minuten kann sie ein 96-Well-Array mit lebenden menschlichen Gewebeproben produzieren.

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Die Fähigkeit, solche Proben schnell herzustellen, könnte das präklinische Wirkstoffscreening im Hochdurchsatz und die Modellierung von Krankheiten beschleunigen, so die Forscher.

Die Entwicklung eines neuen Medikaments durch ein Pharmaunternehmen kann bis zu 15 Jahre dauern und bis zu 2,6 Milliarden Dollar kosten. Er beginnt in der Regel mit dem Screening von Zehntausenden von Wirkstoffkandidaten im Reagenzglas. Erfolgreiche Kandidaten werden dann in Tierversuchen getestet, und alle, die diese Phase bestehen, gehen in klinische Studien über. Mit etwas Glück schafft es einer dieser Kandidaten als von der FDA zugelassenes Medikament auf den Markt.

Die an der UC San Diego entwickelte Hochdurchsatz-3D-Bioprinting-Technologie könnte die ersten Schritte dieses Prozesses beschleunigen. Sie würde es Medikamentenentwicklern ermöglichen, schnell große Mengen an menschlichem Gewebe aufzubauen, an dem sie Medikamentenkandidaten viel früher testen und aussortieren könnten.

"Mit menschlichem Gewebe erhält man bessere Daten - echte menschliche Daten - darüber, wie ein Medikament wirkt", sagt Shaochen Chen, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Unsere Technologie kann diese Gewebe mit hoher Durchsatzleistung, hoher Reproduzierbarkeit und hoher Präzision herstellen. Das könnte der pharmazeutischen Industrie wirklich helfen, die vielversprechendsten Medikamente schnell zu identifizieren und sich auf sie zu konzentrieren."

Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Biofabrication veröffentlicht.

Die Forscher merken an, dass ihre Technologie zwar keine Tierversuche überflüssig macht, aber die Fehler, die in dieser Phase auftreten, minimieren könnte.

"Was wir hier entwickeln, sind komplexe 3D-Zellkultursysteme, die menschliches Gewebe besser imitieren und hoffentlich die Erfolgsrate der Medikamentenentwicklung verbessern können", sagt Shangting You, Postdoktorand in Chens Labor und Co-Erstautor der Studie.

Die Technologie konkurriert mit anderen 3D-Bioprinting-Methoden nicht nur in Bezug auf die Auflösung - sie druckt lebensechte Strukturen mit komplizierten, mikroskopischen Merkmalen, wie z. B. menschliches Leberkrebsgewebe mit Blutgefäßnetzwerken - sondern auch in Bezug auf die Geschwindigkeit. Der Druck einer dieser Gewebeproben dauert mit Chens Technologie etwa 10 Sekunden, während der Druck der gleichen Probe mit traditionellen Methoden Stunden dauern würde. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Proben automatisch direkt in industrielle Well-Platten gedruckt werden können. Das bedeutet, dass die Proben nicht mehr einzeln manuell von der Druckplattform in die Well-Platten zum Screening übertragen werden müssen.

"Wenn man dies auf eine 96-Well-Platte hochskaliert, spricht man von einer enormen Zeitersparnis - mindestens 96 Stunden mit einer traditionellen Methode plus Probentransferzeit, gegenüber etwa 30 Minuten mit unserer Technologie", sagt Chen.

Die Reproduzierbarkeit ist ein weiteres Schlüsselmerkmal dieser Arbeit. Die Gewebe, die Chen mit seiner Technologie herstellt, sind hoch organisierte Strukturen, so dass sie für das Screening im industriellen Maßstab leicht repliziert werden können. Es ist ein anderer Ansatz als das Züchten von Organoiden für das Wirkstoffscreening, erklärt Chen. "Bei Organoiden mischt man verschiedene Zelltypen und lässt sie sich selbst organisieren, um eine 3D-Struktur zu bilden, die nicht gut kontrolliert ist und von einem Experiment zum anderen variieren kann. Daher sind sie nicht reproduzierbar für dieselbe Eigenschaft, Struktur und Funktion. Aber mit unserem 3D-Bioprinting-Ansatz können wir genau festlegen, wo wir verschiedene Zelltypen, die Mengen und die Mikroarchitektur drucken."

Um ihre Gewebeproben zu drucken, entwerfen die Forscher zunächst 3D-Modelle von biologischen Strukturen am Computer. Diese Entwürfe können sogar von medizinischen Scans stammen, so dass sie für das Gewebe eines Patienten personalisiert werden können. Der Computer zerlegt dann das Modell in 2D-Schnappschüsse und überträgt sie auf Millionen von mikroskopisch kleinen Spiegeln. Jeder Spiegel wird digital gesteuert, um Muster aus violettem Licht - 405 Nanometer Wellenlänge, die für Zellen ungefährlich ist - in Form dieser Schnappschüsse zu projizieren. Die Lichtmuster werden auf eine Lösung gestrahlt, die lebende Zellkulturen und lichtempfindliche Polymere enthält, die bei Lichteinwirkung erstarren. Die Struktur wird schnell und kontinuierlich Schicht für Schicht gedruckt, wodurch ein festes 3D-Polymergerüst entsteht, das lebende Zellen einkapselt, die wachsen und zu biologischem Gewebe werden.

Die digital gesteuerte Mikrospiegelanordnung ist der Schlüssel für die hohe Geschwindigkeit des Druckers. Da es ganze 2D-Muster auf das Substrat projiziert, während es Schicht für Schicht druckt, produziert es 3D-Strukturen viel schneller als andere Druckmethoden, die jede Schicht Zeile für Zeile mit einer Düse oder einem Laser abtasten.

"Eine Analogie wäre, den Unterschied zwischen dem Zeichnen einer Form mit einem Bleistift und einem Stempel zu vergleichen", sagt Henry Hwang, ein Doktorand der Nanotechnik in Chens Labor, der auch Co-Erstautor der Studie ist. "Mit einem Bleistift muss man jede einzelne Linie zeichnen, bis die Form vollständig ist. Aber mit einem Stempel markieren Sie die gesamte Form auf einmal. Das ist es, was das digitale Mikrospiegelgerät in unserer Technologie macht. Das ist ein Unterschied in der Geschwindigkeit um Größenordnungen."

Diese neue Arbeit baut auf der 3D-Bioprinting-Technologie auf, die Chens Team im Jahr 2013 erfunden hat. Sie begann als Plattform zur Herstellung von lebenden biologischen Geweben für die regenerative Medizin. Frühere Projekte umfassen den 3D-Druck von Lebergewebe, Blutgefäßnetzwerken, Herzgewebe und Rückenmarksimplantaten, um nur einige zu nennen. In den letzten Jahren hat Chens Labor die Nutzung seiner Technologie erweitert, um von Korallen inspirierte Strukturen zu drucken, die Meereswissenschaftler zur Untersuchung des Algenwachstums und zur Unterstützung von Projekten zur Wiederherstellung von Korallenriffen nutzen können.

Jetzt haben die Forscher die Technologie automatisiert, um den Gewebedruck im Hochdurchsatzverfahren durchzuführen. Allegro 3D, Inc. ist ein Spin-off-Unternehmen der UC San Diego, das von Chen und Wei Zhu, einem Doktoranden aus seinem Labor, gegründet wurde.