Wissenschaftler haben zum allerersten Mal eine menschliche Hornhaut mithilfe der 3D-Drucktechnik biotechnologisch hergestellt, die Hornhauttransplantationen einen Schub geben kann.
Hornhaut ist die transparente kuppelförmige äußerste Schicht des Auges. Die Hornhaut ist die erste Linse, durch die Licht hindurchtritt, bevor es auf die Netzhaut im Augenhintergrund trifft. Die Hornhaut spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Fokussierung des Sehens, indem sie brechendes Licht durchlässt. Es bietet auch Schutz für unser Auge und jede Beschädigung oder Verletzung kann zu schweren Sehstörungen und sogar zur Erblindung führen. Laut WHO benötigen weltweit etwa 10 Millionen Menschen eine Operation, um eine Hornhautblindheit zu verhindern, die durch eine Krankheit wie Trachom oder eine Augenerkrankung verursacht wird. Fünf Millionen Menschen leiden an völliger Blindheit, die durch Vernarbungen der Hornhaut aufgrund von Verbrennungen, Abschürfungen oder anderen Erkrankungen verursacht wird. Die einzige Behandlung einer geschädigten Hornhaut besteht darin, a Hornhauttransplantation, jedoch übersteigt die Nachfrage das Angebot an Hornhauttransplantationen. Außerdem sind mit Hornhauttransplantationen viele Risiken/Komplikationen verbunden, darunter Augeninfektionen, die Verwendung von Nähten usw. Das bedeutendste und schwerwiegendste Problem besteht darin, dass manchmal das Spendergewebe (der Hornhaut) nach der Transplantation abgestoßen wird. Dies ist eine prekäre Situation und kommt, obwohl selten, bei 5 bis 30 Prozent der Patienten vor.
Erste 3D-gedruckte menschliche Hornhaut
In einer Studie, die in Experimentelle Augenforschung, Wissenschaftler der Newcastle University, Großbritannien, haben zur Zeit die dreidimensionale (3D) Drucktechnik verwendet, um Hornhaut für das menschliche Auge herzustellen oder zu "herstellen", und dies könnte ein Segen für die Hornhauttransplantation sein. Mit der etablierten 3D-Biodrucktechnologie verwendeten die Forscher Stammzellen (von menschliche Hornhaut) von einer gesunden Spenderhornhaut und vermischten sie mit Alginat und Kollagen, um eine druckbare Lösung herzustellen. Diese Lösung namens Bio-Tinte ist die wichtigste Voraussetzung für den 3D-Druck. Bioprinting ist eine Erweiterung des traditionellen 3D-Drucks, wird jedoch auf biologisch lebende Materialien angewendet, weshalb stattdessen eine Biotinte verwendet werden muss, die aus „lebenden Zellstrukturen“ besteht. Ihr einzigartiges Gel – bestehend aus Alginat und Kollagen – ist in der Lage, Stammzellen am Leben zu erhalten und gleichzeitig ein Material zu produzieren, das fest genug ist, um in Form zu bleiben, aber dennoch weich ist, um aus einem 3D-Drucker herausgedrückt zu werden. Die Forscher verwendeten einen einfachen, kostengünstigen 3D-Biodrucker, in dem die von ihnen hergestellte Biotinte erfolgreich in konzentrischen Kreisen angeordnet wurde, um die Kuppelform eines künstliche Hornhaut. Die charakteristische „gekrümmte Form“ der Hornhaut wurde erreicht, was diese Studie zu einem Erfolg macht. Dieser Druckvorgang dauerte weniger als 10 Minuten. Es wurde dann beobachtet, wie die Stammzellen wuchsen.
Seit die Popularität des 3D-Biodrucks zugenommen hat, suchen Forscher nach der am besten geeigneten idealen Bio-Tinte für die praktikable und effiziente Herstellung von Hornhaut. Diese Gruppe an der Newcastle University hat die Führung übernommen und erreicht. Dieselbe Gruppe von Forschern hat zuvor gezeigt, dass sie Zellen mehrere Wochen lang bei Raumtemperatur in einem einfachen Gel aus Alginat und Kollagen am Leben erhalten hat. Mit dieser Studie konnten sie diese nutzbare Hornhaut übertragen, wobei die Zellen eine Woche lang zu 83 Prozent lebensfähig blieben. Gewebe könnten also ohne Bedenken gedruckt werden, ob sie wachsen oder nicht (dh am Leben bleiben), da beides im selben Medium erreichbar ist.
Patientenspezifische Hornhaut herstellen
Forscher haben in dieser Studie auch gezeigt, dass die Hornhaut so gebaut werden könnte, dass sie den individuellen Anforderungen jedes Patienten entspricht. Zuerst wird das Auge des Patienten gescannt, wodurch Daten generiert werden, um die „Druckhornhaut“ genau an die erforderliche Form und Größe anzupassen. Die Abmessungen werden von der eigentlichen Hornhaut selbst übernommen, was den Druck dann sehr genau und machbar macht. Die 3D-Drucktechnologie wurde in der Produktion getestet künstlich Herz und einige andere Gewebe. In der Vergangenheit wurden flache Gewebe hergestellt, aber nach Ansicht der Autoren wurden dies zum ersten Mal "geformte" Hornhäute hergestellt. Obwohl diese Methode immer noch eine gesunde Spenderhornhaut erfordert, werden Stammzellen erfolgreich verwendet, um in der künstlichen Hornhaut zu mehr Zellen zu wachsen. Eine gesunde Hornhaut wird eine beschädigte nicht „ersetzen“, aber wir könnten genug Zellen aus einer gespendeten Hornhaut züchten, um 50 künstliche Hornhäute zu drucken. Dies wird ein viel vorteilhafteres Szenario sein, als nur eine einzelne Transplantation durchzuführen.
Future
Diese Studie befindet sich noch in einem Vorstadium und 3D-gedruckte Hornhäute müssen weiter evaluiert werden. Forscher geben an, dass ihre Arbeit mehrere Jahre dauern wird, bis eine solche künstliche Hornhaut für Transplantationen verwendet werden kann, da noch Tier- und Humanversuche durchgeführt werden müssen. Es muss auch geprüft werden, ob dieses Material funktionsfähig ist und es ist viel Feintuning erforderlich. Die Forscher sind zuversichtlich, dass diese künstlichen Hornhäute innerhalb der nächsten 5 Jahre für den praktischen Einsatz verfügbar sein werden. Die Verfügbarkeit der 3D-Drucktechnologie ist jetzt kein Problem, da sie kostengünstig geworden ist und sich der Biodruck gut entwickelt und in einigen Jahren möglicherweise Standardverfahren verfügbar sein werden. Der Fokus wird nun verstärkt auf die Verwendung von Stammzellen zum Wiederaufbau oder Ersatz von beschädigtem Gewebe gerichtet, während der Druckaspekt des Verfahrens größtenteils rationalisiert wird.
Diese Studie ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer Lösung, die uns weltweit eine unbegrenzte Versorgung mit Hornhaut für die Transplantation ermöglichen kann. Darüber hinaus denken Forscher eines italienischen Unternehmens über die Entwicklung von „3D-gedruckten Augen“ nach, die auf ähnliche Weise konstruiert werden könnten, indem potenzielle Biotinte verwendet wird, die die offensichtlichen Zellen umfasst, die erforderlich sind, um diejenigen zu ersetzen, die in einem natürlichen Augenpaar gefunden werden . Die Biotinten können je nach spezifischer Anforderung in unterschiedlichen Kombinationen variiert werden. Sie streben an, diese „künstlichen Augen“ bis 2027 auf dem Markt zu haben. Die Studie hat die fortschrittlichste Form der künstlichen Hornhaut hergestellt und das Bioprinting als potenzielle Lösung für Organ- und Gewebemangel hervorgehoben.
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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}
Quelle (n)
Isaacson A et al. 2018. 3D-Biodruck eines kornealen Stroma-Äquivalents. Experimentelle Augenforschung.
https://doi.org/10.1016/j.exer.2018.05.010
