Nanoingeniører sigter mod at dyrke væv med funktionelle blodkar

University of California, San Diego NanoEngineers vandt en bevilling fra National Institutes of Health (NIH) til at udvikle værktøjerne til at fremstille biologisk nedbrydelige rammer, omkring hvilke hjertevæv - inklusive funktionelle blodkar - vil vokse. Udvikling af metoder til dyrkning af væv, der efterligner naturens finkornede detaljer, herunder vaskulatur, kan føre til gennembrud i bestræbelserne på at dyrke udskiftning af hjertevæv for mennesker, der har fået et hjerteanfald. Arbejdet kan også føre til bedre systemer til dyrkning og undersøgelse af celler, herunder stamceller, i laboratoriet.

Professor Shaochen Chen fra UC San Diego Department of NanoEngineering er hovedundersøger på den fireårige bevilling på 1,5 millioner dollar fra National Institutes of Health. Tilskuddet finansierer udviklingen af ​​den produktionsplatform, der er nødvendig for at producere disse biologisk nedbrydelige rammer eller "stilladser".

"Vi skaber biomaterialer med nanostrukturer på indersiden, "sagde Chen." Videnskabeligt er der så mange muligheder på molekylært niveau, og nanoengineering er en perfekt pasform til det. Vi forventer, at vores nye biofremstillingsplatform vil give væv, der efterligner naturligt væv meget tættere."

En sådan mulighed er at tilføje nye niveauer af præcision og funktionalitet til stilladserne produceret af "biofabrication platform", som Chen og hans samarbejdspartnere opfandt og har forbedret i løbet af de sidste fem år.

Med den forbedrede biofabrikationsplatform, ingeniører i Department of NanoEngineering inden for UC San Diego Jacobs School of Engineering vil være i stand til at producere stilladser med præcist designet systemer af nanoskala porer og andre mikroarkitektoniske detaljer, der styrer, hvordan celler interagerer med hinanden og med miljøet.

"Du skal designe porerne, så cellen kan få næring og dumpe affald ... veje for cellen til at overleve i systemet, " forklarede Chen.

Forskerne planlægger også at oprette stilladser med rør, og så disse rør med cellerne, der beklæder blodkarrene - endotelceller - for at forsøge at generere fungerende vaskulære systemer. Manglen på blodkar i de fleste vævsregenereringssystemer resulterer i celledød, tab af funktion, og begrænser den maksimale størrelse af regenereret væv.

Ud over, de kemiske egenskaber ved de nye stilladser vil ændre sig fra top til bund, som vil skabe kemiske gradienter, der driver cellevækst.

Som i tidligere versioner af Chens stilladsbygningssystem, celler vil blive indkapslet inden for stilladsvægge.

"Som regel, når forskere dyrker væv, de laver et stillads, læg cellerne i stilladset og lad cellerne vokse, " forklarede Chen. "Når vi fremstiller vores stilladser, cellerne er allerede inde i stilladsvæggene." Indkapsling af celler i væggene fremmer ensartet såning af celler.

Stilladserne vil være baseret på naturlige materialer såsom hyaluronsyre, en nøglekomponent i den "ekstracellulære matrix", der giver strukturel støtte, sårheling, og en række andre funktioner til mennesker og andre dyrevæv.

"Hydrogelerne til vores stilladser må ikke være for bløde, for klæbrig eller for stiv. De skal passe til det biologiske vævs behov, " sagde Chen.

Samarbejdspartnere på Harvard Medical School vil vokse og karakterisere det væv, der er startet på stilladserne.

Projektion Bioprinting

Til fremstilling af vævsstilladser, Chen og kolleger har udviklet og fortsætter med at forfine en fremstillingsproces, der bruger lys, præcist styrede spejle, og et computerprojektionssystem. Først, ingeniørerne designer en tredimensionel model af strukturen, der skal udskrives. Næste, ingeniørerne forbereder en opløsning, der indeholder både de celler, der til sidst vil vokse ind i vævet, og de polymerer, der vil størkne i stilladset. Når lys skinner ind i løsningen ved hjælp af serien af ​​spejle, stilladset størkner i henhold til de nøjagtige specifikationer for det projicerede billede.

Efter disse trin, stilladser fremstilles, og celler er indkapslet i stilladsvægge, da lys størkner polymererne et lag ad gangen.

"Med vores biofabrikationsplatform, vi kan bygge vilkårligt, tredimensionelle former, som grene af blodkar, og rør – store som små, "sagde Chen. Mit fokus er på materialefremstilling og apparatniveau. Dette arbejde kan anvendes på mange forskellige typer celler og væv."