Von biosynthetischen Gehirnen zur Vorhersage von Epilepsie bis hin zu winzigen 3D-gedruckten Implantaten zum Nachwachsen von Muskeln und Knochen – dies ist Forschung an der Grenze des medizinisch Möglichen.

Aber es ist das Team hinter diesen Ideen – Ingenieure, Robotikexperten und Biologen, die mit erstklassigen Chirurgen und Klinikern zusammenarbeiten – das den Unterschied zwischen Träumen und Erfüllen ausmacht.

Professor Rob Kapsa ist leitender RMIT-Forscher am Aikenhead Center for Medical Discovery, wo er eine Forschungsgruppe leitet, die das eigens dafür errichtete Biofabrikationslabor von ACMD nutzt.

ACMD hat seinen Sitz im St. Vincent's Hospital Melbourne und bringt Forscher und Kliniker zusammen, um Lösungen für einige unserer größten biomedizinischen Herausforderungen zu finden.

In Anerkennung der entscheidenden Rolle des Zentrums gab die viktorianische Regierung grünes Licht für eine zweckgebundene Einrichtung im Wert von 206 Millionen US-Dollar, um das weitere Wachstum des Zentrums zu unterstützen.

Das Wichtigste zuerst: Was ist Biofabrikation und wie könnte sie die medizinische Behandlung verändern?

Hier geht es im Wesentlichen darum, Dinge herzustellen, die sich vollständig in unseren Körper integrieren, um zu heilen, zu reparieren und die Funktion wiederherzustellen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Implantaten können biofabrizierte Strukturen und Geräte tatsächlich die phänomenale Komplexität lebenden menschlichen Gewebes nahezu nachahmen.

Biofabrikation vereint Materialtechnik, Biowissenschaften, additive Fertigung, Nanotechnologie und biomedizinische Gesundheitstechnologien.

Es eröffnet enorme Möglichkeiten für die Herstellung von Strukturen zur Wiederherstellung, zum Ersatz und zur Regeneration von Knochen und Muskeln bis hin zu Gehirn, Gelenken und Bindegewebe.

Zum Beispiel arbeiten Forscher an neuen biofabrizierten Technologien, um sich verschlechternde Knochen bei älteren Menschen zu reparieren, eine maßgeschneiderte, selbstregulierende künstliche Bauchspeicheldrüse für Menschen mit Diabetes zu entwickeln und Ersatzmuskeln für Traumapatienten aufzubauen.

Erzählen Sie uns von den biosynthetischen „Gehirnen“, die Sie herstellen.

Wenn Sie versuchen zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert und wie man es reparieren kann, wenn etwas schief geht, kommt man mit dem Betrachten von Zellen auf zweidimensionalen Folien nur begrenzt weiter. Wir bauen also in drei Dimensionen und nutzen dabei 3D-Bioprinting, sagt Professor Kapsa.

Die „Gehirne“, die wir herstellen, sind winzig, etwa 3 mm x 3 mm, aber es gibt genug funktionierendes Gehirn, um untersucht und analysiert zu werden (und außerdem ist die menschliche Hirnrinde nur 3 mm dick).<

Unsere kleinen Gehirnblöcke bestehen aus Hautzellen, die wir in Stammzellen umprogrammieren, die Neuronen bilden können. Der „Gehirnblock“ ist in einer 3D-Kollagenmatrix aufgehängt und auf einer Reihe von Elektroden angebracht.

Durch elektrische Stimulation oder die Zugabe von Neurochemikalien können wir die Neuronen zum Feuern bringen. Das Elektrodenarray zeichnet diese Aktivität auf – die die Aktivierung des Nervensystems nachahmt – um uns ein detailliertes Bild davon zu geben, was passiert.

Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um personalisierte synthetische Gehirnkonstrukte, ideal für Wissenschaftler, die sich mit dem Verständnis und der Behandlung neurologischer Erkrankungen befassen.

Wie helfen uns diese „Gehirne“ bei der Epilepsieforschung?

Epilepsie betrifft 1 von 100 Menschen, aber wir wissen, dass etwa die Hälfte von ihnen die Krankheit später im Leben entwickelt, nachdem sie in jüngeren Jahren eine Gehirnverletzung erlitten haben.

Wir gehen davon aus, dass das daran liegen könnte, dass manche Menschen eine genetische Veranlagung haben, aber im Moment können wir nicht vorhersagen, wer aufgrund einer Kopfverletzung gefährdet sein könnte, an Epilepsie zu erkranken.

Bei dieser Forschung arbeiten wir mit den Neurologen des Murdoch Children's Research Institute zusammen, die eine genetische Mutation entdeckt haben, die Epilepsie verursacht, sowie mit Neurologen des St. Vincent's Hospital Melbourne.<

Wir nehmen Hautzellen von Menschen, die diese genetische Mutation haben, entfernen die Mutation und züchten biosynthetisches „Gehirn“ aus diesen genetisch veränderten Zellen. Zum Vergleich stellen wir auch Gehirne aus ihren „Epilepsie-positiven“, unbearbeiteten Zellen her.

Wir testen dann die „Gehirne“, die wir aus diesen Zellen herstellen, indem wir ein bestimmtes Maß an Verletzung auslösen und sehen, ob und wann sie eine epileptische Aktivität zeigen.

Was wir letztendlich anstreben, ist ein einfacher Gentest, der feststellen könnte, ob Sie aufgrund eines leichten Kopftraumas, beispielsweise durch das Spielen von AFL-Football oder anderen Sportarten, wahrscheinlich Epilepsie entwickeln.

Wie könnten diese „Gehirne“ in Zukunft sonst noch genutzt werden?

Unsere biosynthetischen „Gehirne“ werden auch für die personalisierte Modellierung neurologischer Störungen eingesetzt.

Hier könnte ein aus den eigenen Zellen eines Patienten gezüchtetes „Gehirn“ es einem Kliniker ermöglichen, seinen Zustand besser zu verstehen, die Behandlung und letztendlich sogar seine Prognose zu optimieren.<

Für RMIT eröffnet diese Arbeit aufregende neue Wege für den Entwurf, die Entwicklung, die Herstellung und die Übersetzung biomechatronischer Hybridgeräte und -systeme.

Im Rahmen der Forschung zur Entwicklung von Behandlungen für Muskeldystrophie hat Ihr Team eine „Trojanisches Pferd“-Technik entwickelt, die Muskeltechnik und Genbearbeitung kombiniert. Wie funktioniert es?

Die Grundidee besteht darin, Zellen von Menschen mit der Mutation zu entnehmen, die Muskeldystrophie verursacht, die Mutation herauszuschneiden und diese Zellen dann wieder in den Muskel einzubauen, damit er wieder funktioniert.

Es gab klinische Fälle Versuche mit regenerativen Zelltherapien, insbesondere Myoblastentransplantationstherapie, sind jedoch leider gescheitert, da die implantierten Zellen nicht gedeihen und sich nicht vermehren.

Der Unterschied zu unserem Ansatz besteht darin, dass wir die Zellen nicht direkt implantieren, sondern sie in einem speziellen Gelee aus Meeresalgen schützen. Das ist das „Trojanische Pferd“ – ein Stück Algengelee mit Muskelzellen darin, das vom Körper sofort angenommen wird und es den gesunden Zellen dann ermöglicht, in den kranken Muskel einzudringen.

Unsere Technik führt zu einer unglaublichen Ausbreitung lebensfähiger Muskelzellen. Präklinische Studien an Mäusen haben gezeigt, dass mehrere Millionen Kerne aus den 10.000 Zellen entstehen, die wir zunächst implantieren.

Welche Rolle spielen 3D-Druck und Bioprinting in der Arbeit Ihres Teams?

Bei ACMD haben wir das Glück, Zugang zu modernsten Biofabrikations- und fortschrittlichen Fertigungstechnologien zu haben, darunter spezielle Biodrucker für den 3D-Druck lebender Zellen und Bioreaktoren für 3D-Zellkulturen. Die Arbeit mit diesen Technologien macht einen großen Unterschied für unsere Zusammenarbeit.

Zum Beispiel verwenden wir in unserer Arbeit ein 3D-Druckverfahren namens „Melt Electrowriting“, um das Wachstum von Gefäßnetzwerken in künstlich hergestellten Geweben zu fördern. Dieses System kann auch in unseren Gewebemodellierungsstrukturen verwendet werden, sodass diese eher vaskularisiertem Gewebe ähneln.

Aber manchmal geht es bei unserer Arbeit nicht um die neueste Technologie – es geht darum, neue Versionen der alten zu entwickeln.

Die Forscher unseres Teams haben den traditionellen 3D-Druck umgedreht, um bei ihrer Arbeit am Nachwachsen von Knochen und Gewebe unglaublich komplexe biomedizinische Strukturen zu schaffen. Ihr Out-of-the-Box-Ansatz verwendet Standard-3D-Drucker, um winzige Implantate zu bauen, die das Nachwachsen von Zellen unterstützen können.

Wir haben außerdem kürzlich ein Rezept zum Aufbau von Muskeln veröffentlicht, das die Zutaten, Geräte und Techniken detailliert beschreibt, die Sie zum Aufbau funktionellen Skelettmuskelgewebes benötigen.

Es ist eine Zusammenfassung unserer langjährigen Arbeit an der Verfeinerung unserer Bioink- und Bioprinting-Methoden zur Herstellung brauchbarer 3D-gedruckter Skelettmuskelkonstrukte. Wir hoffen, dass diese Arbeit letztendlich die Entwicklung von Muskeln für Menschen ermöglichen wird, die eine Muskelerkrankung oder ein Muskeltrauma erlitten haben.

Sie arbeiten seit langem mit Klinikern und Chirurgen am St. Vincent's Hospital Melbourne zusammen. Wie hat die Gründung von ACMD die Forschung Ihres Teams beschleunigt?

Während unser Team im Laufe der Jahrzehnte unseren Ansatz zur Muskel- und Nerventechnik entwickelt hat, haben wir immer eng mit Klinikern und Chirurgen zusammengearbeitet, um reale Lösungen für Gesundheitsprobleme der alten Welt zu entwickeln, die von den vorhandenen Technologien nicht abgedeckt werden.

Bei unserer Arbeit geht es nicht nur um interessante Ideen oder theoretische Möglichkeiten – es geht darum, die Probleme zu lösen, mit denen Kliniker und vielleicht noch wichtiger: Patienten täglich zu kämpfen haben.

Wir arbeiten direkt mit den Menschen zusammen, die eines Tages unsere Forschung nutzen werden in ihrer klinischen Praxis und in Operationssälen. Sie teilen ihre Herausforderungen und was sie brauchen, um ihren Patienten zu helfen.

Und genau das ist es, was wir mit unserer Forschung letztendlich erreichen wollen – rausgehen und den Menschen helfen.

Biosynthetische Gehirne, künstliche Muskeln, Trojanische Pferde ... einige dieser Ideen klingen fast wie Science-Fiction. Wann könnten sie also tatsächlich klinische Realität werden?

Es stimmt, dass wir uns an den Grenzen der Wissenschaft bewegen. Aber fortschrittliche Fertigungstechnologien machen bereits einen Unterschied im Leben der Patienten, wie zum Beispiel Australiens erstes vor Ort hergestelltes 3D-gedrucktes Wirbelsäulenimplantat.

Die RMIT-Arbeit an dieser Initiative führte zu neuen Richtungen bei der Entwicklung von Implantaten der nächsten Generation für Knochenkrebspatienten, einem Projektschwerpunkt innerhalb des ACMD.

Einige unserer klinisch fortgeschritteneren Projekte könnten noch fünf bis zehn Jahre von der klinischen Umsetzung entfernt sein, aber wir befinden uns noch in den Anfängen der 3D-Bioprinting-Revolution.<

Das Tolle ist, dass unser kollaborativer klinisch-wissenschaftlicher Ansatz es uns ermöglicht, unpraktische Ideen, die im wirklichen Leben niemals funktionieren würden, hinter uns zu lassen und uns auf die Forschung zu konzentrieren, die das größte Wirkungspotenzial hat.

Professor Rob Kapsa leitet die Forschungsgruppe Biofabrikation und Tissue Engineering (BiTE) am RMIT.

Das BiTE-Netzwerk, das darauf abzielt, Akademiker und Doktoranden, die im breiteren Bereich der Biotechnik arbeiten, in Richtung neuer BiTE-orientierter Bereiche zusammenzubringen, wird von RMITs Enabling Capability Platforms for Advanced Materials, Manufacturing and Fabrication und Biomedical Health unterstützt Innovation.

ACMD ist Australiens erstes krankenhausbasiertes Forschungszentrum für biomedizinische Technik mit Partnern wie dem St. Vincent's Hospital Melbourne, der RMIT University, der University of Melbourne, der Australian Catholic University, der Swinburne University of Technology, der University of Wollongong Australia, dem Bionics Institute, St Vincent's Institute und das Centre for Eye Research Australia.

 Auszug aus RMIT News Story:  Gosia Kaszubska

Studieren Sie das RMIT Bachelor of Biomedical Sciences an der School of Health and Biomedical Sciences, um eine genauere Würdigung zu erhalten dieser bahnbrechenden Forschung.

In diesem flexiblen Studiengang entwickeln Sie ein umfassendes Verständnis der menschlichen Anatomie, Physiologie und Pathologie auf zellulärer Ebene auf Systemebene.

Die biomedizinische Wissenschaft bildet die Grundlage für unser Verständnis der Funktionsweise menschlicher und tierischer Körper und der Reaktionen des Körpers auf verschiedene Krankheiten. Bewegung, Ernährung, innere Störungen und Umwelteinflüsse.

Es handelt sich um einen weiten Bereich der Wissenschaft, in dem es darum geht, den menschlichen Körper und seine Interaktion mit Krankheiten zu verstehen – wie sie entstehen, was passiert und wie wir sie kontrollieren, heilen und verhindern können. Biomedizinische Wissenschaften umfassen ein Verständnis der Anatomie und der menschlichen Physiologie sowie der Biochemie.

Zusätzlich zu einem grundlegenden Verständnis der biomedizinischen Wissenschaften haben Sie in Ihrem Abschlussjahr die Möglichkeit, spezielle Wahlfächer auszuwählen. Sie erhalten außerdem ein Verständnis für den Forschungsprozess und Erfahrungen mit den modernen Technologien, die in der biomedizinischen Forschung eingesetzt werden.

Fragen Sie uns nach diesem Abschluss am RMIT