Haut aus dem 3-D-Drucker verschließt Wunden und enthält Vorläufer von Haarfollikeln

Fettgewebe könnte der Schlüssel zum 3-D-Druck von Haut und möglicherweise von Haarfollikeln sein. Davon geht ein Forschungsteam aus, das kürzlich Fettzellen und Stützstrukturen aus klinisch beschafftem menschlichem Gewebe nutzbar gemacht hat, um Verletzungen bei Ratten zu behandeln.

„Rekonstruktive chirurgische Eingriffe zur Korrektur von Verletzungen oder Krankheiten im Gesicht oder am Kopf sind in der Regel unvollkommen und führen zu Narbenbildung oder dauerhaftem Haarausfall“, sagte Ibrahim T. Ozbolat, Professor an der Penn State University, USA. „Mit dieser Arbeit demonstrieren wir, dass biologisch gedruckte, vollflächige Haut das Potenzial hat, bei Ratten Haare wachsen zu lassen. Das ist ein Schritt in Richtung einer natürlicheren und ästhetisch ansprechenderen Kopf- und Gesichtsrekonstruktion beim Menschen.“

Das Ergebnis: Mehrere Hautschichten

Während Forschende bisher dünne Hautschichten in 3-D gedruckt haben, gelang es Ozbolat und seinem Team nun, ein vollständiges, lebendes System aus mehreren Hautschichten, einschließlich der untersten Schicht oder Unterhaut, intraoperativ zu drucken. Das Gewebe kann während der Operation gedruckt werden, sodass dieser Ansatz zur sofortigen und nahtlosen Reparatur beschädigter Haut verwendet werden kann. Die Epidermis bildet sich mit Unterstützung der mittleren Schicht von selbst, sodass sie nicht gedruckt werden muss. Die Hypodermis, die aus Bindegewebe und Fett besteht, sorgt für Struktur und Halt über dem Schädel.

„Die Hypodermis ist direkt an dem Prozess beteiligt, bei dem Stammzellen zu Fett werden“, so Ozbolat. Dieser Prozess sei für mehrere lebenswichtige Vorgänge entscheidend, unter anderem für die Wundheilung. Sie spiele auch eine Rolle beim Zyklus der Haarfollikel, insbesondere bei der Förderung des Haarwachstums.

Matrix-Fibrinogen-Mischung als Biotinte

Die Forschenden begannen mit menschlichem Fettgewebe, das von Personen stammt, die sich im Penn State Health Milton S. Hershey Medical Center einer Operation unterzogen. Dino J. Ravnic, außerordentlicher Professor für Chirurgie in der Abteilung für plastische Chirurgie leitete sein Labor bei der Gewinnung des Fetts zur Extraktion der extrazellulären Matrix – des Netzwerks aus Molekülen und Proteinen, das dem Gewebe Struktur und Stabilität verleiht – um eine Komponente der Biotinte herzustellen.

Ravnics Team entnahm dem Fettgewebe außerdem Stammzellen, die in der richtigen Umgebung zu verschiedenen Zelltypen heranreifen können, um eine weitere Komponente der Biotinte herzustellen. Jede Komponente wurde in eine von drei Kammern des Bioprinters geladen. Das dritte Kompartiment wurde mit einer Gerinnungslösung gefüllt, die den anderen Komponenten hilft, sich richtig an die verletzte Stelle zu binden.

„Die drei Kammern ermöglichen es uns, die Matrix-Fibrinogen-Mischung zusammen mit den Stammzellen unter präziser Kontrolle zu drucken“, so Ozbolat. „Wir haben direkt in die verletzte Stelle gedruckt, mit dem Ziel, die Hypodermis zu bilden, die bei der Wundheilung, der Bildung von Haarfollikeln, der Temperaturregulierung und mehr hilft.“ Sie erreichten sowohl die Hypodermis als auch die Dermis, wobei sich die Epidermis innerhalb von zwei Wochen von selbst bildete.

„Wir haben drei Studien an Ratten durchgeführt, um die Rolle der Fettmatrix besser zu verstehen, und wir fanden heraus, dass die gemeinsame Zufuhr von Matrix und Stammzellen für die Bildung der Unterhaut entscheidend ist“, so Ozbolat. „Es funktioniert nicht nur mit den Zellen oder nur mit der Matrix – es muss alles gleichzeitig sein.“

Beginnende Haarfollikelbildung

Sie fanden auch heraus, dass die Hypodermis Strukturen enthielt, die das Anfangsstadium der frühen Haarfollikelbildung darstellen. Den Forschenden zufolge tragen Fettzellen zwar nicht direkt zur zellulären Struktur der Haarfollikel bei, sind aber an deren Regulierung und Erhaltung beteiligt.„In unseren Experimenten könnten die Fettzellen die extrazelluläre Matrix so verändert haben, dass sie die Bildung von Haarwurzeln stärker unterstützt“, so Ozbolat.

Die Forschenden arbeiten nun daran, dies zu verbessern, um die Haarfollikel mit kontrollierter Dichte, Richtung und Wachstum reifen zu lassen. „Wir glauben, dass dies in der Dermatologie, bei Haartransplantationen sowie in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie angewendet werden könnte – es könnte zu einem weitaus ästhetischeren Ergebnis führen“, so Ozbolat.