UpNano ahmt natürliche Gewebetopographie für die biomedizinische Forschung nach
Die Kombination eines 2Photon 3D-Druckers mit einer innovativen Hydrogel-basierten Biotinte ermöglicht den direkten Druck von 3D-Strukturen mit lebenden Zellen auf der Meso- und Mikroskala. Der von der Wiener UpNano GmbH entwickelte NanoOne Bio ist ein Drucker, der auf der erfolgreichen NanoOne-Reihe von laserbetriebenen 2Photon 3D-Druckern basiert, die in der Lage sind, Strukturen über 12 Größenordnungen aufzubauen.
Das neue Hydrogel wurde zusammen mit belgischen Unternehmen Xpect INX entwickelt, einer Ausgründung, die sich auf die Entwicklung von biokompatiblen Materialien für die 3D-(Bio-)Druckindustrie spezialisiert hat. Es ist das einzige kommerziell erhältliche Harz, das die Einbettung lebender Zellen direkt aus einer Kulturplatte in hochpräzise 3D-gedruckte Strukturen für biologische Anwendungen ermöglicht.
Zweidimensionale Zellkulturen sind seit vielen Jahrzehnten der Standard in der pharmazeutischen präklinischen F&E und in der biomedizinischen Forschung im Allgemeinen. Es gibt jedoch immer mehr Belege dafür, dass diese Modelle die zelluläre Interaktion auf 3D-Ebene in lebenden Systemen nur unzureichend repräsentieren. Daher ist die Entwicklung von Medikamenten auf der Basis von 2D-Systemen oft fehlgeleitet, was zu unfruchtbaren F&E-Kosten in Milliardenhöhe führt.
Bislang wurde der Aufbau komplexer und hochpräziser 3D-Strukturen mit eingebetteten lebenden Zellen durch den Mangel an geeigneten Materialien und Drucksystemen behindert. Dank der gemeinsamen Entwicklung einer neuartigen Bioink auf Hydrogelbasis durch Xpect INX und UpNano in Kombination mit dem neuen Druckmodell von UpNano ist dieses Vorhaben nun Realität geworden.
Kompetenzen gebündelt
"Die vereinten Kompetenzen von UpNano bei der Entwicklung von 3D-Druckgeräten und von Xpect INX bei der Entwicklung innovativer Materialien für den 3D-Druck haben gut zusammengepasst", kommentiert Peter Gruber, Leiter der Technik und Mitgründer von UpNano. "Wir haben gemeinsam X Hydrobio INX U200, ein hoch biokompatibles Hydrogel, entwickelt und bieten gleichzeitig ein 2Photon 3D-Druckgerät an, das den größten Bereich an gedruckten Dimensionen auf dem Markt bietet."
X Hydrobio INX U200 ist ein wasserlösliches Hydrogel, das den Transfer von Zellkulturen aus 2D-Kulturplatten in komplexe 3D-Strukturen ermöglicht. "Das auf Gelatine basierende X Hydrobio INX U200 wurde speziell für die Verkapselung verschiedener Zelltypen entwickelt und ermöglicht so die Erzeugung komplexer 3D-Mikrogewebe", sagt Jasper Van Hoorick, Projektleiter bei Xpect INX. "Das Hydrogel ahmt die natürliche zelluläre Umgebung nach und ist biologisch abbaubar, so dass die Zellen das Material nach und nach durch neu gebildetes Gewebe ersetzen können."
Das Gel löst die Probleme, die bei Standard-Wachstumsmedien auftreten, auf denen Zellkulturen in einer 2D-Art inkubiert werden. Anschließend kann das Hydrogel mit den lebenden Zellen direkt in den NanoOne Bio - einen von UpNano entwickelten hochpräzisen 2Photon 3D-Drucker - eingespeist werden. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass der 780-nm-Rotlichtlaser des NanoOne Bio selbst bei der außergewöhnlich hohen Leistung, mit der die NanoOne-Drucker arbeiten, nicht schädlich für lebende Zellen ist. Tatsächlich ermöglicht die hohe Laserleistung, die einzigartig für UpNanos 2Photon 3D-Drucksysteme ist, den Einsatz von Optiken, die die schnelle Herstellung von cm großen Strukturen mit außergewöhnlich hoher Präzision bis in den Nanobereich ermöglichen.
Die Kombination aus X Hydrobio INX U200 und dem NanoOne Bio eröffnet neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Forschung und Entwicklung, sowohl in der Industrie als auch im akademischen Bereich. Das enorme Potential erkennend, entschied sich Prof. James J. Yoo, Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (USA), UpNano bei zukünftigen Entwicklungen zu beraten. Der renommierte Experte für Tissue Engineering und Biofabrikation tritt ab April 2021 in den Beirat des Unternehmens ein und wird die kontinuierliche Weiterentwicklung neuartiger Anwendungen für die biomedizinische Forschung und Entwicklung begleiten.
Simulation von natürlichen Wachstumsbedingungen
Die Herstellung von Labs-on-Chip wird nun nicht nur mit einer noch nie dagewesenen Präzision, sondern auch direkt mit eingebetteten lebenden Zellen möglich sein - das spart Zeit und verbessert die Aussagekraft der Ergebnisse. Es können nun Oberflächenstrukturen erzeugt werden, die natürlichen Geweben ähneln (biomimetische Strukturen) und eine nahezu natürliche Interaktion zwischen den lebenden Zellen und ihrer Wachstumsumgebung ermöglichen.
"Zellen, die in 2D auf einer Kulturplatte auf Standard-Wachstumsmedien wachsen, treffen auf eine alles andere als natürliche physikalische Umgebung und einen Mangel an Interaktion mit den umgebenden Zellen in allen Richtungen, wie sie in lebenden Geweben zu beobachten ist", erklärt Denise Mandt, Leiterin Marketing und Business Development und Mitgründerin von UpNano. In der biomedizinischen Forschung und Entwicklung ist bekannt, dass ein solcher fehlender 3D-Zell-zu-Zell-Kontakt die Interpretation der an Zellmodellen gewonnenen Ergebnisse für menschliche Anwendungen negativ beeinflusst.
Der NanoOne Bio in Kombination mit dem neu entwickelten X Hydrobio INX U200 Kit wird diesen Ansatz deutlich verändern. Pharmazeutische Unternehmen und Forschungseinrichtungen werden in der Lage sein, Zellmodelle zu entwerfen, welche die natürlichen Wachstumsbedingungen im menschlichen Körper nachahmen. Der NanoOne Bio ermöglicht die Herstellung von Oberflächenstrukturen mit höchster Präzision beziehungsweise das Design von komplexen 3D-Gerüsten mit eingebetteten Zellen im cm-Bereich.
Dank spezifischer optischer Bahnen, optimierter Scan-Algorithmen und einer proprietären adaptiven Auflösungstechnologie bieten die NanoOne-Systeme zudem deutlich schnellere Produktionszeiten als andere Systeme - Vorteile, die von Kunden aus Industrie und Wissenschaft gleichermaßen erkannt wurden. Die Reichweitenerweiterung für Kunden in der biomedizinischen Forschung ist bereits auf großes Interesse gestoßen.