Unsere Haut ist ein Naturwunder der Biotechnik.

Als größtes Organ des Körpers ist es ein wasserdichtes Abwehrsystem, das vor Infektionen schützt. Es ist voller Schweißdrüsen, die uns bei steigenden Temperaturen kühl halten. Es kann einiges aushalten – Sonnenbrand, Kratzer und Schürfwunden, Spritzer von Speiseöl und andere Unfälle im Alltag –, regeneriert sich aber schnell. Sicherlich kann es bleibende Narben geben, aber Anzeichen einer geringeren Schädigung verschwinden mit der Zeit.

Angesichts dieser Vorteile ist es kein Wunder, dass Wissenschaftler versucht haben, die Haut im Labor nachzubilden. Künstliche Haut könnte zum Beispiel Cover-Roboter oder Prothesen, um ihnen die Fähigkeit zu geben, die Temperatur zu „fühlen“, sie zu berühren oder sogar zu heilen, wenn sie beschädigt sind.

Es könnte auch ein Lebensretter sein. Den Selbstheilungskräften der Haut sind Grenzen gesetzt. Menschen, die unter schweren Verbrennungen leiden, benötigen häufig eine Hauttransplantation aus einem anderen Körperteil. Der Eingriff ist zwar wirksam, aber schmerzhaft und erhöht das Infektionsrisiko. In manchen Fällen kann es sein, dass nicht mehr genügend unbeschädigte Haut übrig bleibt. Ein ähnliches Dilemma verfolgt Soldaten, die im Kampf verwundet wurden oder an erblichen Hauterkrankungen leiden.

Es ist gelinde gesagt schwierig, alle Superkräfte der Haut wiederherzustellen. Aber letzte Woche, ein Team der Wake Forest University machte einen großen Schritt in Richtung künstlicher Haut, die bei Transplantation in Mäuse und Schweine große Wunden heilt.

Das Team verwendete sechs verschiedene menschliche Hautzelltypen als „Tinte“, um dreischichtige künstliche Haut auszudrucken. Im Gegensatz zu früheren Iterationen ahmt diese künstliche Haut die Struktur der menschlichen Haut weitgehend nach.

In Proof-of-Concept-Studien transplantierte das Team die Haut in Mäuse und Schweine mit Hautverletzungen. Die Hauttransplantate schlossen sich schnell an die Blutgefäße der umgebenden Haut an und integrierten sich in den Wirt. Sie halfen auch dabei, Kollagen – ein Protein, das für die Wundheilung und die Reduzierung von Narbenbildung unerlässlich ist – in eine Struktur zu formen, die der natürlichen Haut ähnelt.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass die Schaffung von menschlicher biotechnologisch hergestellter Haut in voller Dicke möglich ist und eine schnellere Heilung und natürlicher aussehende Ergebnisse fördert.“ sagte Studienautor Dr. Anthony Atala.

Warten Sie ... Was ist Vollhaut?

Wir stellen uns die Haut oft als ein Spannbettlaken vor, das sich um den Körper legt. Aber unter der Lupe ist es ein komplexes Meisterwerk der Bioarchitektur.

Oder ich stelle es mir gerne als einen dreischichtigen Kuchen vor.

Jede Schicht verfügt über unterschiedliche Zelltypen, die auf ihre besonderen Funktionen zugeschnitten sind. Die oberste Schicht ist der Wächter. Es stellt eine direkte Verbindung zur Außenwelt dar und verfügt über Zelltypen, die UV-Licht, trockenem Wetter und schädlichen Bakterien standhalten können. Es beherbergt auch Zellen, die Pigmentierung produzieren. Diese Zellen scheiden sich bei Beschädigung kontinuierlich ab und werden ersetzt, um die Barriere stark zu halten.

Die mittlere Schicht ist die Brücke. Hier verbinden Blutgefäße und Nervenfasern die Haut mit dem Rest des Körpers. Diese Schicht ist vollgepackt mit Zellen, die Körperhaare, Schweiß und Schmieröle produzieren – der Fluch für jeden, der zu Akne neigt. Als breiteste Schicht wird sie durch Kollagen fest zusammengehalten, was der Haut ihre Flexibilität und Festigkeit verleiht.

Die tiefste Hautschicht schließlich ist das „geschwollene Fell“. Diese Schicht besteht hauptsächlich aus Kollagen und Fettzellen und ist ein Stoßdämpfer, der die Haut vor Verletzungen schützt und zur Aufrechterhaltung der Körperwärme beiträgt.

All diese Strukturen und Funktionen wiederherzustellen ist unglaublich schwierig. Atalas Lösung? Dreidimensional Bioprinting.

Haut im Spiel

Atala ist kein Unbekannter im Bereich Bioprinting.

Im Jahr 2016 entwickelte sein Team ein Gewebe-Organ-Drucker der große Taschentücher jeder Form bedrucken kann. Anhand klinischer Daten erstellte das Team Computermodelle, um den Drucker beim Drucken verschiedener Knochenstrukturen und Muskeln zu steuern. Ein paar Jahre später entwickelten sie ein Haut-Bioprinter Dabei wurden zwei Zelltypen – entweder aus der oberen oder der mittleren Schicht – verwendet, um verletzte Haut direkt zu flicken. Obwohl die Haut große Wunden schließen konnte, erfasste sie nur einen Teil der Komplexität der natürlichen Haut.

Die neue Studie verwendete sechs Arten menschlicher Zellen als Biotinte und bildete die Architektur unserer Haut von oben bis unten nach. Zur Herstellung der künstlichen Haut verwendete das Team Computersoftware um die Platzierung der Zellen in jeder Ebene zu steuern. 3D-Extrusionsdruck genanntDie Technologie nutzt Luftdruck, um hochentwickelte Gewebe aus einer Düse zu drucken. Es hört sich kompliziert an, aber es ist ein bisschen so, als würde man Zuckerguss in verschiedenen Farben auspressen, um einen Kuchen zu dekorieren.

Als ersten Schritt suspendierte das Team Zellen in einem Hydrogel, das hauptsächlich aus ein von der Leber abgesondertes Protein. Im Gegensatz zu synthetischen Materialien erhöht diese körpereigene Basis die Biokompatibilität. Anschließend druckte das Team Schicht für Schicht ein 3D-Hauttransplantat, das auf jeder Seite einen Zoll misst – etwas größer als ein Zuckerwürfel.

Die biogedruckte Haut behielt ihre drei Schichten im Labor mindestens 52 Tage lang bei und entwickelte Bereiche mit Pigmentierung und normalem Haarausfall.

Ermutigt testete das Team die künstliche Haut als nächstes an Mäusen. Alle mit künstlichen Hauttransplantaten behandelten Wunden heilten innerhalb von zwei Wochen vollständig ab, im Gegensatz zu denen, die nur mit dem Hydrogel behandelt wurden oder die Wunde auf natürliche Weise heilen ließen.

Die künstliche Haut war besonders gut darin, die obere Schutzschicht der Haut aufzubauen und Strukturen zu bilden, die einer natürlichen Heilung ähnelten. Es produzierte auch Kollagen und – was noch wichtiger ist – verwebte es zu einer weidenkorbähnlichen Struktur, die der menschlichen Haut ähnelt.

Die biogedruckte Haut rekrutierte außerdem die eigenen Blutgefäßzellen der Mäuse und erzeugte so ein Netzwerk kleiner Gefäße im Transplantat. Mithilfe eines Farbstoffs zur Verfolgung menschlicher Proteine ​​im Transplantat fand das Team, dass die transplantierten Zellen mit ihrem Wirt in der mittleren Hautschicht integriert waren.

Quietschen vorbei?

Mäuse haben eine dünnere Haut als Menschen. Im Gegensatz dazu sind Schweinehäute unseren ähnlicher. In einem zweiten Test erweiterte das Team die Technologie für die Transplantation bei Schweinen. Hier entnahmen sie durch Biopsien vier Arten von Zellen von Schweinen – darunter einige, die die äußere Hautschicht, Kollagen, Blutgefäße und Fettgewebe bilden – und ließen sie 28 Tage lang in einem Bioreaktor wachsen.

Einige Chargen sind fehlgeschlagen. Im Durchschnitt erzeugte das Gebräu jedoch genügend Zellen, um die Größe des ursprünglichen Transplantats zu verdoppeln und so eine größere Abdeckung zu erreichen. Das resultierende künstliche Hautpflaster hatte ungefähr die Größe der Fläche eines Zauberwürfels und entsprach der Dicke der Schweinehaut.

Wie bei Mäusen schlossen die Transplantate schnell große Wunden ohne den üblichen „Kräuselungseffekt“, bei dem sich die Haut wie eine Weintraube zu einer Rosine zusammenzieht, was zu Narbenbildung führt.

Das Team kam zu dem Schluss, dass dies wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass das Transplantat Gene verstärkte, die für die Wundheilung verantwortlich sind, wobei einige auch Immunreaktionen regulieren, die zum Wachstum neuer Blutgefäße beitragen und die Narbenbildung reduzieren.

Die künstliche Haut ist vielversprechend, steckt aber noch in den Kinderschuhen. Wenn es auf Schweine gepfropft wurde, erzeugte es keine zuverlässige Pigmentierung, was für Menschen mit dunkleren Hauttönen störend sein könnte. Die Transplantate produzierten auch keine Körperbehaarung, obwohl sie in der Biotinte Strukturen für deren Wachstum enthielten. Auch wenn es vielleicht nicht das Schlimmste ist (kein Rasieren mehr!), deuten die Ergebnisse darauf hin, dass es noch viel zu lernen gibt.

Für Atala lohnt sich die Mühe. „Eine umfassende Hautheilung ist eine große klinische Herausforderung, von der Millionen Menschen weltweit betroffen sind und deren Möglichkeiten begrenzt sind“, sagte er. Die Studie legt nahe, dass das Drucken von Haut in Originalgröße zur Behandlung verheerender Wunden beim Menschen möglich ist.

Bildnachweis: Eine normale Hautzelle unter dem Mikroskop. Torsten Wittmann, University of California, San Francisco (über NIH/Flickr)

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/10/09/bioprinted-skin-heals-wounds-in-pigs-with-minimal-scarring-humans-are-next/