Forskerholdet sigter mod at reducere omkostningerne ved lægemiddeludvikling ved hjælp af 3-D-printede levende væv

Thomas E. Angelini, Ph.D., Lektor i Institut for Mekanisk &Luftfartsteknik ved University of Florida og hans forskningsgruppe, Soft Matter Engineering-laboratoriet har med succes fremstillet levende mikrostråler fra glioblastomceller og ekstracellulært materiale (ECM) indlejret i et pakket mikrogel-støttemedium. De karakteriserede efterfølgende bjælkernes fysiske egenskaber og sammenlignede deres resultater med traditionelle maskintekniske modeller. Til deres overraskelse, disse mikroskopiske, sarte strukturer opfører sig meget som de massive bjælker, der bruges i det daglige byggeri. "Vi var glade og glade for at se, at vores mikrostråler, kun 50 til 200 µm i diameter, handlet i overensstemmelse med de mekaniske principper for andre modeller, såsom store stålbjælker, " sagde S. Tori Ellison. Ellison er en Ph.D.-studerende i Mechanical &Aerospace Engineering, som er mentoreret af Dr. Angelini og er den første forfatter på det publicerede papir, der er resultatet af denne forskning.

For systematisk at teste variablerne, der kontrollerer celle-ECM mikrostrålemekanik, forskerne varierede celletæthed, ECM koncentration, mikrostråle diameter, og det omgivende mediums materialeegenskaber. De fandt en kaskade af celledrevet adfærd, inklusive bjælkebøjning, slå op, og aksial kontraktion. Ved at modificere klassiske mekaniske teorier, de afslørede grundlæggende principper for vævsmikrostrålemekanik, der kan generaliseres til celletyper, ECM'er, og støttemateriale til bioprint. "Disse grundlæggende principper kan udvides til andre former, såsom plader og rør, muliggør en komponentorienteret fremtid for mekanisk design inden for vævsteknologi og biofremstilling, hvor stabilitet og ustabilitet er programmeret ind i vævsmodningsprocessen, " sagde Cameron Morley, medførsteforfatter. Morely er også Mechanical &Aerospace Engineering Ph.D. studerende mentoreret af Dr. Angelini.

Deres gennembrudsfund, som har betydelige implikationer på 3-D bio-fremstillingsstrategier og design af dynamiske flercellede samlinger i regenerativ medicin, såvel som vævstekniske applikationer, er offentliggjort i julinummeret af Naturkommunikation .

Resultaterne af denne forskning vil blive brugt i et spændende nyt projekt Dr. Angelini og hans ingeniørteam for bløde stoffer er lige begyndt, som involverer udvikling af avancerede 3-D levervævsmodeller til lægemiddeludviklingsapplikationer. "BioFabUSA, et Department of Defense-finansieret Manufacturing U.S. Institute, drevet af The Advanced Regenerative Manufacturing Institute (ARMI), finansierer projektet."

Ifølge projektforslaget målet er at udvikle mikrovæv, der kan bruges i kommercielle lægemiddeludviklingsapplikationer. Formålet med forskningen er at generere in vitro bio-fremstillede levermikrovæv af definerede dimensioner og cellulær sammensætning, som vil have høje niveauer af reproducerbarhed med hensyn til metrologi, celle funktion, og cellefølsomhed over for lægemidler og testforbindelser.

Forslaget opstiller tre komponenter:

1. Et nyt biofremstillings- og 3-D kultursystem, der letter hurtige, præcis, høj opløsning 3-D bio-print af flere komponenter, overvågning og analyse af mikrovæv, og vedligeholdelse af mikrovæv gennem medieudveksling eller passage;
2. Kombinationer af leverceller og ekstracellulære materialer 3-D printet ind i adskillige forskellige mikrostrukturer, der vil blive overvåget for responskriterier; og
3. Avancerede automations- og ingeniørløsninger.

Projektet bliver et tæt samarbejde mellem UF og branchepartnere. Forskere på projektet forestiller sig, at deres resultater vil føre til nye produkter, herunder emballerede mikrovæv, der kan bruges til at modellere human levertoksicitet af farmaceutiske forbindelser i avanceret udvikling og test af lægemidler.

Dette projekt vil også producere instrumentering, teknikker, og analyser, der er nødvendige for at biofremstille små surrogater af et væld af forskellige typer væv i den næste fase af forskningen.

Dr. Angelini opsummerede sit teams arbejde, "Den dedikerede forpligtelse fra vores laboratorium til at bevise det sunde grundlag for vores biofremstillede 3D-kultursystem gør os til en pålidelig partner i denne banebrydende bestræbelse på at bringe effektiv medicin og behandlinger på markedet på et sikrere, hurtigere, billigere måde."

"Ingeniørforskere bidrager i stigende grad direkte til klinisk oversættelsesforskning, der kan resultere i solide og umiddelbare fordele, som påvirker mennesker og befolkninger. Det, Dr. Angelini og hans studerende gjorde, var eksemplariske for New Engineers, som vil transformere fremtidens samfund, " konkluderede Dr. Forrest Masters, Associeret dekan for forskning for Herbert Wertheim College of Engineering.