Bioprinting-Inseln öffnen Tür für eine wirksamere Diabetesbehandlung

Eine aktuelle Studie von Forschern der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) eröffnet neue Möglichkeiten für eine effektivere Diabetesforschung und -behandlung. Der neue Ansatz nutzt Bioprinting, um die Reifung der Pankreasinselzellen nachzubilden. Diese Entwicklung könnte Wissenschaftlern helfen, die Komplexität von Diabetes besser zu verstehen und Millionen von Leben zu retten.

Was ist Diabetes

Diabetes ist eine chronische Erkrankung, die durch erhöhte Blutzuckerwerte gekennzeichnet ist. Dies liegt entweder daran, dass die Bauchspeicheldrüse nicht genügend Insulin produziert – ein Hormon, das den Transport von Glukose vom Blut in die Zellen unterstützt – oder daran, dass die Körperzellen nicht richtig auf Insulin reagieren. Glukose ist eine lebenswichtige Energiequelle für den Körper, und Insulin spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung ihres Blutzuckerspiegels.

Bei einer Fehlfunktion dieses Systems sammelt sich Glukose im Blutkreislauf an, anstatt von den Zellen effizient genutzt zu werden. Mit der Zeit kann ein dauerhaft hoher Blutzuckerspiegel zu schwerwiegenden Komplikationen führen, darunter Schäden an Nerven, Herz, Nieren, Augen und Blutgefäßen.

Diabetes ist weltweit ein wachsendes Problem. Laut der International Diabetes Federation leiden etwa 10.5 % der erwachsenen Weltbevölkerung an einer Form der Krankheit. In den USA zeigen aktuelle Daten der Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Schätzungen Etwa 38.1 Millionen Menschen – das sind rund 11.6 % der Bevölkerung – leiden an Diabetes. Die Wahrscheinlichkeit, an dieser Krankheit zu erkranken, steigt mit dem Alter. Die Prävalenz ist in Industrieländern tendenziell höher, steigt aber auch in Entwicklungsländern stark an.

Es gibt verschiedene Arten von Diabetes, die beiden häufigsten sind jedoch Typ 1 und Typ 2.

Typ 1 Diabetes

Typ-1-Diabetes ist eine Autoimmunerkrankung, bei der das körpereigene Immunsystem fälschlicherweise die insulinproduzierenden Betazellen in der Bauchspeicheldrüse angreift und zerstört. Infolgedessen produziert der Körper wenig oder gar kein Insulin und kann den Blutzuckerspiegel nicht mehr auf natürliche Weise regulieren. Dies führt zu einer Anreicherung von Glukose im Blutkreislauf.

Typ-1-Diabetes wird häufig bei Kindern und jungen Erwachsenen diagnostiziert, weshalb er traditionell auch als „Jugenddiabetes“ bezeichnet wird. Er kann jedoch in jedem Alter auftreten. Menschen mit Typ-1-Diabetes benötigen lebenslang eine tägliche Insulintherapie, da es derzeit keine Heilung gibt. Diese Form von Diabetes macht etwa 5–10 % aller diagnostizierten Diabetesfälle aus.

Typ 2 Diabetes

Typ-2-Diabetes ist die weltweit häufigste Form von Diabetes. Er tritt auf, wenn der Körper eine Resistenz gegen Insulin entwickelt oder die Bauchspeicheldrüse nicht mehr genügend Insulin produziert, um den Bedarf des Körpers zu decken. Anders als Typ-1-Diabetes, der eine Autoimmunerkrankung darstellt, ist Typ-2-Diabetes weitgehend mit veränderbaren Risikofaktoren wie Übergewicht, schlechter Ernährung, Bewegungsmangel und Bluthochdruck verbunden – obwohl auch eine genetische Veranlagung eine Rolle spielt.

Typ-2-Diabetes entwickelt sich typischerweise schleichend, oft über viele Jahre hinweg, und kann zunächst unbemerkt bleiben. Lebensstiländerungen wie eine bessere Ernährung, mehr Bewegung und Gewichtskontrolle sind die ersten Behandlungsmethoden und können das Risiko bzw. das Fortschreiten der Erkrankung deutlich verringern. In manchen Fällen können auch orale Medikamente oder eine Insulintherapie notwendig sein.

Aktuelle Forschung und Behandlungen für Diabetes

Die häufigste Form der Diabetesbehandlung sind Insulinspritzen oder Medikamente, die den Körper empfindlicher für Insulin machen. Dieser Ansatz hat sich als wirksam erwiesen, um eine Verschlimmerung der Krankheit zu verhindern. Allerdings sind lebenslange Spritzen erforderlich, was zu hohen Behandlungskosten führt und die Ursache der Erkrankung nie beseitigt.

Da es keine Heilung gibt, versuchen Wissenschaftler, die Bedingungen nachzubilden, die die Entstehung von Diabetes ermöglichen. Bei dieser Forschung werden Stammzellen zur Erzeugung von Pankreaszellen verwendet. Diese im Labor gezüchteten Zellen ermöglichen es Arzneimittelherstellern und Behandlungsspezialisten, Behandlungsoptionen zu testen, ohne dass ein Patient benötigt wird. Daher sind sie ein wichtiger Bestandteil im Kampf gegen Diabetes.

Einschränkungen der aktuellen Diabetesbehandlungen

Jahrelange Forschung hat gezeigt, dass es sehr schwierig ist, die Umgebung der Bauchspeicheldrüse so zu reproduzieren, dass sie stabil genug für Forschung und Tests ist. Ingenieure stellten in der Vergangenheit fest, dass die im Labor gezüchteten, aus Stammzellen (SC) gewonnenen Pankreaszellen nicht die gleiche Leistung zeigten wie ihre natürlichen Gegenstücke.

Forscher stellten fest, dass dieses Verhalten auf das Fehlen wichtiger Merkmale im dreidimensionalen extrazellulären Mikroumfeld und der Perivaskulatur der Bauchspeicheldrüse zurückzuführen ist. Glücklicherweise hat ein Team innovativer Ingenieure einen neuen Ansatz entwickelt, der dieses Problem löst und so die Tür für wirksamere Behandlungen öffnet.

Überblick über die POSTECH-Studie

Die Studium "Bioprinting maßgeschneiderter inselspezifischer Nischen zur Förderung der Reifung von aus Stammzellen gewonnenen Inseln"¹ Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie stellt eine neuartige Methode zur Herstellung von Langerhans-Inseln vor. Die Strategie basiert auf einer Drucktechnik, die die funktionelle Koordination von Langerhans-Inseln, extrazellulärer Matrix (ECM) und Gefäßen fördert.

Quelle – POSTECH

Langerhans-Inseln

Die Langerhans-Inseln sind für die Insulinausschüttung verantwortlich, um den Blutzuckerspiegel unter Kontrolle zu halten. In diesen Inseln befinden sich viele endokrine Hormonzellen, die eine wichtige Rolle für die Entwicklung und Funktion des Körpers spielen. Insbesondere finden sich hier insulinproduzierende β-Zellen, glucagonproduzierende α-Zellen und somatostatinproduzierende δ-Zellen.

Extrazelluläre Matrix (ECM)

Die Pankreasinseln befinden sich in einer extrazellulären Matrix (ECM), die voller Proteine ​​und Biomoleküle ist, die für das strukturelle und biochemische Wachstum Ihrer Zellen lebenswichtig sind. Daher kann jede Störung der ECM die Glukoseproduktion Ihres Körpers negativ beeinflussen.

Untersuchungen zeigen, dass die extrazelluläre Matrix (ECM) nur zu etwa 2 % aus Basalmembranproteinen (BM) besteht. Diese Proteine ​​spielen eine entscheidende Rolle bei der Glukoseproduktion und sind für die Stabilisierung der ECM-Bindungsaffinität endokriner Zellen und der Integrinsignalisierung verantwortlich.

Gefäßsystem

Ein ausgedehntes Venennetz versorgt die Pankreasinseln und die extrazelluläre Matrix (ECM) mit Blut. Dieses Gefäßsystem versorgt die ECM mit den Nährstoffen, die sie benötigt, um die Inseln und ihre Hauptaufgabe, die Insulinausschüttung zur Senkung des Blutzuckerspiegels, zu unterstützen.

Die Rolle des 3D-Bioprintings in der Studie

Bioprinting ist eine Form des 3D-Drucks, bei der lebende, wachsende Materialien verwendet werden. Damit lassen sich komplexe Bioumgebungen herstellen, die sich ideal für Test- und Forschungszwecke eignen. In dieser Studie entwickeln Ingenieure bioprintingbasierte geometrische Leitlinien, um die räumliche Anordnung natürlicher Inselperipherien zu rekonstruieren.

Die HICA-V-Plattform

Die neue Druckstrategie namens HICA-V ermöglicht die Erzeugung von Inselzellen aus Stammzellen entlang körpereigener Gefäßstrukturen. Das System nutzt geometrische Führung, um das räumliche Muster der Inselperipherie nachzubilden. Diese Strategie ermöglichte es den Ingenieuren, die Bedingungen der Bauchspeicheldrüse so nachzubilden, dass sich die Inseln vollständig entwickeln konnten.

Darüber hinaus beschreibt die Studie detailliert, wie das Team biotechnologisch in vivo-ähnliche Pankreasnischen erzeugte. Dies gelang ihnen durch die richtige Kombination von pankreasgewebespezifischer extrazellulärer Matrix und Basalmembranproteinen.

PINE Bioink: Nachbildung der Pankreasumgebung

Um das Ziel zu erreichen, die Bedingungen der Pankreasinselzellen nachzubilden, musste das Team eine neue Art von Biotinte entwickeln. Zu diesem Zweck entwickelten die Wissenschaftler eine spezielle Biotinte namens PINE (Peri-islet Niche-like ECM).

Diese Tintenvariante enthält insbesondere wichtige Komponenten für das Inselwachstum, wie beispielsweise eine extrazelluläre Matrix (ECM) mit Basalmembranproteinen. Interessanterweise stellen die Ingenieure die Tinte mithilfe von Extrakten aus echtem Pankreasgewebe her, um Laminin und Kollagen IV zu gewinnen.

Experimentelle Verfahren und Tests

Das Team führte mehrere Tests durch, um die Richtigkeit seiner Entdeckung sicherzustellen. Zunächst bereitete es dezellularisiertes Schweinepankreasgewebe vor. Anschließend nutzte es einen Aggregationsprozess mit Spinnerflaschen, um inselartige Cluster zu erzeugen, die den natürlichen Versionen sehr ähnlich waren.

Ergebnisse der POSTECH-Studie

Die Ergebnisse ihrer Tests zeigen, dass die auf der HICA-V-Plattform kultivierten Zellen Eigenschaften aufwiesen, die mit denen nativer Inselzellen vergleichbar sind. Die gedruckten Versionen zeigten eine erhöhte Insulinproduktion. Darüber hinaus konnten die Ingenieure pathologische Reaktionen reproduzieren, die bei Diabetes auftreten.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Druckverfahren die Struktur und Funktion der menschlichen endokrinen Bauchspeicheldrüse nachbilden kann. Die gedruckten Zellen konnten sich vollständig zu funktionsfähigen Inselzellen entwickeln und eröffnen damit neue Möglichkeiten für Forschung und moderne Behandlungsmethoden.

Vorteile der Diabetesbehandlung

Diese Forschung bietet mehrere Vorteile, die sie zu einer bahnbrechenden Entdeckung machen. Zum einen bietet sie Arzneimittelherstellern und medizinischem Fachpersonal, die die Wirksamkeit ihrer Behandlungen überwachen möchten, eine stabile und leicht zugängliche Testmöglichkeit.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Möglichkeit, mit einem 3D-Drucker zu arbeiten. Dieser Ansatz ist stabiler und leichter zugänglich. Darüber hinaus liefert er reproduzierbare Ergebnisse, die sofort mit anderen Forschern geteilt werden können, die für ihre Studien Inselzellen erstellen möchten.

Lernen Sie das Forschungsteam kennen

Der Bericht zur Diabetesbehandlung wurde von POSTECH-Professor Jonah Jang geleitet. Zusätzlich halfen Myungji Kim, Seungyeun Cho, Dong Gyu Hwang, In Kyong Shim, Song Cheol Kim, Jiwon Jang und Jinah Jang bei der Recherche und beim Verfassen des Artikels.

Insbesondere erhielt das Projekt Finanzmittel aus verschiedenen Quellen, darunter ein Stipendium des Ministeriums für Wissenschaft und IKT, den Koreanischen Fonds für Regenerative Medizin, der vom Ministerium für Wissenschaft und IKT finanziert wird, das Ministerium für Gesundheit und Soziales und das Alchemist-Projekt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie finanziert wird.

Bewerbungen und Zeitpläne

Diese Technologie bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Zum einen werden diese Forschung und das verbesserte 3D-Druckverfahren ein wertvolles Werkzeug für die Diabetesforschung und die Medikamentenentwicklung sein. Sie ermöglichen es Ingenieuren, ihre Medikamente an lebenden Zellen zu testen und so sicherzustellen, dass sie alle Nebenwirkungen und die Wirksamkeit genau kennen.

Dieses Manöver soll die Entwicklung von Antidiabetika beschleunigen und die Transplantation von Pankreasinselzellen bei Patienten ohne Insulinproduktion ermöglichen. Diese Zellen werden Wissenschaftlern zudem helfen, besser zu verstehen, wie sich äußere Faktoren wie Umweltverschmutzung und die Umwelt auf die Pankreasinselzellen auswirken.

Angesichts der schwerwiegenden Folgen von Diabetes besteht großes Interesse daran, dieses Verfahren so schnell wie möglich durch alle Testphasen zu bringen und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Daher könnte diese Technologie innerhalb der nächsten fünf Jahre eingeführt werden.

Führende Unternehmen für Innovationen in der Diabetesbehandlung

Die Behandlung von Diabetes ist ein großes Geschäft, und Arzneimittelhersteller investieren weiterhin massiv in die Entwicklung besserer Behandlungsmöglichkeiten. Von Unternehmen, die Tests für zu Hause anbieten, bis hin zu Anbietern von Medikamenten und Behandlungen – im Bereich der Diabetes-Gesundheit gibt es viele Akteure. Hier ist ein Unternehmen, das es geschafft hat, sich eine Nische zu erobern.

Halozyme Therapeutics, Inc

Halozym-Therapeutika (HALO -0.32 %) trat 1998 in den Markt ein, um neuartige Methoden zur Verabreichung von Medikamenten einzuführen. Das Unternehmen hat seinen Sitz in San Diego, Kalifornien. Es ging 2004 an die Börse und hat sich seitdem zu einer dominierenden Kraft in der Biotechnologiebranche entwickelt.

Halozyme Therapeutics bietet eine Vielzahl von Produkten an, darunter auch bahnbrechende Methoden zur Verabreichung von Medikamenten. Zu den Top-Produkten zählen erstklassige Autoinjektoren. Diese Einheiten basieren auf dem patentierten rekombinanten humanen Hyaluronidase-Enzym (rHuPH20), das die Verabreichung injizierbarer Biologika direkt aus einem benutzerfreundlichen Gerät ermöglicht.

Wer im Gesundheitssektor Fuß fassen möchte, sollte sich näher mit Halozyme Therapeutics befassen. Das Unternehmen kann auf eine nachweisliche Erfolgsbilanz zurückblicken und verzeichnete in den letzten fünf Jahren ein beachtliches Wachstum. Derzeit befindet sich HALO im Aufwind, und viele Analysten prognostizieren eine weitere Verstärkung dieses Trends, da das Unternehmen seine Produkte kontinuierlich verfeinert und neue Produkte auf den Markt bringt.

Aktuelles zu Halozyme Therapeutics

Eine bessere Zukunft für die Diabetesbehandlung

Angesichts der Bedeutung dieser Forschung wird deutlich, dass viele Menschen von diesen Erkenntnissen profitieren könnten, um ihre Beschwerden zu lindern. Diabetes ist eine ernste Erkrankung, und da sich Umwelt und Essgewohnheiten weiter verschlechtern, wird die Zahl der Betroffenen weiter steigen. Daher bietet diese Studie eine seltene Gelegenheit, ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie Diabetes in Zukunft verhindert und eliminiert werden kann.

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Zitierte Studien:

^{1. Kim, M., Cho, S., Hwang, DG et al. Bioprinting maßgeschneiderter inselspezifischer Nischen zur Förderung der Reifung von aus Stammzellen gewonnenen Inseln. Nat Commun 16, 1430 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56665-5}