Echtzeitüberwachung des Metabolismus von Zellen, die in 3D-gedruckten Hydrogelen eingekapselt sind zur Entwicklung eines Leber-Sinusoidmodells

• Antragsteller: Dr. Ashwini Rahul Akkineni, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451443209

Extrusionsbasierte 3D-Bioprinting-Methoden wurden als am besten geeignet für das Bioengineering eines transplantierbaren Lebergewebes in Betracht gezogen. In den letzten Jahren wurden/werden viele Hydrogele zur Einkapselung und für das 3D-Bioprinting von leberspezifischen Zellen entwickelt. Diese Hydrogele werden routinemäßig hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften wie Viskosität, Steifheit und Extrudierbarkeit charakterisiert. Die Diffusion von Sauerstoff in den neu entwickelten Hydrogelen wird jedoch selten charakterisiert. Bei Hydrogelen, die für das Tissue Engineering von Leber entwickelt wurden, spielen die Sauerstoffdiffusionseigenschaften eine wichtige Rolle, da die die Sauerstoffverteilung entlang des Lebersinusoids sehr heterogen ist. Somit sollte ein für das Lebergewebe-Bioengineering eingesetztes Hydrogel das Erreichen einer heterogenen Sauerstoffverteilung unterstützen können.Ziel der vorgeschlagenen Arbeit ist die Herstellung von Leberlappenstrukturen mithilfe des 3D-Bioprintings, wobei der Schwerpunkt auf der Nachahmung der nativen Lebersinusoid-Mikroumgebung liegt. Dies gilt insbesondere für die Erzielung unterschiedlicher metabolischer Zonierungen der Leber, indem eine heterogene Sauerstoffverteilung entlang des Sinusoidlumens hergestellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine von uns entwickelte Echtzeit-Sauerstoffmessmethode systematisch eingesetzt, um neuartige/vorhandene Hydrogele hinsichtlich ihrer Diffusionseigenschaften von Sauerstoff zu entwickeln und zu charakterisieren. Geeignete Hydrogele werden dann verwendet, um leberspezifische Zellen (Hepatozyten von leberspezifischen Endothelzellen und Fibroblasten) einzukapseln und Lebersinusoidstrukturen durch Kern/Mantel-3D-Bioprintverfahren herzustellen. Das Lumen des 3D-Bioprinting-Lebersinusoid-Konstrukts wird mit einem Mikroperfusionssystem verbunden, um dynamische Kulturbedingungen herzustellen. Die Konstrukte werden dann unter Verwendung der Echtzeit-Sauerstoffüberwachungsmethode bezüglich ihrer Sauerstoffverbrauchsrate analysiert. Gleichzeitig werden leberspezifische Zellmarker wie Cytokeratin 19 (CK19), Alpha-1-Antitrypsin (AAT) und Multi-Drug-Resistance-Protein (MRP)-Expression sowie die Albuminsekretion durch ELISA und immunhistochemische Methoden untersucht. Auf diese Weise werden Informationen über die Lebensfähigkeit der Zellen und die phänotypische Aktivität in Bezug auf den Sauerstoffverbrauch und die Sauerstoffverteilung in 3D-gedruckten Lebersinusoidkonstrukten bereitgestellt. Das etablierte Lebersinusoid-Modell wird verwendet, um die Reaktion auf lebertoxische Medikamente zu bewerten. Die vorgeschlagenen Untersuchungen sollen dazu beitragen ein In vitro-Leber-Sinusoidmodell zu etablieren, und den Weg für die Herstellung eines funktionsfähigen, transplantierbaren Lebergewebes ebnen. Das Modell könnte auch in Arzneimittelentwicklungsprozessen eingesetzt werden, indem die Toxizität neuer Arzneimittel bewertet und so Tierversuche eingespart werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen