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Brandaktuell aus der Forschung: 3D-Bioprinting

10.09.2018

Im Vordergrund des wissenschaftlichen Programms beim Jahreskongress der DGMKG in Dresden stand die „Translationale Medizin in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie“. Hier wurden vor allem wissenschaftliche Ansätze im Bereich der Geweberegeneration und der Onkologie diskutiert, die die enge Verzahnung von grundlagenwissenschaftlicher Forschung und klinischer Anwendung widerspiegeln. Eines der viel beachteten Themen war die aktuelle Forschung im Bereich „3D-Bioprinting“.

Die meist komplizierten dreidimensionalen Gebilde zur Deckung von Knochendefekten oder -defiziten im MKG-Bereich werden zunehmend computergestützt designt (CAD) und hergestellt (CAM). Das neue Verfahren des 3D-Bioprintings vereint jetzt die computergesteuerte Fertigung mit der Methode des Tissue Engineerings. Dies ermöglicht erstmals die Produktion von individuell an den jeweiligen Defekt angepassten Strukturen, die ein lebendes Gewebe darstellen.

Implantate zur Defektdeckung: Bisherige Möglichkeiten

Im Kiefer-Gesichtsbereich sind Knochendefekte oder Knochendefizite meist komplexe dreidimensionale Gebilde. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Kieferspalte bei Patienten mit Lippen-Kiefer- Gaumenspalte, wie es eindrucksvoll in 3D-rekonstruierten Röntgenbildern sichtbar wird. Auch Zysten oder Kieferabschnitte mit Knochenschwund beispielsweise nach Zahnverlust zeigen komplexe Formen, die keinen einfachen geometrischen Figuren gleichen. Zur Deckung bzw. Überbrückung solcher Defekte hat besonders in der kraniofazialen Chirurgie die Anfertigung von individuellen Implantaten (Scaffolds) an Bedeutung gewonnen.

Die Anfertigung erfolgt mittels computergestütztem Design und computergestützter Fabrikation (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing, kurz CAD/CAM). Die Materialien hierfür sind vielfältig: Neben Titan kommen unter anderem auch Keramiken, Kunststoffe wie PEEK und Hydroxylapatit zur Anwendung. Bei den genannten Materialien ist jeweils ein Sinterschritt bei erhöhter Temperatur zur Stabilisierung notwendig, der zu einer hohen Resorptionsbeständigkeit führt, aber einer unmittelbaren Besiedelung mit lebenden Zellen während der Herstellung − während des Druckes − diametral entgegensteht. Es gibt aber auch Biomaterialien, die bei Raumtemperatur abbinden und aus denen Gerüststrukturen hergestellt werden können, was die Einbeziehung lebender Zellen in den Druckvorgang erlaubt. Ein geeignetes, klinisch etabliertes Knochenersatzmaterial ist z. B. synthetischer, nanokristalliner Hydroxylapatit in Form von Granulaten oder pastösen Kalziumphosphat-Knochenzementen. Trägermaterialien für Zellen sind z. B. Gele auf Agar-, Alginat- oder Fibrinbasis.

3D-Bioprinting: Biologisches Gewebe in individueller Form drucken

Eine aktuelle, vielversprechende Entwicklung ist der Druck biologischer Gewebe. Schon früh kam die Idee auf, die Gewebearchitektur mithilfe von 3D-Druckern nachzubauen und dabei Zellen und extrazelluläre Matrix miteinander zu vermischen und entsprechend aufzubringen. Beim 3D-Bioprinting werden beispielsweise aus Kalziumphosphatzement- Paste kombiniert mit einer Hydrogel-Zellsuspension Gewebekonstrukte für Knochen hergestellt (Abb. 1).

  • Abb. 1: Der extrusionsbasierte 3D-Druck ordnet Filamente („Stränge“) in festgelegter Ausrichtung zueinander an. Durch ein geschicktes Ablegen in mehreren Schichten können unterschiedliche Porenstrukturen erzeugt werden, die ein mechanisches und zellbiologisches Echo hervorrufen und die Einheilung der Trägerstruktur („Scaffold“) im Defekt beeinflussen.
  • Abb. 2: Ein aus bioresorbierbarem Kalziumphosphatzement gedruckter Scaffold für die Heilung einer artifiziell zugefügten persistierenden Gaumenspalte einer Ratte. Die gedruckten Stränge härten nach dem Drucken zu biomimetischem, knochenähnlichem Hydroxylapatit aus, der durch körpereigene Zellen abgebaut werden kann.
  • Abb. 1: Der extrusionsbasierte 3D-Druck ordnet Filamente („Stränge“) in festgelegter Ausrichtung zueinander an. Durch ein geschicktes Ablegen in mehreren Schichten können unterschiedliche Porenstrukturen erzeugt werden, die ein mechanisches und zellbiologisches Echo hervorrufen und die Einheilung der Trägerstruktur („Scaffold“) im Defekt beeinflussen.
  • Abb. 2: Ein aus bioresorbierbarem Kalziumphosphatzement gedruckter Scaffold für die Heilung einer artifiziell zugefügten persistierenden Gaumenspalte einer Ratte. Die gedruckten Stränge härten nach dem Drucken zu biomimetischem, knochenähnlichem Hydroxylapatit aus, der durch körpereigene Zellen abgebaut werden kann.

Dieses „Bioprinting“ vereint die computergesteuerte additive Fertigung, die eine exakte Vorgabe der Porenstruktur sowie, für die spätere klinische Anwendung entscheidend, eine individuelle Formgebung erlaubt, mit der Methode des Tissue Engineerings (Abb. 2).

Mit der Anwendung des Bioprintings kann die Integration von mesenchymalen Stromazellen in den Scaffolds schon während des Druckens und damit sehr homogen und nahezu verlustfrei erfolgen, was mit der konventionellen Besiedlung nach dem Herstellungsprozess nicht erreichbar ist (Abb. 3).

  • Abb. 3: In der Klinik etablierte, bildgebende Verfahren wie die Computertomographie können genutzt werden, um patientenindividuelle und damit passgenaue Implantate zu drucken. Das dargestellte Kahnbein wurde aus einem CT-Datensatz einer Hand gefiltert und mit Hilfe eines Kalziumphosphatzementes gedruckt.
  • Abb. 4: Im extrusionsbasierten 3D-Druck ist die Kombination mehrerer Materialien von großem Vorteil. Beispielsweise kann ein Material mechanische Unterstützung leisten, während ein zweites Material funktionelle Aufgaben übernimmt. Im dargestellten Fall wurde ein wasserreiches Hydrogel neben Kalziumphosphatzementstränge gedruckt, um einwandernde Zellen mit Wachstumsfaktoren und Proteinen zu versorgen.
  • Abb. 3: In der Klinik etablierte, bildgebende Verfahren wie die Computertomographie können genutzt werden, um patientenindividuelle und damit passgenaue Implantate zu drucken. Das dargestellte Kahnbein wurde aus einem CT-Datensatz einer Hand gefiltert und mit Hilfe eines Kalziumphosphatzementes gedruckt.
  • Abb. 4: Im extrusionsbasierten 3D-Druck ist die Kombination mehrerer Materialien von großem Vorteil. Beispielsweise kann ein Material mechanische Unterstützung leisten, während ein zweites Material funktionelle Aufgaben übernimmt. Im dargestellten Fall wurde ein wasserreiches Hydrogel neben Kalziumphosphatzementstränge gedruckt, um einwandernde Zellen mit Wachstumsfaktoren und Proteinen zu versorgen.

  • Abb. 5: Zellen, die auf gedruckte Scaffoldstrukturen gesiedelt werden, orientieren sich entlang der Stränge und proliferieren. In diesem Bild wurde das Strukturprotein Aktin angefärbt, welches die äußere Form von Zellen verrät. Die Färbung zeigt die hohe Cytokompatibilität gedruckter Kalziumphosphatscaffolds.
  • Abb. 5: Zellen, die auf gedruckte Scaffoldstrukturen gesiedelt werden, orientieren sich entlang der Stränge und proliferieren. In diesem Bild wurde das Strukturprotein Aktin angefärbt, welches die äußere Form von Zellen verrät. Die Färbung zeigt die hohe Cytokompatibilität gedruckter Kalziumphosphatscaffolds.

Auch wurde ein Verfahren des 3D-Plottens etabliert, mit dem sich direkt hohle Stränge erzeugen lassen. Solche könnten als Leitschienen für das Einwachsen von Gefäßen fungieren und damit die Blutversorgung der künstlichen Gewebe sicherstellen (Abb. 4 und 5).

Außerdem ist die Auskleidung von schlauchförmigen Strukturen mit den geeigneten Zelltypen, zum Beispiel mit Endothelzellen (Gefäßzellen) denkbar, um so ein Knochengewebe herzustellen, das dem freien autologen Knochentransplantat entspricht. Auch ist die Herstellung von Weichgewebestrukturen denkbar, denn es wurde erfolgreich demonstriert, dass sich die so eingebetteten Stammzellen noch zu Adipozyten differenzieren und für über drei Wochen beispielsweise weiter kultivieren lassen. Das additive Verfahren des Bioprintings ermöglicht somit eine Fertigung von individuell an den jeweiligen Defekt angepassten Strukturen, die ein lebendes Gewebe darstellen (Abb. 6-8).

  • Abb. 6: Wachsendes Interesse erhält der Zelldruck, d. h. die räumliche Anordnung von Zellen um Gewebeäquivalente und zelluläre Scaffolds mit räumlich angeordneter Zellverteilung zu erzeugen. Dafür müssen Trägermaterialien entwickelt werden, die nicht nur eine hohe biologische Verträglichkeit aufweisen, sondern auch den besonderen Anforderungen des 3D-Drucks genügen. Im Bild sind Scaffolds dargestellt, die aus einem für Zelldruck geeigneten Hydrogel erzeugt wurden.
  • Abb. 7: Biodruck von Zellen. Im vorliegenden Bild ist jede lebende Zelle grün angefärbt. Die Zellen sind im Hydrogel homogen verteilt und lassen sich beliebig und strangweise im Scaffold anordnen.
  • Abb. 6: Wachsendes Interesse erhält der Zelldruck, d. h. die räumliche Anordnung von Zellen um Gewebeäquivalente und zelluläre Scaffolds mit räumlich angeordneter Zellverteilung zu erzeugen. Dafür müssen Trägermaterialien entwickelt werden, die nicht nur eine hohe biologische Verträglichkeit aufweisen, sondern auch den besonderen Anforderungen des 3D-Drucks genügen. Im Bild sind Scaffolds dargestellt, die aus einem für Zelldruck geeigneten Hydrogel erzeugt wurden.
  • Abb. 7: Biodruck von Zellen. Im vorliegenden Bild ist jede lebende Zelle grün angefärbt. Die Zellen sind im Hydrogel homogen verteilt und lassen sich beliebig und strangweise im Scaffold anordnen.

  • Abb. 8: Biogedruckte Scaffolds sollen die Einheilung fördern, u. a. indem sie die Nährstoffversorgung erhöhen. In einem innovativen Ansatz können Kern/Mantel-Strukturen gedruckt werden, in dem jeder Strang einen zellulären Kern (hier blau angefärbt) besitzt, der umliegendes Gewebe unterstützt.
  • Abb. 8: Biogedruckte Scaffolds sollen die Einheilung fördern, u. a. indem sie die Nährstoffversorgung erhöhen. In einem innovativen Ansatz können Kern/Mantel-Strukturen gedruckt werden, in dem jeder Strang einen zellulären Kern (hier blau angefärbt) besitzt, der umliegendes Gewebe unterstützt.

Vorteile und Anwendung des 3D-Bioprintings

Vor dem klinischen Hintergrund des Behandlungskonzeptes für Patienten mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten, wo der Spaltverschluss schrittweise in mehreren Operationen erfolgt, ist eine direkte klinische Anwendung für den Patienten sehr von Vorteil bzw. gewinnbringend. Im ersten Operationsschritt – dem Verschluss der Lippe – kann gut die Gewinnung beispielsweise von Knochengewebe erfolgen. Die enthaltenen Zellen (Gefäßzellen, Knochenzellen, Stammzellen) können selektiert, getrennt kultiviert und im Sinne einer individuellen „Zellbank“ kryokonserviert werden. Wenn dann der Verschluss der Kieferspalte ansteht, ist die Herstellung von individuell geformtem Knochengewebe nach dem Verfahren des Bioprintings umsetzbar.

Konkret: Vom Patienten wird eine dreidimensionale Bildgebung der Kieferspalte erstellt. Auf Basis dieser Daten kann dann mittels Bioprinting aus Knochenzement, Hydrogel und kryokonservierten Knochen- und Gefäßzellen ein „lebendes Knochentransplantat“ gedruckt werden. Dieses können die MKG-Chirurgen dann zukünftig zur Kieferspaltosteoplastik anstelle des heute noch üblichen Transplantates aus dem Becken einsetzen. Für den meist jungen Patienten wird die lästige, oft mit Schmerzen und Gehbehinderungen einhergehende Entnahme von Knochen aus dem Becken umgangen. Deshalb wird das Bioprinting an der Klinik für MKG-Chirurgie gemeinsam mit dem Zentrum für Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung des Universitätsklinikums Dresden intensiv weiter erforscht.

Weitere Infos zur modernen MKG-Chirurgie: www.patienteninfo-mkg.de (Patienten-Portal) oder www.dgmkg.de (für Fachmediziner).

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