Bioprinting Pillengroßer Bioprinter repariert Gewebeverletzungen im Körper

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Ein Team des Laboratory for Advanced Fabrication Technologies an der School of Engineering der EPFL hat mit MEDS (Magnetic Endoluminal Deposition System) den ersten schluckbaren Bioprinter entwickelt. Er kann beispielsweise zu Geschwüren oder Blutungen geführt werden kann, um Gewebe im Körper zu drucken.

Weichteilverletzungen des Gastrointestinaltrakts, wie etwa Geschwüre oder Blutungen, können derzeit nur mit irgendeiner Form von Chirurgie behandelt werden, die invasiv ist und möglicherweise keine dauerhafte Wiederherstellung bewirkt. Hierbei entwickelt sich Bioprinting zu einer wirksamen Behandlung, bei der biokompatible „Tinte“ – häufig aus natürlichen, aus Algen gewonnenen Polymeren – direkt über der Stelle der Gewebeschädigung aufgetragen wird und so ein Gerüst für neues Zellwachstum schafft. Doch wie herkömmliche chirurgische Instrumente sind auch diese Arten von Bioprintern tendenziell sperrig und erfordern Anästhesie.

Gleichzeitig werden „untethered“-Technologien entwickelt, um medizinische Eingriffe ohne physische Verbindung zu externer Ausrüstung durchzuführen. Beispielsweise können schluckbare „Smart Capsules“ mithilfe externer Magnete zum verletzten Gewebe geführt werden. Diese Geräte sind jedoch dafür ausgelegt, sich durch Flüssigkeiten zu bewegen, und ihre Bewegungen werden unvorhersehbar, sobald sie die Gewebewand berühren.

Kombination der Prinzipien von In-situ-Bioprintern und Smart Capsules

Bioprinting erfordert hingegen Gewebekontakt. Nun hat ein Team des Laboratory for Advanced Fabrication Technologies an der School of Engineering der EPFL MEDS (Magnetic Endoluminal Deposition System) entwickelt: den ersten schluckbaren Bioprinter, der zu Krankheitsherden geführt werden kann, um Gewebe im Körper zu drucken. Die kürzlich in Advanced Science veröffentlichte Technologie eröffnet den Weg zu einer neuen Form nicht-invasiver medizinischer Intervention. „Durch die Kombination der Prinzipien von In-situ-Bioprintern mit den Wirkstofffreisetzungskonzepten von ‚Smart Capsules‘ können wir uns eine neue Gerätekategorie vorstellen: einen pillengroßen, schluckbaren Bioprinter“, sagt Laborleiter Vivek Subramanian.

Minimalinvasive Reparatur

MEDS ist wie ein Kugelschreiber aufgebaut, dessen Federspitze Tinte freisetzt — nur ist das Gerät hier viel kleiner, und die „Tinte“ ist ein lebendes Biogel. Etwa so groß wie eine Pille enthält MEDS eine winzige Kammer mit Bio-Tinte und einen Feder‑Kolben‑Mechanismus, der das Material herausdrückt. Ohne Bordelektronik wird die Freisetzung durch einen externen nahinfraroten Laserstrahl aktiviert, der Gewebe des Körpers sicher durchdringt. Während die Bio-Tinte austritt, wird die Kapsel präzise von einem externen Magneten gesteuert, der an einem Roboterarm montiert ist — ähnlich wie beim Steuern mit einem Joystick.

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In ihren Experimenten nutzte das EPFL-Team den Bioprinter, um künstliche Geschwüre unterschiedlicher Größe auf simuliertem Magengewebe zu reparieren und sogar eine simulierte Blutung abzudichten. In in-vivo-Experimenten, die in einer akkreditierten Tierversuchseinrichtung in den USA durchgeführt wurden, setzten die Forschenden ihr Gerät außerdem erfolgreich ein, um Bio-Tinte in den Magen-Trakt von Kaninchen zu deponieren. In diesen Experimenten verfolgte das Team die Bewegungen der Kapsel mittels Röntgenfluoroskopie und demonstrierte damit das Potenzial des Geräts — das mithilfe der Magnetführung oral wieder geborgen werden kann — für minimalinvasive Reparatur.

„In unseren kontrollierten Laborexperimenten behielt unsere zellbeladene Bio-Tinte über mehr als 16 Tage ihre strukturelle Integrität, was auf ihr Potenzial als ‚Mikro-Bioreaktor‘ hindeutet, der Wachstumsfaktoren freisetzen und neue Zellen zur Wundheilung anwerben kann“, sagt Doktorand Sanjay Manoharan.

Der Wissenschaftler merkt an, dass diese Ergebnisse zwar ermutigend sind, ihre Anwendbarkeit in vivo jedoch in zukünftigen Studien validiert werden muss. „Insgesamt stützen unsere Ergebnisse die grundlegende Rolle von MEDS in künftigen Bioprinting-Anwendungen. Als Nächstes planen wir, seine Fähigkeiten auf Blutgefäße und die Gewebe der Bauchwand (Peritoneum) auszuweiten.“

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