Mit Origami zum Herzmodell – Im Nano-Argovia-Projekt KOKORO nutzen Wissenschaftler nanostrukturierte Cellulose als Zellkultur-Gerüst

 

Im Nano-Argovia-Projekt KOKORO (japanisch: Herz) entwickelt ein Team mit Forschenden der Hochschule für Life Sciences der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), das Departement für Biomedizin der Universität Basel (DBM) und Omya International AG ein neuartiges, dreidimensionales Herzmodell.

Im Nano-Argovia-Projekt KOKORO entwickelt das interdisziplinäre Projekteam ein neuartiges dreidimensionales Herzmodell. Es wird dazu ein Cellulose-Papier entwickelt, das aufgrund seiner Nanostruktur als ideales Gerüst für Herzmuskelzellen dienen soll (Bild: M. Gullo, FHNW)

Cellulose als Grundlage
Das Team um Dr. Joachim Schoelkopf (Omya) entwickelt dazu ein geeignetes Cellulose-Papier, das aufgrund seiner Nanostrukturen als ideales Gerüst für biologische Zellen dienen soll. 

Mittels eines 3D-Biodruckprozesses bringt die For-schungsgruppe um Dr. Maurizio Gullo und Dr. Joachim Köser (beide FHNW) dünne Schichten von Herzmuskelzellen auf die unterschiedlichen Celluloselagen auf. Die Forschungsgruppe um Dr. Andrea Banfi (DBM) entwickelt ein Netzwerk aus Gefässzel- len, das eine optimale Durchblutung des Herzgewebes gewährleistet. 

Die entstandenen Gewebelagen werden dann ähnlich wie bei Origami gefaltet, sodass ein miniaturisiertes künstliches Herzmodel entsteht. Das Herzmodel wird in einem von der Forschungsgruppe um Dr. Anna Marsano (DBM) eigens entwickelten Bioreaktor gezüchtet und gleichzeitig mechanisch so wie elektrisch stimuliert. Solche physiologischen Reize sind ähnlich denen in nativem Herzgewebe und helfen eine optimale Gewebereifung zu erlangen. In der Folge werden die Herzmodelle genauestens charakterisiert und physiologisch untersucht.

Ideal um Therapien zu testen
Anhand des Modells will das interdisziplinäre Forscherteam unter der Führung von Projektleiter Maurizio Gullo verschiedene Parameter des Gewebes wie auch Kontraktionskraft Volumenveränderungen und Funktionalität des «Papierherzens» untersuchen. Therapieansätze, um Herzinfarkte und andere Herzerkrankungen zu behandeln, liessen sich idealerweise an einem solchen künstlichen Herzmodell testen. Die durch das Projekt erlangten Erkenntnisse werden in Zukunft sicherlich auch als Grundlage zur Entwicklung von Gewebe-Patches für die Regenerierung von beschädigtem Herzgewebe dienen.

Geeignetes Gerüst
«Die Falttechnik ist ein eleganter Weg, um die Komplexität des 3D-Biodruckens zu reduzieren und die Herstellung in grösseren Stückzahlen zu ermöglichen. Inspiriert von Origami unterstützt hierbei das auf Cellulose basierte Zellkultur-Gerüst die Herstellung der 3D-Herzmodelle», erklärt Dr. Maurizio Gullo.

«Auf Cellulose basierende Fasernetzwerke werden mehr und mehr als Gerüst für Zellkulturen verwendet. Durch eine geschickte Auswahl der Faserdimensionen und deren räumlicher Anordnung lässt sich der Aufbau von künstlichen Geweben unterstützen.»

Dr. Joachim Schoelkopf, Leiter der Grundlagenforschung bei Omya International AG (Oftringen, AG)