Elektrohydrodynamischer Biodruck erzeugt lebendes Muskelgewebe mit eng ausgerichteten Zellen im Inneren

Der Aufbau funktionsfähiger menschlicher Muskeln im Labor ist seit langem ein Ziel der regenerativen Medizin, doch ein hartnäckiges Hindernis bleibt bestehen: Echte Muskeln bestehen nicht nur aus einer Zellmasse. Seine Stärke und Funktion hängen von exquisit geordneten Muskelfasern ab, die alle in präzisen Richtungen ausgerichtet sind, die von Muskel zu Muskel unterschiedlich sind. Es hat sich als weitaus schwieriger erwiesen, diese innere Ordnung zu reproduzieren, als Muskelgewebe in die richtige äußere Form zu bringen.

Veröffentlicht im Internationale Zeitschrift für Extreme ManufacturingEin Forschungsteam der Xi’an Jiaotong-Universität hat nun einen Weg gefunden, beide Probleme gleichzeitig zu lösen. Durch den Einsatz elektrischer Kräfte während des elektrohydrodynamischen Bioprinting-Prozesses haben sie lebendes Muskelgewebe geschaffen, dessen Zellen sich auf natürliche Weise genau wie im menschlichen Körper ausrichten. Dies zeigt, wie elektrische Kräfte nicht nur zum präzisen Bioprinting von Gewebe eingesetzt werden können, sondern auch, um Zellen stillschweigend anzuweisen, sich selbst zu organisieren.

Skelettmuskeln gibt es in vielen Formen. Einige Fasern verlaufen in langen, parallelen Bündeln, die unsere Arme und Beine antreiben. Andere krümmen sich oder fächern sich auf und helfen uns, Bewegungen präzise zu greifen, zu kauen oder zu kontrollieren. Trotz dieser Unterschiede haben alle Muskeln ein gemeinsames mikroskopisches Merkmal: Ihre Zellen sind stark ausgerichtet. Durch diese Ausrichtung können einzelne Muskelzellen zu langen Fasern verschmelzen und sich effizient zusammenziehen. Ohne sie ist das Muskelgewebe schwach und beeinträchtigt seine Funktion.

Bestehende Tissue-Engineering-Methoden können die Ausrichtung von Zellen fördern, allerdings meist nur in flachen Schichten oder einfachen Strukturen. Im Gegensatz dazu eignet sich Bioprinting hervorragend zum Aufbau dreidimensionaler Formen, doch die Zellen in gedruckten Geweben bleiben oft unorganisiert.

Man kann die muskelähnliche Form drucken, aber die Zellen wissen nicht, in welche Richtung sie ziehen sollen.“

Prof. Jiankang He, korrespondierender Autor der Studie und Professor für Maschinenbau an der Xi’an Jiaotong Universität

Das Team wandte sich einer Technik zu, die als elektrohydrodynamisches oder EHD-Bioprinting bezeichnet wird. Im Gegensatz zum herkömmlichen Bioprinting, bei dem weiche Materialien durch eine Düse extrudiert werden, nutzt EHD-Bioprinting ein starkes elektrisches Feld, um extrem feine Flüssigkeitsstrahlen herauszuziehen. Dies ermöglicht eine wesentlich höhere Druckauflösung, bot jedoch bislang kaum Kontrolle darüber, wie sich Zellen im gedruckten Material verhalten.

Ihr Durchbruch gelang ihnen durch die Neugestaltung des Bioinks selbst. Die Forscher kombinierten Alginat, ein druckbares Gel, das üblicherweise beim Bioprinting verwendet wird, mit Fibrin, einem natürlichen Protein, das die Blutgerinnung unterstützt und eine Schlüsselrolle bei der Wundheilung spielt. Fibrin ist auch elektrisch empfindlich. Wenn die Biotinte beim Drucken durch das elektrische Feld gedehnt wird, werden diese winzigen und zufällig verstreuten Fibrincluster auseinandergezogen und in lange und gleichmäßig ausgerichtete Nanofasern neu organisiert.

Diese Umwandlung findet in einem kritischen Moment statt, der als Taylor-Kegel-Stufe bekannt ist, wenn sich der Flüssigkeitsstrahl erstmals unter hoher Spannung bildet. Bei etwa 3.000 Volt ordnet sich das Fibrin in nanoskalige Fasern um, die alle in die gleiche Richtung wie das gedruckte Filament zeigen. Für die im Gel eingebetteten Zellen wirken diese Fasern wie mikroskopische Spuren. Die Zellen spüren die ausgerichtete Struktur um sie herum und orientieren sich entsprechend.

„Während sich das Material ausrichtet, folgen die Zellen“, sagt Ayiguli Kasimu, Doktorandin und Erstautorin der Studie. „Das elektrische Feld baut effektiv ein Straßensystem im Nanomaßstab auf, und die Zellen wachsen auf natürliche Weise entlang.“

Da die Ausrichtung beim Drucken entsteht, bietet das Verfahren ungewöhnliche Freiheiten. Durch einfaches Ändern des Pfads der Druckerdüse erzeugten die Forscher Muskelgewebe mit geraden Fasern, gebogenen Fasern oder kreisförmigen Anordnungen, alle mit eng ausgerichteten Zellen im Inneren. Dadurch ist es möglich, die unterschiedlichen Architekturen echter Muskeln nachzuahmen, anstatt jedes Gewebe in dasselbe einfache Muster zu zwingen.

Um die gedruckten Gewebe noch muskelähnlicher zu machen, fügte das Team dem Bioink leitfähige Polymere hinzu. „Muskelgewebe ist auf elektrische Signale angewiesen, um die Kontraktion zu koordinieren, und die leitfähigen Zusatzstoffe ermöglichten es den gedruckten Konstrukten, diese Signale zu übertragen“, erklärt Assistenzprofessor Zijie Meng, Mitautor der Studie an der Xi’an Jiaotong University. Das Ergebnis waren nicht nur bessere elektrische Eigenschaften, sondern auch eine gesündere Muskelentwicklung. Die Zellen fusionierten effizienter zu reifen Muskelfasern und zeigten eine stärkere Expression muskelspezifischer Proteine.

Der eigentliche Test fand in lebenden Organismen statt. Bei der Implantation in Tiermodelle mit Muskeldefekten unterstützten die gedruckten Gewebe die Bildung neuer Muskeln und verbesserten die funktionelle Erholung deutlich. Die ausgerichteten und leitfähigen Konstrukte überlebten nicht nur im Körper; Sie halfen aktiv dabei, die verlorene Muskelfunktion wiederherzustellen.

Über seine unmittelbaren Auswirkungen auf die Muskelreparatur hinaus unterstreicht die Studie eine umfassendere Idee: Das elektrische Feld kann als leistungsstarkes Werkzeug verwendet werden, um lebende Materie von innen nach außen zu formen. Die Forscher zeigen, dass die Ausrichtung durch eine Kombination elektrischer und mechanischer Effekte entsteht. Unterschiede in der elektrischen Ladung führen dazu, dass Fibrin wandert und sich neu organisiert, während die starke Dehnung des Materials beim Drucken Fibrincluster zu Fasern verlängert. Zusammen schaffen diese Prozesse eine fein geordnete Umgebung, die Zellen instinktiv verstehen.

Die Autoren erkennen an, dass noch viel Arbeit vor uns liegt. Die molekularen Details, wie Fibrin auf elektrische Felder reagiert, sind noch nicht vollständig geklärt und es sind weitere Studien erforderlich, um die Zelldichte, die Materialchemie und die Langzeitleistung zu optimieren. Dennoch ist das Konzept klar und überzeugend.

Durch die Umwandlung der elektrischen Feldkraft in ein biologisches Designsignal hat das Team von Xi’an Jiaotong einen neuen Weg zum Bioprint von lebendem Gewebe aufgezeigt, das mehr wie das Original aussieht und sich so verhält. Bei einer Ausweitung auf andere Organe könnte dieser Ansatz dazu beitragen, die langjährige Lücke zwischen gedruckten Formen und echter biologischer Funktion zu schließen und die regenerative Medizin dem Wiederaufbau des Körpers einen Schritt näher zu bringen.

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