Bioingenieure haben eine Methode entwickelt, um künstliche Haut in dreidimensionalen Formen zu züchten, einschließlich eines nahtlosen “Handschuhs” aus Haut, der über eine schwer verbrannte Hand gestülpt werden kann.
Wenn Sie schon einmal versucht haben, ein seltsam geformtes Geschenk wie einen Teddybären zu verpacken, können Sie sich vorstellen, vor welcher Herausforderung Chirurgen stehen, wenn sie künstliche Haut auf ein verletztes Körperteil transplantieren. Wie Geschenkpapier wird künstliche Haut in flachen Stücken geliefert, deren Zusammennähen um einen unregelmäßig geformten Körperteil schwierig und zeitaufwändig sein kann.
Bioingenieure der Columbia University scheinen dieses Problem gelöst zu haben, indem sie einen Weg gefunden haben, künstliche Haut in komplexen, dreidimensionalen Formen zu züchten, so dass beispielsweise ein nahtloser “Handschuh” aus Hautzellen hergestellt werden kann, der leicht über eine schwer verbrannte Hand gestülpt werden kann.
Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in einem Artikel, der am 27. Januar in Science Advances veröffentlicht wurde.
Dreidimensionale Hautkonstrukte, die als ‘biologische Kleidung’ transplantiert werden können, hätten viele Vorteile”, sagt der Hauptentwickler Hasan Erbil Abaci, PhD, Assistenzprofessor für Dermatologie am Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons. “Sie würden den Bedarf an Nähten drastisch minimieren, die Dauer von Operationen verkürzen und die ästhetischen Ergebnisse verbessern.”
Die aktuelle Studie ergab auch, dass die kontinuierlichen 3D-Transplantate bessere mechanische und funktionelle Eigenschaften haben als herkömmliche, zusammengesetzte Transplantate.
3D Gerüstbau
Beim 3D-Scaffolding werden Hauttransplantate mithilfe eines 3D-Laserscans der Zielstruktur, z. B. einer menschlichen Hand, hergestellt. Anschließend wird mit Hilfe von computergestütztem Design und 3D-Druck ein hohles, durchlässiges Modell der Hand angefertigt, das außen mit Hautfibroblasten und Kollagen besiedelt wird. Die Außenseite der Form wird mit einer Mischung aus Keratinozyten beschichtet, während die Innenseite mit Wachstumsmedien durchströmt wird, um das sich entwickelnde Transplantat zu unterstützen und zu ernähren. Der gesamte Prozess dauert etwa drei Wochen, ähnlich wie bei der Herstellung von flacher, künstlicher Haut.
In einem ersten Test der 3D-Haut wurden Konstrukte aus menschlichen Hautzellen erfolgreich auf die Hinterbeine von Mäusen transplantiert, und die Transplantate hatten sich nach vier Wochen vollständig mit der umgebenden Mäusehaut verbunden. Da Mäusehaut jedoch anders heilt als menschliche Haut, planen die Forscher, die Transplantate an größeren Tieren mit einer Hautbiologie zu testen, die der des Menschen näher kommt, bevor sie klinische Versuche am Menschen durchführen, die wahrscheinlich noch Jahre entfernt sind.
Neugestaltung der künstlichen Haut
Die ersten künstlichen Hauttransplantate wurden Anfang der 1980er Jahre mit nur zwei Zelltypen eingeführt, während die menschliche Haut rund 50 Zelltypen aufweist. Die meisten Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Nachahmung der zellulären Komponenten der menschlichen Haut, aber die Geometrie der Haut wurde übersehen. Die offenen Grenzen oder Ränder der Transplantate waren für Bioingenieure ein Problem, da die Geometrie ein wichtiger Faktor ist, der die Funktion beeinflusst. Dank der Verfügbarkeit von 3D-Druckern hat ein Team von Bioingenieuren vollständig geschlossene 3D-Formen entwickelt, die der natürlichen Haut sehr nahe kommen und mechanisch stabiler sind, was die Zusammensetzung, Struktur und Festigkeit des Transplantats erheblich verbessert.
Das Team hofft, in Zukunft Transplantate aus patienteneigenen Zellen anfertigen zu können. Mit nur einer 4×4 mm großen Hautprobe können genügend Zellen gezüchtet und vermehrt werden, um genügend Haut für eine menschliche Hand zu erzeugen. Dieser neue Ansatz könnte eine Lösung für Menschen bieten, die Hauttransplantate benötigen, insbesondere für Menschen mit schweren Verbrennungen, und könnte auch den Weg für den 3D-Druck ebnen, um andere Arten von komplexen Geweben und Organen herzustellen.
