Ein Forschungsteam der Pusan National University unter der Leitung von Professor Byoung Soo Kim und in Zusammenarbeit mit Professor Dong-Woo Cho von der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) hat ein innovatives 3D-bioprinted In-vitro-Modell stenotischer Gehirnblutgefäße entwickelt. Dieses Modell revolutioniert die Erforschung zerebrovaskulärer Erkrankungen wie Atherosklerose und Schlaganfall, indem es die komplexen pathologischen Strömungsbedingungen im Labor nachbildet. Die Studie wurde am 24. Juni 2025 online im Journal Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Herausforderungen in der Erforschung zerebrovaskulärer Erkrankungen
Zerebrovaskuläre Erkrankungen, darunter Atherosklerose und Schlaganfall, gehören weltweit zu den führenden Gesundheitsproblemen. Eine zentrale Eigenschaft dieser Krankheiten ist die Gefäßstenose – die Verengung von Blutgefäßen –, die den normalen Blutfluss stört und chronische Entzündungen in den Gefäßwänden auslöst. Endothelzellen, die die Blutgefäße auskleiden, reagieren auf gestörte Strömungsbedingungen, indem sie entzündungsfördernde Moleküle exprimieren. Die Untersuchung dieses Phänomens in vivo ist jedoch aufgrund der Komplexität lebender Systeme schwierig. Herkömmliche In-vitro-Modelle können die strukturelle, mechanische und biologische Komplexität menschlicher Gehirngefäße oft nicht ausreichend nachbilden, was die Notwendigkeit physiologisch relevanter Modelle unterstreicht.
Innovation durch 3D-Bioprinting
Das Forschungsteam nutzte eine neuartige koaxiale Bioprinting-Technik, um durchflussfähige Gefäßkanäle mit kontrollierter luminaler Verengung herzustellen. „Unser Bioink, bestehend aus einer Mischung aus dezellularisierter extrazellulärer Matrix der Schweineaorta, Kollagen und Alginat, bietet sowohl mechanische Stabilität als auch biologische Signale zur Unterstützung der Endothelzellen“, erklärt Prof. Kim. Die bioprinteten Gefäße wurden mit menschlichen Endothelzellen, einschließlich solcher aus Nabelvenen und Gehirnmikrogefäßen, bestückt und Strömungsbedingungen ausgesetzt, die normale und stenotische Blutgefäße simulieren.
Das Modell replizierte erfolgreich die in vivo-Blutflussbedingungen und die Geometrien stenotischer Gefäße. Simulationen der Strömungsdynamik und Experimente mit Tracerpartikeln bestätigten, dass stenotische Bereiche gestörte Strömungsmuster erzeugen, die für atherosklerotische Gefäße typisch sind. Die endothelialisierten Gefäße zeigten eine durchgehende Bedeckung, exprimierten wichtige Zellverbindungsproteine wie CD31, VE-Cadherin und ZO-1 und wiesen eine selektive Barrierefunktion auf. Besonders bemerkenswert: Gestörte Strömungsbedingungen führten zu einer signifikanten Hochregulation entzündlicher Marker, während die Gefäße weiterhin Merkmale einer ausgereiften endothelialen Barriere beibehielten.
Bedeutung und Zukunftsperspektiven
„Diese 3D-Bioprinting-Technologie markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Modellierung zerebrovaskulärer Erkrankungen“, betont Prof. Kim. Das Modell ermöglicht die Nachbildung anatomisch genauer Gefäße mit realistischen Strömungsdynamiken und bietet eine Plattform zur Untersuchung von strömungsinduzierter endothelialer Entzündung. Es ist mit verschiedenen Endothelzelltypen kompatibel und hat das Potenzial, die Forschung im Bereich personalisierter Medizin und Wirkstofftests zu revolutionieren, indem es die Abhängigkeit von Tierversuchen reduziert.
Zukünftige Verbesserungen könnten die Integration hirnspezifischer extrazellulärer Matrix, die Kokultur von vaskulären Stützenden und die Verwendung patientenspezifischer Zellen umfassen, um die physiologische Genauigkeit weiter zu erhöhen. Die Kombination mit Organ-on-a-Chip-Plattformen und KI-gestützter Analyse könnte Echtzeitüberwachung von endothelialen Reaktionen auf Therapien ermöglichen.
Fazit
Die Studie stellt eine robuste Plattform für das zerebrovaskuläre Tissue Engineering vor, die das Potenzial hat, die Erforschung und Behandlung von Krankheiten wie Schlaganfall und Atherosklerose zu transformieren. Mit der Weiterentwicklung der Bioprinting-Technologien könnten solche Modelle die therapeutische Entwicklung und personalisierte Interventionen beschleunigen.
Referenz:
Titel: „Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-Induced Endothelial Responses“
Journal: Advanced Functional Materials
DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276
Über Pusan National University:
Website: https://www.pusan.ac.kr/eng/Main.do
Quelle: Pusan National University
