Pressemitteilung/News

Auszeichnung
04.11.2016

Mit dem 3D-Drucker lebendes Gewebe herstellen

Bei der akademischen Weltmeisterschaft auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie hat ein Münchner Team den ersten Platz (Grand Prize) in der Kategorie „Overgraduate“ belegen können. Die Forscher haben ein neuartiges Verfahren entwickelt, was mithilfe eines 3D-Druckers intakte Gewebe erzeugt. Neben Studierenden der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) waren auch Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München beteiligt.

Gewebedrucker

Der biotINK Gewebedrucker druckt mit einer Kanüle Gewebe in eine kleine Petrischale. Quelle: TUM/ A. Heddergott

Der internationale Genetically Engineered Machine (iGEM) Wettbewerb spornt Studierende auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie an, innovative Ideen umzusetzen und mit diesen biotechnologischen Projekten gegeneinander anzutreten. Der am Massachusetts Institute of Technology (MIT) initiierte Wettbewerb wird seit 2003 von der iGEM Foundation veranstaltet, wobei bis 2014 das MIT in Cambridge (USA) auch Austragungsort war. Unter den 300 Finalistenteams waren in diesem Jahr zwölf deutsche Mannschaften, darunter das gemeinsame Team aus München.

Das iGEM-Projekt des Jahres 2016 hat sich dem wachsenden Problem fehlender Spenderorgane in der Transplantationsmedizin gewidmet. Geleitet wurde es von Professor Arne Skerra vom Lehrstuhl für Biologische Chemie der TUM und gefördert vom Graduiertenkolleg GRK 2062 an der LMU. Von Helmholtz-Seite daran beteiligt war Professor Gil Gregor Westmeyer vom Institut für Biologische und Molekulare Bildgebung (IBMI) und Institut für Entwicklungsgenetik (IDG) sowie sein Doktorand Dong-Jiunn Jeffery Truong. „Die beteiligten Studierenden von TUM und LMU haben eine neuartige Methode entwickelt, die es letztendlich ermöglicht, intakte Gewebe und möglicherweise sogar komplette Organe mithilfe eines 3D-Druckers herzustellen“, sagt Professor Skerra über seine aktuelle Projektgruppe. „Nur mit der Kombination der Disziplinen Synthetische Biologie, Molekulare Biotechnologie, Protein-Design und Ingenieurwissenschaften ist dies möglich geworden.“

Eine Frage des Teams war: Wie wäre es, wenn das “gedruckte“ Gewebe völlig neue Funktionen im Körper erfüllen könnte – beispielsweise die Produktion therapeutischer Proteine? Das Drucken von nicht lebendigem biologischem Material – wie beispielweise Knorpel – ist bereits Stand der Technik. Auf dem Weg zum Druck komplexer Zellverbände hingegen waren noch wesentliche Hürden zu bewältigen. „An diesem Punkt hat das diesjährige Projekt angesetzt, bei dem lebende Zellen mit einem 3D-Drucker in eine biokompatible Matrix gedruckt werden“, erläutert Projektleiter Skerra. Dafür wurde ein konventioneller Plastik-3D-Drucker umgebaut zu einem "3D-Bioprinter".

Schicht für Schicht entsteht dabei ein biologisches Gewebe. Bislang wurden für derartige Zwecke sogenannte Hydrogele eingesetzt, die eine gelatineartige Gerüststruktur liefern und erst nachträglich mit den Zellen besiedelt werden. Die Münchener Forscher umgingen dies, weil der "Gerüstbau" das Drucken verkompliziert und die Zellen auf unnatürliche Weise zusammenhält. Stattdessen haben sie eine spezielle Bio-Tinte, eine Art biochemischer Zweikomponentenkleber, für den direkten 3D-Druck lebender Zellen entwickelt.

Hauptbestandteil dieses Systems ist Biotin, den meisten als Vitamin H oder B7 bekannt, mit dem die Zellen oberflächlich beladen werden. Die zweite Komponente ist Streptavidin, ein Biotin bindendes Protein und damit der eigentliche biochemische Klebstoff. Zusätzlich sind voluminöse Proteine mit Biotingruppen ausgestattet worden, um als Quervernetzer zu dienen. „Wenn eine Suspension dieser Zellen in eine konzentrierte Lösung der Proteinkomponenten "gedruckt" wird“, erklärt Professor Skerra, „dann bildet sich die gewünschte 3D-Struktur.“

Mit dieser Bio-Tinte entsteht also im sogenannten biotINK-Gewebedrucker ein plastisch gestaltbares Gewebe aus lebenden Zellen – quasi bereit zur Transplantation. Damit hat das Team unter Anleitung von Professor Skerra und seinen Doktoranden Andreas Reichert und Volker Morath an der TUM, welches unter dem Motto „Let’s take bioprinting to the next level“ angetreten war, nicht zu viel versprochen.

"Ich denke, dass 'tissue engineering' ein zukunftsträchtiges Gebiet der Medizin ist. Wir arbeiten auch an Methoden, mit denen man die Funktionsweise der Zellen nicht-invasiv in 3D auslesen und aus der Ferne beeinflussen kann, um in Zukunft etwa komplexere Gewebe herstellen zu können", so Prof. Westmeyer abschließend.

 

Weitere Informationen

Zur Projektseite des Münchner iGEM-Teams 

Video zum Projekt

Fotos zum Download

 

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.

Das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) erforscht In-vivo-Bildgebungstechnologien für die Biowissenschaften. Es entwickelt Systeme, Theorien und Methoden zur Bildgebung und Bildrekonstruktion sowie Tiermodelle zur Überprüfung neuer Technologien auf der biologischen, vorklinischen und klinischen Ebene. Ziel ist es, innovative Werkzeuge für das biomedizinische Labor, zur Diagnose und dem Therapiemonitoring von humanen Erkrankungen bereit zu stellen.

Durch eine steigende Lebenserwartung nehmen sowohl altersbedingte, als auch soziologische und umweltbedingte Einflüsse auf die Gene zu. Diese Veränderungen des genetischen Materials untersucht das Institut für Entwicklungsgenetik (IDG).  Im Forschungsbereich Mouse Genetics werden genetische Tiermodelle zur Erforschung verschiedener Erkrankungen entwickelt. Diese Modelle werden im Disease Modelling analysiert um Genfunktionen und Zellprozesse zu identifizieren und den Einfluss von Umwelt und Alterungsprozessen zu bewerten. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Untersuchung neurologischer und psychiatrischer Krankheiten.