Let at bruge 3-D bioprint-teknik skaber naturtro væv fra naturlige materialer

Bioingeniører ved University of California San Diego har udviklet en 3-D bioprintteknik, der arbejder med naturlige materialer og er nem at bruge, giver forskere med varierende niveauer af teknisk ekspertise mulighed for at producere naturtro organvævsmodeller.

Som et bevis på konceptet, UC San Diego-teamet brugte deres metode til at skabe blodkarnetværk, der er i stand til at holde en brystkræfttumor i live uden for kroppen. De skabte også en model af en vaskulariseret menneskelig tarm. Værket blev udgivet for nylig i Avancerede sundhedsmaterialer .

Målet er ikke at lave kunstige organer, der kan implanteres i kroppen, forskere sagde, men at lave letdyrkelige menneskelige organmodeller, som kan studeres uden for kroppen eller bruges til farmaceutiske lægemiddelscreening.

"Vi ønsker at gøre det lettere for hverdagsvidenskabsmænd - som måske ikke har den specialisering, der kræves til andre 3-D-printteknikker - at lave 3-D-modeller af det menneskelige væv, de studerer, " sagde første forfatter Michael Hu, en bioingeniør ph.d. studerende ved UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Modellerne ville være mere avancerede end standard 2-D eller 3-D cellekulturer, og mere relevant for mennesker, når det kommer til at teste nye lægemidler, som i øjeblikket udføres på dyremodeller."

"Du behøver ikke noget kompliceret for at tage dette ind i dit laboratorium, " sagde Prashant Mali, en bioingeniørprofessor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering undersøgelsens seniorforfatter. "Vores håb er, at flere laboratorier vil være i stand til at arbejde med dette og eksperimentere med dette. Jo mere det bliver vedtaget, jo mere effekt kan det have."

Metoden er enkel. At lave et levende blodkar netværk, for eksempel, forskere designer først digitalt et stillads ved hjælp af Autodesk. Ved at bruge en kommerciel 3D-printer, forskerne udskriver stilladset af et vandopløseligt materiale kaldet polyvinylalkohol. De hælder derefter en tyk belægning - lavet af naturlige materialer - over stilladset, lad det helbrede og størkne, og skyl derefter stilladsmaterialet ud for at skabe hule blodkarkanaler. Næste, de belægger indersiden af ​​kanalerne med endotelceller, som er de celler, der beklæder indersiden af ​​blodkarrene. Det sidste trin er at strømme cellekulturmedier gennem karrene for at holde cellerne i live og i vækst.

Karrene er lavet af naturlige materialer, der findes i kroppen, såsom fibrinogen, en forbindelse, der findes i blodpropper, og Matrigel, en kommercielt tilgængelig form for faktisk ekstracellulær matrix af pattedyr.

At finde de rigtige materialer var en af ​​de største udfordringer, sagde bioingeniørstuderende Xin Yi (Linda) Lei, en medforfatter på undersøgelsen. "Vi ønskede at bruge materialer, der var naturlige frem for syntetiske, så vi kunne lave noget så tæt på det, der er i kroppen som muligt. De skulle også kunne arbejde med vores 3-D printmetode."

"Vi kan bruge disse daglige biologisk afledte materialer til at lave ex vivo væv, der er vaskulariseret, " sagde Mali. "Og det er et vigtigt aspekt, hvis vi ønsker at lave væv, der kan opretholdes i meget lange perioder uden for kroppen."

Forbliv i live

I et sæt eksperimenter, forskerne brugte de trykte blodkar til at holde brystkræfttumorvæv i live uden for kroppen. De udtog stykker af tumorer fra mus og indlejrede derefter nogle af stykkerne i de trykte blodkarnetværk. Andre stykker blev holdt i en standard 3-D cellekultur. Efter tre uger, tumorvævet indkapslet i blodkaraftrykkene var holdt i live. I mellemtiden dem i standard 3-D cellekulturen var for det meste døde.

"Vores håb er, at vi kan anvende vores system til at lave tumormodeller, der kan bruges til at teste kræftmedicin uden for kroppen, " sagde Hu, som er særligt interesseret i at studere brystkræfttumormodeller. "Brystkræft er en af ​​de mest almindelige kræftformer - den har en af ​​de største dele af forskningen dedikeret til det og et af de største paneler af lægemidler, der udvikles til det. Så alle modeller, vi kan lave, ville være nyttige for flere mennesker."

I et andet sæt eksperimenter, forskerne skabte en vaskulariseret tarmmodel. Strukturen bestod af to kanaler. Den ene var et lige rør foret med tarmepitelceller for at efterligne tarmen. Den anden var en blodkarkanal (foret med endotelceller), der spiralerede rundt om tarmkanalen. Målet var at genskabe en tarm omgivet af et blodkarnetværk. Hver kanal blev derefter fodret med medier optimeret til dens celler. Inden for to uger, kanalerne er begyndt at antage mere naturtro morfologier. For eksempel, tarmkanalen var begyndt at spire villi, som er de små fingerlignende fremspring, der beklæder indersiden af ​​tarmvæggen.

"Med denne type strategi, vi kan begynde at gøre komplekse, langlevende systemer i en ex vivo indstilling. I fremtiden, dette kunne måske erstatte brugen af ​​dyr til at lave disse systemer, hvilket er hvad der bliver gjort lige nu, " sagde Mali.

"Dette var et proof of concept, der viser, at vi kan dyrke forskellige typer celler sammen, hvilket er vigtigt, hvis vi ønsker at modellere multi-organ interaktioner i kroppen. I et enkelt tryk, vi kan skabe to adskilte lokale miljøer, hver holder en anden type celle i live, og placeret tæt nok sammen, så de kan interagere, " sagde Hu.

Bevæger sig fremad, holdet arbejder på at udvide og forfine denne teknik. Fremtidigt arbejde vil fokusere på at optimere de trykte blodkar og udvikle vaskulariserede tumormodeller, der i højere grad efterligner dem i kroppen.