Forschung & Entwicklung

Tissue-Engineering im Femtosekundentakt

Mithilfe eines Femtosekundenlasers lassen sich lebende menschliche Zellen ohne Verunreinigung oder genetische Schäden in 3-D auf ein Glasplättchen drucken.

Die Wirklichkeit ist zu schnell, um sie zu begreifen. Im Mikrosekundentakt schießt eine winzige Fontäne aus dem Probenbehälter und trifft auf ein mit Gel beschichtetes Glasplättchen. Innerhalb weniger Sekunden entsteht eine dreidimensionale Struktur aus lebenden menschlichen Zellen. Um Details erkennen zu können, braucht man Zeitlupenaufnahmen.

Professor Heinz P. Huber von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik der Hochschule München betrachtet die Abläufe an einem Monitor in Slow Motion: „Wir können hier sehen, wie die Lichtpulse des Femtosekundenlasers die Flüssigkeit im Probenbehälter anregen und sich unter der Oberfläche eine undurchsichtige Plasmablase bildet.“ Wenige Augenblicke später explodiert die Blase und eine Fontäne, dünner als ein Haar, schießt mit 50 Stundenkilometern nach oben. Dieser ‚Jet‘ besteht aus winzigen Wassertröpfchen, die lebende Zellen enthalten. Mit diesem Jet können die Forscher Zellstrukturen drucken. „Die Anlage lässt sich so steuern, dass die Zellen in einer Ebene, aber auch dreidimensional und in hoher Auflösung aufgebracht werden können. So entstehen Keimzellen für neues Gewebe“, erläutert Doktorand Jun Zhang von der Hochschule München.

Je nachdem, welche Zellen auf das Glasplättchen aufgedruckt werden, bildet sich Haut-, Herzmuskel- oder Knorpelgewebe. Zhang arbeitet derzeit mit Sehnenzellen. Aus denen will er, zusammen mit Medizinern an der Universität Regensburg, künstliche Sehnen für Implantate herstellen. Bis Patienten mit Sehnenverletzungen von der neuen Technik profitieren, wird allerdings noch einige Zeit vergehen.

Schon seit Jahren wetteifern Forscherteams weiltweit um die beste Technik zur Herstellung von künstlichem Gewebe (englisch: Tissue Engineering). Ziel ist es, im Labor Gewebeersatzmaterialien zu erzeugen, die in Aufbau und Funktion identisch sind mit menschlichem Gewebe. Aus diesem sollen dann Implantate aber auch Gewebeproben für die Untersuchung neuer Wirkstoffe hergestellt werden. „Es gibt mittlerweile mehrere Druckverfahren, bisher hat jedoch keines die hohen Erwartungen erfüllt“, erklärt Huber. In Laserdruckern beispielsweise, die mit infraroten Lichtpulsen arbeiten, führt eine energieabsorbierende, meist metallische Schicht zu Verunreinigungen mit Nanopartikeln. Und UV-Laserdrucker verursachen mitunter Schäden am Erbgut.

Die Forscher aus München haben daher nach einer alternativen Methode gesucht, die die Zellen nicht belastet. Dabei sind sie auf die Multi-Photonen-Absorption gestoßen. Die Photonen, die ein Femtosekundenlaser erzeugt, versetzten die Flüssigkeit in einen energetisch angeregten Zustand, ohne die Zellen zu schädigen. Das Laserlicht kann außerdem direkt, ohne Absorber, auf die Flüssigkeit gerichtet werden, Verunreinigungen werden damit vermieden. Ein weiterer Vorteil: Der Jet, der entsteht, wenn die Energie aus der durch das Laserlicht erzeugten Plasmablase entweicht, ist extrem dünn und kann daher Zellen in hoher Auflösung auf einem Objektträger platzieren. Theoretisch ist die Multi-Photonen-Absorption damit ideal, um Strukturen aus lebenden Zellen zu drucken.

Praktisch musste Hubers Team einige Hürden überwinden. Zwei Jahre haben die Forscher an den Details gearbeitet, berichtet Zhang: „Unsere ersten Versuche mit dem Femtosekundenlaser waren wenig ermutigend, die Zellen landeten zwar an den gewünschten Stellen, haben aber nicht überlebt. Erst nach und nach haben wir herausgefunden, wie man den Prozess steuern muss, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.“ Entscheidend für das Überleben der Zellen ist beispielsweise die Fokustiefe des Lasers: Liegt die Plasmabase zu tief unter der Oberfläche, wird der Druck, der sich aufbaut, bevor die Blase platzt, zu hoch. Ein anderer wichtiger Faktor ist die Energie der Laserstrahlen. Sie darf nicht zu hoch sein, sonst expandiert die Blase zu schnell und zerstört die Zellen. Und auch die Zeit spielt eine Rolle: Je schneller der Druckprozess abgeschlossen ist, und das Glasplättchen in den Brutschrank gelegt wird, desto mehr Zellen überleben und können sich vermehren.

Im nächsten Schritt wollen die Physiker zusammen mit Medizinern und Biologen die aufgedruckte Zellstruktur in echtes Sehnengewebe verwandeln. Die Arbeit ist Teil des Forschungsprojekts ‚Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin‘ (CANTER), in dem 15 Partner, darunter die Hochschule München, die TU München, die Ludwig-Maximilians-Universität München und die Universität Regensburg, interdisziplinär kooperieren.

Originalveröffentlichung:

[J. Zhang, B. Hartmann, J. Siegel, G. Marchi, H. Clausen-Schaumann, S. Sudhop S, H. P. Huber, Sacrificial-layer free transfer of mammalian cells using near infrared femtosecond laser pulses, PLOS ONE 13 (2018), DOI: 10.1371/journal.pone.0195479]

von mn

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