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3D-Druck: Wissenschaftler erfinden Forschungswerkzeuge neu
Beim Wort «Biopsie» denkt man normalerweise an lange, dicke Nadeln. Um Proben von Patienten aufbereiten und analysieren zu können, benötigen Labortechniker und Arzneimittelforscher ausreichend grosse Gewebemengen. Wenn für eine Aufgabe jedoch weniger Gewebe erforderlich ist? Könnten dann kleinere Nadeln verwendet werden?
Eine Antwort hierauf liefert der 3D-Druck, eine Technik, die in den letzten Jahren international für Aufsehen gesorgt hat, da sich damit schnell und preiswert so unterschiedliche Dinge wie Prothesen, Kleidung und Kunstwerke herstellen lassen. Auch ins Forschungslabor hat die Technik Bewegung gebracht: Wissenschaftler können damit vorhandene Instrumente neu erfinden. Ein Beispiel dafür sind die Geräte, die Novartis in der Wirkstoffforschung zur Aufbereitung der Gewebeproben von Patienten benutzt.
Zur Analyse von Proteinen verwenden Gewebeforscher sogenannte Massenspektrometer. Bevor das Gerät zum Einsatz kommen kann, müssen die aus Gewebeproben gewonnenen Zellchargen jedoch sortiert und aufbereitet werden. Je kleiner die Proben, umso schwieriger – und ineffizienter – gestaltet sich die Handhabung der Zellen mit herkömmlichen Instrumenten. Jeffrey Martin, der kürzlich als Postdoktorand seine Fellowship an den Novartis Institutes for BioMedical Research beendet hat, erkannte die Herausforderung und glaubte, eine Lösung zu wissen.
«Für eine typische Probenaufbereitung reichen eine Million Zellen aus. Eine Feinnadelbiopsie ergibt nach dem Sortieren jedoch oft nur 5000 Zellen», erklärt er. «Mit herkömmlich dimensionierten Instrumenten wie Teströhrchen ist eine so kleine Gewebemenge sehr schwer zu handhaben.»
Es sei etwa so, als wolle man einen letzten winzigen Geleerest aus einem Marmeladenglas fischen, so Martins Vergleich. Wenn jedoch nur eine begrenzte Gewebemenge zur Verfügung steht, muss man mit diesem minimalen Quäntchen Gelee zurechtkommen. Martin und seine Kollegen entwarfen daher ein verbessertes System im Mikromassstab, mit dem sich dieses «Quäntchen» besser handhaben lässt. Mithilfe eines 3D-Druckers bauten sie Teile eines Prototyps, der die Handhabung winziger Proben erleichtert. Das System stellt die Verbindung zwischen Zellsortierer und Massenspektrometer her. Es wurde von den Wissenschaftlern kürzlich in einem Artikel in der Zeitschrift Analytical Chemistry vorgestellt.
Entwicklung für den eigenen Bedarf
«Wissenschaftler brauchen Dinge, die es nirgendwo zu kaufen gibt. Sie sind darauf angewiesen, vorhandene Geräte selbst zu verbessern», betont Mike Smith, Executive Director, Analytical Sciences & Imaging, der sich seit 2012 für die Nutzung des 3D-Drucks bei den Novartis Institutes for BioMedical Research einsetzt. «Sie müssen die verwendeten Verfahren und Geräte optimieren, und der 3D-Druck macht genau das möglich. Statt sich also mit den vorhandenen wissenschaftlichen Instrumenten zu begnügen, die ihre Anforderungen nur ungefähr erfüllen, können sie damit Gerätschaften genau nach ihren Bedürfnissen konzipieren und bauen.»
Sein Kollege, der Maschinenbauer Aaron Bickel, hat mit der Technik ebenfalls gute Erfahrungen gemacht. «Früher haben wir oft gesagt: ‹Wenn wir den Liquid Handler nur mit diesem oder jenem Gerät verbinden könnten›», erinnert er sich. «‹Wenn sie richtig aufeinander abgestimmt wären, könnten wir dies oder jenes ausprobieren.› Mit dem 3D-Drucker ist es nur ein kurzer Schritt, solche Ideen in die Praxis umzusetzen. Dies treibt den wissenschaftlichen Fortschritt voran.»
Mithilfe eines 3D-Druckers konstruierte Bickel einen speziellen Becherverschluss für einen künstlichen Tiermagen und -darm, mit dem Wissenschaftler untersuchen können, was nach dem Schlucken von Tabletten oder Kapseln passiert. Ziel des Teams ist es, mit weniger Tierversuchen zu den Informationen zu gelangen, die zur Formulierung von Medikamenten für Patienten nötig sind.
Bioprinter: Das nächste grosse Abenteuer
Manche Wissenschaftler bei Novartis drucken mit Kunststoff, andere experimentieren mit noch ungewöhnlicheren Materialien. Die nächste grosse Herausforderung in der generativen Fertigung ist der Biodruck. Hierbei werden lebende Gewebe Schicht für Schicht aus Zellen und Stützstrukturen aufgebaut. In der Zukunft könnte es damit sogar möglich sein, ganze Organe herzustellen.
Ein Team des Genomics Institute der Novartis Research Foundation hat einen Bioprinter gebaut, der für Forscher des Standorts im kalifornischen San Diego Teile des menschlichen Körpers modelliert. Damit können nicht nur Zellen und Stützstrukturen extrudiert werden. Der Drucker zeichnet auch feine Linien aus Zucker auf, die später abgeschmolzen werden können, so dass im erzeugten Gewebe «Gefässe» entstehen.
«Wir haben verschiedene Dinge zusammengeführt und damit einen ganz schön vielseitigen Bioprinter gebaut», freut sich Daniel Sipes, Director of Advanced Automation Technologies in San Diego. «Dazu haben wir Arbeiten externer Forschergruppen repliziert und auch begonnen, mit anderen Zelltypen zu experimentieren.»
Eine andere Gruppe von Novartis in Basel experimentiert ebenfalls mit Biodruckern. In ihrem Fall geht es um die Erforschung von Erkrankungen des Bewegungsapparats. Gemeinsam mit einem Labor der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, einem Bioprinting-Unternehmen und einem Kunststoffhersteller baut sie 3D-Modelle von menschlichem Sehnen- und Skelettmuskelgewebe. Das Projekt wird von der Schweizerischen Kommission für Technologie und Innovation finanziert. Das Gewebe wird auf winzige Vertiefungen von Plastikplatten aufgedruckt und mit verschiedenen Chemikalien versetzt, um festzustellen, welche Substanzen einen Effekt auf das Gewebe haben.
«Im Grunde», so Smith, «sind den Möglichkeiten des 3D-Drucks nur durch die Fantasie Grenzen gesetzt.»
Tia O’Brien hat als langjährige Wirtschaftsberichterstatterin zahlreiche Artikel über das Silicon Valley geschrieben, die u.a. in den San Jose Mercury News und in Fast Company erschienen sind. Diesen Beitrag hat sie im Auftrag von www.novartis.com verfasst.
Den Möglichkeiten des 3-D-Drucks sind nur durch die Fantasie Grenzen gesetzt.
