Alger puster liv i 3D-konstrueret væv

3-D bioprintede alger kan udnyttes som en bæredygtig kilde til ilt til menneskelige celler i konstrueret vaskulariseret væv, forskere rapporterer 18. november i tidsskriftet Stof . De indlejrede de bioprintede fotosyntetiske alger, sammen med humane leverafledte celler, i en 3-D hydrogel matrix for at skabe honeycomb-formet væv med lobuler, ligner den menneskelige lever. I fremtiden, siger forskerne, det miljøvenlige, omkostningseffektiv 3-D bioprint tilgang kan rumme potentiale for applikationer såsom sygdomsmodellering, udvikling af lægemidler, regenerativ og personlig medicin, og endda fødevareteknik.

"Undersøgelsen er det første sande eksempel på symbiotisk vævsteknologi, der kombinerer planteceller og menneskelige celler på en fysiologisk meningsfuld måde, ved hjælp af 3-D bioprint, " siger seniorstudieforfatter Y. Shrike Zhang, en bioingeniør ved Harvard Medical School og Brigham and Women's Hospital. "Vores undersøgelse giver et unikt eksempel på, hvordan vi kan udnytte den symbiotiske strategi, meget ofte set i naturen, at fremme vores evne til at konstruere funktionelt menneskeligt væv."

Der er en stigende efterspørgsel efter kunstigt væv til at erstatte dem, der er blevet beskadiget for at genoprette organfunktioner, og i løbet af det sidste årti, 3-D bioprintteknikker er blevet brugt til at fremstille vævsstilladser til biomedicinske og vævstekniske applikationer. Denne tilgang involverer typisk aflejring af et bioblæk på en overflade for at producere 3-D strukturer med ønskede arkitekturer og former for at rekapitulere organer og væv, inklusive vaskulaturen, som spiller en afgørende rolle i transporten af ​​ilt og næringsstoffer gennem hele kroppen. Et bioblæk er i bund og grund en hydrogel indeholdende levende celler, biomaterialer, og andre væksttilskud. Det efterligner den ekstracellulære matrix af det ønskede væv og understøtter væksten af ​​de indlejrede celler.

På trods af fremskridt i fremstillingen af ​​3D-væv, hovedbegrænsningen har været at opretholde tilstrækkelige iltniveauer i hele det konstruerede væv for at fremme celleoverlevelse, vækst, og fungerende. Forskere har forsøgt at løse dette problem ved at inkorporere iltfrigivende biomaterialer, men disse virker typisk ikke længe nok og er nogle gange giftige for celler, fordi de producerer molekyler såsom hydrogenperoxid eller andre reaktive oxygenarter. "En metode til at muliggøre vedvarende frigivelse af ilt fra de konstruerede væv er i presserende efterspørgsel, " siger Zhang.

For at imødekomme denne efterspørgsel, Zhang og hans kolleger udviklede en algebaseret 3-D bioprintmetode til at inkorporere vaskulære mønstre i konstrueret væv og give en bæredygtig kilde til ilt til menneskelige celler i vævene. Specifikt, de brugte fotosyntetiske encellede grønalger kaldet Chlamydomonas reinhardtii. Denne symbiotiske strategi gavner også algerne, hvis vækst delvist understøttes af kuldioxid frigivet af de omgivende menneskelige celler.

Det første trin involverede 3-D bioprint af algerne. Forskerne indkapslede C. reinhardtii i et bioblæk, der primært består af cellulose - den vigtigste strukturelle komponent i planter, alger, og svampe. Bioblækket blev sat i en sprøjte udstyret med en nål, og ekstruderingsbioprintning blev udført under anvendelse af en bioprinter.

Næste, forskerne indlejrede både de bioprintede alger og humane leverafledte celler i en 3-D hydrogelmatrix. Den bioprintede C. reinhardtii frigav ilt på en fotosyntetisk måde og forbedrede de menneskelige cellers levedygtighed og funktioner, som voksede til en høj tæthed og producerede leverspecifikke proteiner. "Høje celletætheder i konstrueret vaskulariseret menneskeligt væv var vanskeligt at opnå før, " siger Zhang.

Endelig, forskerne brugte enzymet cellulase til at nedbryde det cellulosebaserede bioblæk, fyldte derefter de efterladte hule mikrokanaler med menneskelige vaskulære celler for at skabe vaskulære netværk i det leverlignende væv. "Udvikling af et sådant flygtigt bioblæk, der muliggør initial iltning og efterfølgende kardannelse inden for en enkelt vævskonstruktion, er ikke blevet rapporteret før, ", siger Zhang. "Dette er et kritisk skridt i retning af vellykket konstruktion af levedygtige og funktionelle væv."

Til sidst, den 3D-vaskulariserede, oxygeniseret manipuleret væv rummer potentiale for fremtidig implantation for at opnå vævsregenerering hos mennesker. Disse væv kan også bruges til lægemiddelscreening og udvikling, studere sygdomsmekanismer, og eventuelt personlig medicin, hvis der anvendes patientspecifikke celler.

En anden potentiel anvendelse af 3-D bioprint-teknologien er fødevareteknologi. Mikroalger repræsenterer en rig kilde til protein, kulhydrater, flerumættede fedtsyrer, carotenoider, vitaminer, og essentielle mineraler. Disse bioaktive forbindelser kunne inkorporeres i innovative, dyrkede fødevarer for at øge deres ernæringsmæssige værdi og fremme sundhed.

Men i mellemtiden, mere indsats er nødvendig for at optimere metoden. For eksempel, dyrkningsmediet kunne forbedres for at lette væksten af ​​både C. reinhardtii og humane celler, og lysforholdene kunne indstilles til at optimere ilttilførslen fra algerne. I øvrigt, detaljerede undersøgelser af biosikkerhed, toksicitet, og immunkompatibilitet af algerne vil være vigtig for klinisk oversættelse i fremtiden. "Denne teknologi kan ikke umiddelbart bruges til mennesker, " siger Zhang. "Det er stadig proof-of-concept og vil kræve betydelige opfølgende undersøgelser at oversætte."