Biomedizin

Die künstliche Plazenta im Labor

Um wichtige Biomembranen besser zu verstehen, muss man zu neuen Methoden greifen: An der TU Wien stellte man mit 3-D-Druck-Verfahren eine künstliche Plazentabarriere auf einem Chip her.

Plazenta

Denise Mandt im Labor | TU Wien

Die Plazenta hat eine wichtige und hochkomplizierte Aufgabe: Sie muss dafür sorgen, dass zwischen der Mutter und ihrem ungeborenen Kind wichtige Substanzen ausgetauscht werden und gleichzeitig anderen Substanzen der Durchgang versperrt wird. Längst hat man noch nicht vollständig verstanden, wovon die Durchlässigkeit der Plazenta abhängt – schließlich ist es kaum möglich, ihre Funktion am Menschen direkt zu untersuchen.

3-D-Drucker

Bei der Weltmeisterschaft auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie hat ein Team aus Münchener Studierenden den ersten Platz in der Kategorie „Overgraduate“ belegen können. Das Team hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem intakte Gewebe mit Hilfe eines 3D-Druckers erzeugt werden.

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An der TU Wien stellte man daher nun ein künstliches Plazentamodell her, das dem natürlichen Vorbild sehr nahekommt: Mit speziell entwickelten lasergesteuerte 3-D-Druck-Verfahren kann man aus Hydrogelen hochpräzise Formen herstellen, die dann mit Plazentazellen besiedelt werden. Damit wird es nun möglich, wichtige Forschungsfragen zu klären, etwa über den Glukose-Austausch zwischen Mutter und Kind.

„Der Transport von Substanzen durch biologische Membranen spielt in verschiedenen Bereichen der Medizin eine wichtige Rolle“, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Etwa in der Blut-Hirn-Schranke, bei der Nahrungsaufnahme in Magen und Darm oder eben in der Plazenta.“

So gibt es zahlreiche Studien darüber, dass sich Krankheiten der Mutter wie etwa Diabetes auf das ungeborene Kind auswirken können. Auch Bluthochdruck kann den Stofftransport zum Fötus beeinflussen. Auf welche Weise in solchen Fällen aber die vielen beteiligten Parameter zusammenspielen, konnte bisher kaum untersucht werden.

Nachbildung von Organstrukturen auf kompakten Chips

An der TU Wien arbeitet man daher daran, Organstrukturen auf kompakten Chips nachzubilden, um so wichtige Aspekte ihrer Funktion unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. „Unser Chip besteht aus zwei Bereichen – eine repräsentiert den Fötus, der andere die Mutter“, erklärt Denise Mandt, die im Rahmen ihrer Diplomarbeit an dem Projekt arbeitete. „Dazwischen stellen wir in einem speziellen 3-D-Druck-Verfahren eine Trennwand her – die künstliche Plazentamembran.“

An solchen hochauflösenden 3-D-Druck-Verfahren arbeitet man an der TU Wien seit Jahren mit großem Erfolg: Man verwendet Materialien, die mithilfe von Laserstrahlen zum Aushärten gebracht werden können. So kann man Punkt für Punkt mit einer Auflösung im Mikrometerbereich die gewünschten 3-D-Strukturen herstellen. „In unserem Fall handelt es sich dabei um ein Hydrogel mit guter Bioverträglichkeit“, erklärt Aleksandr Ovsianikov. „Nach dem Vorbild der natürlichen Plazenta stellen wir eine Oberfläche mit kleinen, gewundenen Zotten her. Dort können sich dann Plazentazellen ansiedeln und eine Oberfläche erzeugen, die der natürlichen Plazenta sehr ähnlich ist.“

„Die Organ-on-a-Chip-Technologie ist ein revolutionärer Ansatz in der Biomedizin, der in den letzten Jahren großes Interesse in der klinischen Diagnostik, Biotechnologie und Pharmazie erzeugt hat“, sagt Prof. Peter Ertl, Leiter der Cell-Chip-Forschungsgruppe, die maßgeblich an dem Projekt beteiligt war. „Die Erzeugung von humanen Miniorganen am Chip soll dazu führen, dass patientenspezifische Therapieansätze entwickelt werden.

Wichtige Aspekte des Nährstofftransports von der Mutter zum Fötus

Am Chip können wichtige biologische Parameter wie Druck, Temperatur, Geometrie und Nährstoffversorgung der Miniorgane sowie die Zugabe von Medikamenten genau kontrolliert werden. So wird es möglich, Krankheitsverläufe und Heilungsraten genau zu beobachten.

In ersten Tests konnte bereits gezeigt werden, dass sich die künstliche Plazenta am Chip tatsächlich ähnlich wie eine natürliche Plazenta verhält: Kleine Moleküle werden durchgelassen, große werden aufgehalten. Nun soll das Modell verwendet werden, um gezielt wichtige Aspekte des Nährstofftransports von der Mutter zum Fötus zu untersuchen.

 

Originalpublikation

D. Mandt et al., Fabrication of placental barrier structures within a microfluidic device utilizing two-photon polymerization, International Journal of Bioprinting, 4,2 (2018).


Quelle: TU Wien, 13.08.2018