Blutgefäßwachstum im künstlichen Gewebemodell

Aus einem Ursprungsblutgefäß (senkrecht links im Bild) bilden Endothelzellen (pinke Zellkerne) in einem künstlichen Hydrogel neue Blutgefäße. Fluoreszierende Kügelchen (gelb) simulieren den Blutfluss. ©Jifeng Liu, MPI Münster, Liu et al./Nat Comm 2021.

Aus einem Ursprungsblutgefäß (senkrecht links im Bild) bilden Endothelzellen (pinke Zellkerne) in einem künstlichen Hydrogel neue Blutgefäße. Fluoreszierende Kügelchen (gelb) simulieren den Blutfluss. ©Jifeng Liu, MPI Münster, Liu et al./Nat Comm 2021.

 

Im Labor Gewebe herzustellen, mit denen sich geschädigte Organe heilen oder ersetzen lassen, ist eine der großen Zukunftsvisionen der Medizin. Eine grundlegende Voraussetzung für funktionsfähige Gewebe ist, dass in ihnen Blutgefäße wachsen und sich mit dem Gefäßsystem des Organismus verbinden können, so dass das Gewebe durchblutet und mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Bisher ist allerdings fast nichts darüber bekannt, welche Materialeigenschaften das Wachstum von Blutgefäßen fördern.

Ein Team um die Biomedizin-Ingenieurin Dr. Britta Trappmann vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster hat ein Zellkultursystem entwickelt, in dem sich zum ersten Mal in einem Gerüst aus künstlichen Materialien ein funktionsfähiges Blutgefäßsystem bildet. Die Forschenden arbeiteten mit einem speziellen Hydrogel, dessen Eigenschaften sie kontrolliert verändern können, und ließen darin ein Ursprungsblutgefäß aus menschlichen Blutgefäßzellen wachsen. Dafür müssen bestimmte Adhäsionsmoleküle in der Membran der Blutgefäßzellen aktiviert werden, damit die Zellen in Gruppen aus dem Ursprungsgefäß herauswandern und röhrenförmige Strukturen bilden können. Gleichzeitig muss das Material für die Blutgefäße auch schnell genug abbaubar sein, damit sie Gefäße in ausreichender Größe formen können. 

Das Modell baut auf einem System auf, das Britta Trappmann bereits während ihrer Zeit als Postdoktorandin in den USA mit Kollegen und Kolleginnen entwickeln konnte. Dafür werden mit einer Akkupunkturnadel Kanäle in ein dreidimensionales Hydrogel auf Zuckerbasis gestochen. In dem einen Kanal werden dann Endothelzellen ausgesät, die auch in natürlichen Geweben die Blutgefäße auskleiden. Sobald die Endothelzellen ein Ursprungsblutgefäß gebildet haben, wird in den zweiten Kanal ein Wachstumsfaktorcocktail gegeben, um das Blutgefäßwachstum voranzutreiben, woraufhin die Endothelzellen in das Hydrogel einwandern. 

Die Forschenden konnten beobachten, dass es sich bei Integrin αvβ3 um das entscheidende Adhäsionsmolekül für die Zellmigration handelt. Außerdem erwies sich, dass die kollektive Zellwanderung wiederum die Voraussetzung dafür ist, dass die Endothelzellen Hohlräume formen, die mit dem Ursprungsgefäß verbunden sind. Im nächsten Schritt sollen nun zahlreiche weitere Biomoleküle und Zellen in das Modell integriert werden. So kann die Wirkung von Signalproteinen, Immunzellen oder blutgefäßstabilisierenden Zellen und anderen untersucht werden. Das Wissen könnte man dann nutzen, um implantierbare Gewebe zu entwickeln.