Die Optimierung von Gelatine-Hydrogelen für das volumetrische 3D-Bioprinting

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation leiden über 74 Millionen Menschen in Europa an Diabetes, was die Krankheit zu einer der häufigsten chronischen Erkrankungen auf dem Kontinent macht. Um die Krankheit zu bekämpfen und die Entwicklung innovativer Diabetesbehandlungen voranzutreiben, schloss sich 2021 eine multidisziplinäre Gruppe im Rahmen des ENLIGHT-Projekts zusammen. Ziel dieses Projekts, das in diesem Frühjahr abgeschlossen wird, ist der 3D-Bioprint eines lebenden Modells der Bauchspeicheldrüse – mit anderen Worten ein Organ auf einem Chip -, mit dem Pharmaunternehmen Diabetesmedikamente besser testen können. Außerdem kann ein funktionsfähiges 3D-Bioprint-Gewebe die Entdeckung von Medikamenten beschleunigen und die Kosten für die Arzneimittelentwicklung und die Gesundheitsfürsorge senken, was erhebliche Auswirkungen haben könnte, da die steigenden Kosten für die Arzneimittelentwicklung einer der Hauptgründe für den derzeitigen starken Anstieg der Kosten im Gesundheitswesen sind. In fernerer Zukunft könnte die Arbeit von ENLIGHT auch zum Bioprinting von Organersatz führen, der in der Lage ist, Insulin direkt im Körper zu produzieren.

Zu den Partnern, die das ENLIGHT-Projekt anführen, gehören das UMC Utrecht, die École Polytechnique Fédérale de Lausanne, die ETH Zürich, die Universität Neapel Federico II, AstraZeneca, die Fondazione Giannino Bassetti, das Bioprinting-Unternehmen Readily 3D und der Gelatine-Spezialist Rousselot. Wir hatten kürzlich die Gelegenheit, mit Jos Olijve, dem leitenden Projektmanager von Rousselot, zu sprechen, der uns über die Errungenschaften des ENLIGHT-Projekts und darüber informierte, dass der Beitrag von Rousselot zu diesem Projekt weitreichende Auswirkungen auf die Biomedizin und den Bioprinting-Bereich haben könnte.

Technologien treffen aufeinander

„ENLIGHT ist ein multidisziplinäres Projekt, das Biomaterialien und eine spezielle Technologie namens volumetrisches Bioprinting umfasst“, erklärt Jos Olijve. „Ziel ist es, mithilfe dieser Technologien ein Konstrukt herzustellen, das Zellen für eine funktionelle Bauchspeicheldrüse enthält. Dieses biologisch gedruckte Bauchspeicheldrüsengewebe könnte dann verwendet werden, um die Arzneimittelentwicklung zu verbessern und zu beschleunigen, um Tierversuche überflüssig zu machen, und wenn es im Körper funktioniert, könnte die biologisch gedruckte Bauchspeicheldrüse auch als Zelltherapieprodukt für die Insulinproduktion im Körper verwendet werden. Das Hauptziel des Projekts ist jedoch die Herstellung eines Organ-on-a-Chip-Systems für Arzneimitteltests, mit dem Pharmaunternehmen ihre Medikamente testen können“.

Das volumetrische Bioprinting hat bei dem innovativen biomedizinischen Projekt eine zentrale Rolle gespielt, da es Lösungen für die Herausforderungen bietet, die mit konventionelleren Bioprinting-Technologien auf Basis von Dispensing oder Extrusion verbunden sind. Die volumetrische Bioprinting-Technologie, die in ENLIGHT zum Einsatz kommt, stammt von Readily 3D, einem Schweizer Unternehmen, das ein tomographisches Bioprinting-Verfahren entwickelt hat, mit dem zentimetergroße Strukturen in nur wenigen Sekunden durch Belichtung eines dreidimensionalen Lichtbildes in einem Bottich mit lichtempfindlichem Hydrogel erzeugt werden. Die Geschwindigkeit der Technologie ist für die ENLIGHT-Mission von entscheidender Bedeutung, da sie die Vernetzung des Matrixmaterials (Hydrogel) ermöglicht, ohne dass die darin befindlichen Zellen Scherkräfte und Spannungen ausgesetzt werden. Dadurch haben die Zellen eine höhere Chance, lebensfähig zu bleiben und ihre Reproduktionsfähigkeit zu erhalten.

Die volumetrische Bioprinting-Technologie selbst ist jedoch nur ein Teil der Gleichung. Rousselot hat eine wichtige Rolle auf der Materialseite gespielt und ein GelMA-Hydrogel entwickelt, das sowohl organisches Pankreasgewebe nachahmt als auch mit dem volumetrischen 3D-Bioprinting-Verfahren verwendet werden kann.

Wie Olijve erklärt: „Bei dem verwendeten Biomaterial handelt es sich um eine mit Methacrylamid modifizierte Gelatine, GelMA. Nach Zugabe eines Photoinitiators kann das Material einer bestimmten Wellenlänge des Lichts ausgesetzt werden, wodurch ein photoreaktiver Effekt entsteht, der die Gelatine vernetzt und sie bei Temperaturen von 37 °C stabil macht, was für das Tissue-Engineering, Organ-on-a-Chip-Arzneimitteltests und für Anwendungen im Körper nützlich ist.“

Gelatine wird aus Kollagen gewonnen und hat sich als wichtiges Material für 3D-Bioprinting- und Tissue-Engineering-Anwendungen erwiesen. Im Körper ist Kollagen ein wesentlicher Bestandteil der extrazellulären Matrix, der für Struktur sorgt, die Zelladhäsion und Regenerationsprozesse unterstützt und das Zellschicksal steuert. Gelatine, die aus der Hydrolyse von Kollagen gewonnen wird, ist ein Biomaterial, das als Hydrogel biologisch gedruckt werden kann, um eine lebensfähige Struktur für das Überleben und Wachstum von Zellen außerhalb des Körpers zu schaffen. GelMA seinerseits hat sich als besonders vorteilhaft für Bioprinting-Anwendungen erwiesen, da die Hinzufügung einer Methacrylatgruppe zu einer Fotovernetzung führt, die eine Struktur auf Gelatinebasis schafft, die bei Körpertemperatur stabil bleibt.

Rousselot hat mit der Entwicklung der ersten GelMA-Gelatine, die unter GMP-Bedingungen hergestellt wird, einen neuen Standard in diesem Segment gesetzt. Das bedeutet, dass sie eine gleichbleibende Qualität von Charge zu Charge, einen extrem niedrigen Verunreinigungsgrad und einstellbare mechanische Eigenschaften bietet. Im Rahmen von ENLIGHT waren das Know-how und die hochwertigen Gelatineprodukte von Rousselot von entscheidender Bedeutung.

Abstimmen der GelMA-Eigenschaften

„Unsere Hauptaufgabe in ENLIGHT bestand darin, ein 3D-Hydrogel-Kultursystem für Pankreaszellen zu etablieren, das das native extrazelluläre Milieu der Bauchspeicheldrüse nachahmt“, sagt Olijve. „Es war wichtig und hat sich bestätigt, dass die entwickelten GelMA-Hydrogele eine hohe Zellvitalität aufweisen und eine hohe Auflösung für das volumetrische Bioprinting erzeugen. Wir variierten das Molekulargewicht, den Grad der MA-Modifikation und die Gelatinekonzentration in den Harzformulierungen, um eine GelMA-Hydrogelmatrix zu erhalten. Die Matrix kann verwendet werden, um die besten GelMA- und Formulierungsbedingungen auszuwählen, nicht nur um die erforderlichen mechanischen und strukturellen Hydrogeleigenschaften der Enlight-Pankreas zu erhalten, sondern auch um die besten GelMA- und Formulierungsbedingungen auszuwählen, um andere Gewebehydrogelkonstrukte herzustellen.“

Mit anderen Worten: Rousselot konnte die Eigenschaften des Biomaterials, wie Molekulargewicht und Konzentration, variieren, um die mechanischen Eigenschaften der Gelatine auf die Bauchspeicheldrüse abzustimmen. Dazu wurde eine Schweinebauchspeicheldrüse getestet und dann die Eigenschaften mit denen eines modifizierten GelMA abgeglichen. „Wir haben die Festigkeit des Schweinebauchspeicheldrüsengewebes gemessen und dann herausgefunden, welche Konzentration und welches Molekulargewicht für die GelMA am besten geeignet ist.

Am Ende hat Rousselot nicht nur ein geeignetes Gelatinematerial für die Bioprinting-Anwendung der Bauchspeicheldrüse entwickelt, sondern auch eine Matrix aus verschiedenen Gelatinen, die das Bioprinting verschiedener Gewebetypen ermöglicht. „Unser Ziel war es, nicht nur für die Bauchspeicheldrüse zu suchen, sondern auch eine Art Werkzeugkasten für Kunden zu schaffen, wenn sie eine bestimmte Anforderung an die mechanischen Eigenschaften haben.“

„Ein wichtiger Grund für den Aufbau der Matrix oder des Werkzeugkastens ist die Tatsache, dass das Zellschicksal durch das Zusammenspiel von chemisch-mechanischen Signalen aus der ECM und verschiedenen Zelltypen bestimmt wird“, fügt er hinzu. „Die lokale Verfügbarkeit dieser Signale wird durch die Form und Geometrie des Gewebes bestimmt. Die Erfassung dieser komplizierten Form-Funktions-Beziehung ist der größte Engpass im Bereich des Bioprinting. Mit anderen Worten: Die abstimmbare Rousselot GelMA-Matrix kann diesen Engpass beseitigen und die Entwicklung von Bioprinting und Tissue Engineering stimulieren und verbessern.“

ENLIGHT und darüber hinaus

Seit dem Start im Jahr 2021, der mit fast vier Millionen Euro aus dem Europäischen Innovationsfonds Horizont 2020 unterstützt wurde, hat das ENLIGHT-Projekt große Fortschritte gemacht. Bislang ist es den Partnern gelungen, ein Organ-on-a-Chip-System zu entwickeln, das nun von einem Pharmaunternehmen für Medikamententests evaluiert wird. Neben diesen In-vitro-Tests wird auch eine In-vivo-Studie durchgeführt, um den potenziellen therapeutischen Einsatz des bioprinted Konstrukts in der Diabetesbehandlung zu untersuchen. In einem ersten Schritt, so Olijve, wird das zellhaltige Gelatine-Hydrogel in Mäuse implantiert, um zu testen, ob es stabil und funktionell ist. Ziel dieser In-vivo-Untersuchung ist es, herauszufinden, ob das bioprinted Gewebe funktionsfähig und stabil ist und in einem Körper Insulin produzieren kann.

Neben ENLIGHT, das im April 2025 abgeschlossen sein wird, ist Rousselot an einer Reihe weiterer Projekte beteiligt. Wie Olijve berichtet, arbeitet das Unternehmen eng mit der Universität Utrecht in den Niederlanden an anderen volumetrischen 3D-Bioprinting-Anwendungen, wie der Entwicklung organoider Systeme. „In diesem Zusammenhang untersuchen wir auch die spezifischen Anforderungen an die Gelatine in Bezug auf die Vernetzung und die Anpassungsfähigkeit der Zellen“, fügt er hinzu. „Wir sehen uns an, was auf dem 3D-Bioprinting-Markt benötigt wird und wie wir unsere Gelatine für diese Anforderungen entwickeln und optimieren können.“

Am Horizont sieht Rousselot mehr und mehr aktuelle Forschungsprojekte, die in klinische Studien übergehen. „Eine Gruppe aus Stanford unter der Leitung von Prof. Mark A. Skylar-Scott beispielsweise druckt derzeit Herzpflaster und Herzklappen im Bioprint-Verfahren, die Patienten eingesetzt werden können. Dies geht über Forschung und Entwicklung hinaus, und in naher Zukunft werden diese und andere Anwendungen in die klinische Erprobung gehen“, fügt Olijve hinzu. „Aus unserer Sicht ist es wichtig, eine Gelatine anbieten zu können, die diese klinischen Anwendungen unterstützt.“

Mit Blick auf die Zukunft hat Rousselot eine Reihe von Patenten angemeldet und (zusammen mit der Universität Utrecht) wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht, die sich unter anderem mit der Abstimmbarkeit seiner modifizierten Gelatine auf die Anforderungen verschiedener Gewebe und Zellen befassen. Bemerkenswert ist auch die Tatsache, dass das ENLIGHT-Projekt und Rousselots GelMA auf dem Innovationsradar der Europäischen Kommission aufgeführt und als „technologiefähig“ eingestuft wurden. „Für uns ist es wichtig, dass die EU anerkennt, dass unsere Gelatine eine sehr wichtige Innovation ist“, schließt Olijve. Diese Anerkennung ist nicht nur eine Bestätigung, sondern könnte auch wichtige Auswirkungen auf die Zukunft des ENLIGHT-Projekts und der Gelatineprodukte von Rousselot haben, indem sie Finanzierungsmöglichkeiten schafft, die Voraussetzungen für ein erfolgreiches Unternehmen schafft und Lösungen zur Verbesserung der medizinischen Entwicklung und Anwendungen für Patienten bietet.