Optimale Auslegung eines künstlichen Adersystems

Einleitung: Im Labor gezüchtete Gewebemodelle können prinzipiell zur Untersuchung der Verträglichkeit von chemischen Substanzen oder der Wirksamkeit von Medikamenten herangezogen werden. Hierfür ist es notwendig, dass die Zellen des Gewebemodells ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden können. Generative Fertigungsverfahren ermöglichen es, ein künstliches Gefäßsystem zu fertigen, das für eine ausreichende Versorgung der Zellen des Gewebemodells eingesetzt werden kann. Bei der optimalen Auslegung eines generativ gefertigten Adersystems sollten sowohl die Versorgung der Zellen als auch die Komplexität des Adersystems berücksichtigt werden. Einfacher strukturierte Aderbäume sollten wegen ihrer Robustheit und leichteren Herstellung gegenüber komplexeren Strukturen bevorzugt werden, wenn sie eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zeigen. Materialien und Methoden: Bei der rechnerischen und experimentellen Ermittlung von Nährstoffkonzentration wurde von einem quadratischen Hydrogelsubstrat ausgegangen, in dem Zellen eingebettet sind und das durch ein Adersystem mit Nährstoffen versorgt wird. Durch die Diffusion der Nährstoffe aus dem Adersystem durch das Hydrogel und deren Verbrauch durch die Zellen stellt sich eine Gleichgewichtskonzentration der Nährstoffe ein. Diese Gleichgewichtskonzentration wurde mit einem finite-Differenzen-Verfahren berechnet. Die räumliche Verteilung der Nährstoffkonzentration hängt unter anderem von der Topologie des Adernetzwerks ab. Die Leistungsfähigkeit des Adersystems wurde mit dem Verhältnis der ausreichend versorgten Fläche zur Gesamtfläche des Hydrogels beschrieben. Experimentell wurde die Leistungsfähigkeit verschiedener Adersysteme anhand der Diffusion eines Farbstoffs in ein unbesiedeltes Poly(vinylalkohol) Cryogel verglichen. Die Färbung des Hydrogels, die durch das partielle Eindringen des Farbstoffs (Indigokarmin) zu einem geeignet gewählten, festen Zeitpunkt gemessen wird, beschreibt näherungsweise die Verteilung der Gleichgewichtskonzentration von Nährstoffen, die sich durch den Stoffwechsel von Zellen im Hydrogel einstellen würde. Ergebnisse und Diskussion: Die Leistungsfähigkeit von Adersystemen wurde rechnerisch in Abhängigkeit von der Komplexität des Adersystems (der Anzahl der Verzweigungen), der Kantenlänge des Substrats und der der Eindringtiefe der Nährstoffe (die sich aus der Diffusivität des Hydrogels und dem Nährstoffverbrauch der Zellen ergibt) untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Adipocyten in einem PVA-Hydrogel mit 5 mm Kantenlänge schon mit einem einfach verzweigten Adersystem versorgt werden können. Größere Substrate oder Zellen, die einen höheren Nährstoffverbrauch haben, erfordern jedoch Aderbäume mit mehr Verzweigungen. Das entwickelte Modell ermöglicht es, das optimale Adersystem für ein spezifisches Gewebemodell zu finden. Eindringversuche mit Farbstoffen, die eine ähnliche Diffusionskonstante wie die Nährstoffe haben, können als sondierende Messungen an unbesiedelten Hydrogelen dienen. Mit diesen Messungen kann die Leistungsfähigkeit verschiedener Adersysteme verglichen werden, bevor aufwändige Zellkulturtests ausgeführt werden. Danksagung: Die Ergebnisse wurden im Artivasc 3D Projekt erzielt, das vom 7. Rahmenprogramm der EU gefördert wird (grant agreement n° 263416)