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Oct 26, 2023

Neuartige und einfache Methode zur Entwicklung einer Plattform, die Blutgefäße nachahmt

26. Juni 2020

26. Juni 2020

von der Singapore University of Technology and Design

Das Blutkreislaufsystem dient als entscheidende Infrastruktur für den Massentransport von Nährstoffen und erleichtert den Austausch von Gas- und Abfallprodukten aus Organen im menschlichen Körper. Diese Blutgefäße sind ständig dem hydrodynamischen Druck des Blutflusses sowie dem Kontraktions- und Entspannungsrhythmus des sie umgebenden Gewebes ausgesetzt. Die Einwirkung dieser Reize kann eine Kaskade zellulärer Reaktionen auslösen, die zu unerwünschten Erkrankungen wie Thrombosen und Entzündungen in Blutgefäßen führen können.

Diese zellulären Reaktionen auf Ereignisse werden als Mechanotransduktion bezeichnet – der Prozess der Umwandlung mechanischer Signale in chemische Signale im Körper. Obwohl es den Forschern gelungen ist, Krankheitsmodelle zu entwickeln, die verschiedene Beeinträchtigungen in Blutgefäßen nachahmen, wurde die Fähigkeit, gleichzeitige Scherbelastung durch Blutfluss und Dehnungsbelastung einzubeziehen, immer noch als schwierig zu reproduzieren angesehen.

Forscher der Onoe Research Group der Keio University (Keio U) arbeiteten mit dem Soft Fluidics Lab der Singapore University of Technology and Design (SUTD) zusammen, um einen auf der extrazellulären Matrix (ECM) basierenden Mikrokanal zu entwickeln und herzustellen, der es ermöglicht, gleichzeitig mechanische Reize aufgrund von Perfusion und Dehnung bereitzustellen . Diese unkomplizierte Methode ermöglichte es den Forschern, durch Opferformen ein komplexes Netzwerk von Mikrokanälen in einem ECM zu erzeugen, das menschlichem Gewebe ähnelte.

Bei diesem Ansatz wurde die Form zunächst mit Gabelungen und Kaskadenabmessungen von nur 0,2 mm Breite strukturiert. Zum Drucken der Opferform aus Polyvinylalkohol (PVA) wurde ein kommerziell erhältlicher FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling) verwendet. Im Gegensatz zu einer etablierten Methode wie dem Replika-Formen, bei dem mehrere Montage- und Ausrichtungsschritte erforderlich waren, um Mikrokanäle mit 3D-Geometrie zu erzeugen, ermöglichte das Opferformen die schnelle Herstellung von Mikrokanälen in verschiedenen Matrizen. Die Form wurde vollständig in eine mit Transglutaminase gehärtete ECM (Gelatine) eingebettet; Bei der Herstellung der Plattform für Blutgefäße und umgebendes Gewebe war kein Versiegeln, Ausrichten oder Stapeln erforderlich.

„Da die PVA-Form in Wasser entfernbar ist, wurde der Herstellungsprozess vollständig nur mit Wasser abgeschlossen. Dies ist wichtig, um die Biokompatibilität der hergestellten Mikrokanäle sicherzustellen“, sagte Jason Goh, Ph.D. Stipendiat an der SUTD.

„Das Opferformen einer 3D-gedruckten Schmelzablagerungsmodellierungsform bietet große Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die Herstellung einer physiologisch relevanteren Plattform“, fügte Assistenzprofessor Michinao Hashimoto von SUTD hinzu.

Menschliche Endothelzellen konnten problemlos auf der Oberfläche des Mikrokanals kultiviert werden, um eine Röhre zu bilden, die Blutgefäßen nachahmt. Das charakteristische Verhalten von Blutgefäßen, wie z. B. der pulsierende Fluss, wurde unter Perfusions- und Dehnungsbedingungen erfolgreich erreicht. Diese Blutgefäßplattform diente dazu, das Anwendungsspektrum aktueller vaskulärer In-vitro-Modelle zu erweitern, um pathologische Zustände auf physiologisch relevantere Weise zu untersuchen.

„Wir haben erfolgreich gezeigt, dass wir Ersatzstoffe für Blutgefäße mit ausreichender mechanischer Festigkeit entwickeln können, um dem im menschlichen Körper ausgeübten Flüssigkeitsdruck und der Dehnung standzuhalten. Die Plattform wird nützlich sein, um die Mechanismen von Gefäßerkrankungen zu verstehen“, sagte Azusa Shimizu, die Hauptautorin und ein MSc-Student und außerordentlicher Professor Hiroaki Onoe von der Keio U, Japan.

Die Forschungsarbeiten wurden veröffentlicht und prominent auf der Innenseite des Covers von Lab on a Chip vorgestellt, der Top-Zeitschrift für Originalarbeiten im Zusammenhang mit der Miniaturisierung unterhalb der Mikroskala und an der Schnittstelle zwischen technologischem Fortschritt und wirkungsvollen Anwendungen. Azusa Shimizu (Keio U) arbeitete mit Jason Goh (SUTD) und Shun Itai (Keio U) zusammen. Zu den weiteren leitenden Forschern des Projekts gehört Dr. Shigenori Miura von der Universität Tokio.

Mehr Informationen: Azusa Shimizu et al., ECM-basierter Mikrokanal zur In-vitro-Kultivierung von Gefäßgeweben mit gleichzeitiger Perfusion und Dehnung, Lab on a Chip (2020). DOI: 10.1039/D0LC00254B