Einzelzellen im Fadenkreuz
Ultrakurze Laserpulse ermöglichen hochpräzise Form des Bio-Printings.
Mit ultrakurzen Laserpulsen erzeugen Forscher der Hochschule München jetzt erstmals Explosionen, die einzelne lebende Zellen in die Höhe schleudern und gezielt auf einen Objektträger drucken. Mit dieser hochpräzisen Form des Bio-Printings lasse sich künftig Gewebe aus körpereigenen Zellen in bisher unerreichter Qualität herstellen, so die Wissenschaftler.
Bislang ist der 3D-Druck lebender Zellen Handarbeit: Mit Hilfe eines Fluoreszenz-Mikroskops sucht der Physiker Jun Zhang von der Hochschule München aus hunderten von Zellen, die sich in einer mit Flüssigkeit gefüllten Petrischale befinden, ein vitales Exemplar aus. Auf dem Monitor positioniert er diese Zelle genau unter dem Fadenkreuz und löst dann mit einem Mausklick den Druckvorgang aus. Der Lichtpuls eines Femtosekundenlasers erzeugt nur tausendstel Millimeter unter der Zelle eine winzige Plasmablase, die kurz darauf explodiert und die Zelle mit nach oben reißt.
Zeitlupenaufnahmen zeigen, wie sie an der Spitze des Jets mit einer Geschwindigkeit von fünfzig Kilometern pro Stunde in die Höhe schießt. Zehn Sekunden braucht Zhang, um eine Zelle punktgenau auf einen mit Gel beschichteten Objektträger zu transferieren. Das Prinzip ist dasselbe wie beim 3D-Druck: Punkt für Punkt und Schicht für Schicht wird Material aufgetragen. Nur dass hier nicht Bauteile aus Kunststoff oder Metall, sondern Sehnen-, Leber oder Herzgewebe entstehen.
Neu ist die Präzision des Druckprozesses. Keiner anderen Forschergruppe ist es bisher gelungen, einzelne Zellen mit einem Laser auf wenige Mikrometer genau zu positionieren, ohne ihre biologische Funktionsfähigkeit zu beeinflussen. Die gängigen Inkjet-Bioprinter arbeiten mit Spritzdüsen, in denen die Zellen einer hohen Reibung ausgesetzt sind, die sie schädigt. Laserdrucker, die mit Nanosekundendenlasern arbeiten, benötigen eine metallische Absorberschicht, die häufig zu Verunreinigungen führt, oder verwenden UV-Strahlung, die bei vielen Zellen das Erbgut schädigt.
Dem Team an der Hochschule München ist es gelungen, diese Probleme zu umgehen, indem zwei Technologien kombiniert wurden: Dank Fluoreszenz-Mikroskopie lassen sich Zellen vorselektieren – tote Zellen erscheinen rot, weil sie, im Gegensatz zu lebenden Zellen, keine intakte Zellmembranen mehr besitzen, die ein Eindringen des Farbstoffs verhindern. Und der Femtosekundenlaser sorgt dafür, dass die Zellen beim Drucken keinen Schaden nehmen. Die ultrakurzen Lichtpulse im infraroten Spektralbereich des Lichts beeinflussen weder die Organismen noch deren Erbgut. „Mit unserem Verfahren erreichen wir Überlebensraten der Zellen von 93 bis 99 Prozent“, berichtet Zhang.
Mehrere Jahre hat er an den Details getüftelt. „Die Herausforderung der Technologieentwicklung lag darin, genau die richtigen Parameter zu finden“, so der Physiker. Es galt, die notwendige Laser-Energie sowie die Position und Größe der Blase zu ermitteln, die optimale Geschwindigkeit des Jets zu finden und den Abstand zum Objektträger, auf dem die Zelle landen soll. Das Ergebnis ist mehr als zufriedenstellend. „Mit der neuen Technik können wir jetzt mit hoher Genauigkeit Gewebe beispielsweise auf Zellchips aufdrucken, mit denen Mediziner und Pharmaunternehmen Krankheiten und Wirkstoffe erforschen können“, erklärt Heinz Huber vom Laser-Zentrum der Hochschule München.
Das nächste Ziel ist die Automatisierung. Um Zellchips für Anwender in Industrie und Forschung herstellen zu können, müssen Auswahl- und Druckprozess erheblich schneller werden. Das Team will jetzt zusammen mit zwei Münchner Unternehmen eine computergesteuerte Anlage entwickeln, die bis zu hundert Millionen Zellen pro Sekunde identifizieren, transferieren und zu zwei- oder dreidimensionalen Strukturen zusammenfügen kann.
Die Forschung geht derweil weiter. Zhang experimentiert gerade mit Sehnenzellen. Werden diese in Abständen von weniger als hundert Tausendstel Millimetern aufgedruckt, verbinden sie sich innerhalb weniger Stunden zu langgestreckten Strukturen, die typisch sind für Sehnen. Damit ist ein erster Schritt getan in Richtung „Tissue-Engineering“, der Herstellung von Gewebeersatzmaterial für Implantate aus körpereigenen Zellen. Die Voraussetzung dafür ist, dass nicht nur die Zellen selbst, sondern auch ihre Umgebung, die extrazellulären Matrix, den natürlichen Bedingungen im Körper entsprechen, erklärt Huber: „Mit unserer Technik lassen sich auch diese genau definierten Zell-Nachbarschaften herstellen, um dann deren Einfluss auf das Gewebe genauer zu untersuchen.“
HS München / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
J. Zhang et al.: Single Cell Bioprinting with Ultrashort Laser Pulses, Adv. Funct. Mat., online 26. März 2021; DOI: 10.1002/adfm.202100066 - Laser-Zentrum (H. Huber), Hochschule München
