Biodrukowanie 3D żywych tkanek

tkanka

Naukowcy z Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) oraz Wyss Institute at Harvard University w Stanach Zjednoczonych dokonali istotnego kroku w kierunku drukowania trójwymiarowych, wzorzystych konstrukcji tkanek z wielu typów komórek i drobnych naczyń krwionośnych. Ich praca stanowi ważny etap w rozwoju inżynierii tkankowej. Ludzka tkanka wytworzona metodą 3D była odwzorowana tak dokładnie, że możliwe wydaje się testowanie na niej skuteczności i bezpieczeństwa leków. Być może w przyszłości uszkodzone lub chore tkanki skanowane za pomocą tomografii komputerowej będą następnie drukowane w 3D i używane do naprawy lub wymiany zużytych organów.

Umiejętność budowy trójwymiarowej, unaczynionej tkanki umożliwiłaby rozszerzenie technologii w inżynierii tkankowej, przesiewach leków oraz naprawie organów. W celu wytworzenia konstrukcji 3D naśladującej naturalne narządy, zachowanych musi być kilka kluczowych elementów. Wymagane jest odpowiednie połączenie i geometria m.in. macierzy pozakomórkowej (z ang. extracellular matrix, ECM), czyli mieszaniny wytwarzanej przez komórki, wypełniającej przestrzeń między nimi oraz naczyń krwionośnych. Każdy z tych elementów odgrywa istotną rolę w podtrzymywaniu funkcji życiowych biomimetycznej tkanki i jest konieczny do właściwego działania. Być może najważniejszym z tych składników są naczynia włosowate – bez ich udziału, zapewniającego transport składników odżywczych oraz odpadów, wzrost komórek i utrzymanie tkanki przy życiu nie byłoby możliwe. Inżynierowie przez lata próbowali opracować proces produkcji unaczynionych tkanek ludzkich służących jako zamienniki. Niektórym się to udało, ale były one ograniczone do cienkich plasterków. Kiedy podejmowano próby fabrykacji grubszych warstw tkanki, komórki we wnętrzu nie otrzymywały tlenu i substancji odżywczych, ani nie mogły usunąć dwutlenku węgla. Następowała wówczas martwica, czyli obumieranie.

To właśnie trójwymiarowe biodrukowanie ma zapewnić obecność naczyń w odpowiedniej odległości od każdej komórki. Do tej pory, ta technika była wykorzystywana głównie do tworzenia bezkomórkowych rusztowań i form 3D, na których dopiero po zakończeniu budowy zaszczepiano komórki. Nowa metoda zaprezentowana przez badaczy z Harvard Univeristy umożliwia przygotowanie unaczynionej tkanki z wieloma typami komórek oraz macierzą pozakomórkową. Powstanie skomplikowanych heterostruktur wymagało zdolności do precyzyjnego drukowania wielu materiałów. W związku z tym, naukowcy zaprojektowali niestandardową, wielkopowierzchniową (725 mm × 650 mm × 150 mm) biodrukarkę 3D z czterema niezależnie sterowanymi głowicami. W celu wytworzenia zróżnicowanych, trójwymiarowych konstrukcji testowano ją za pomocą barwionych tuszy z polidimetylosiloksanu (z ang. polydimethylsiloxane, PDMS). Każda wyprodukowana warstwa składała się z innego materiału. Następnie, naukowcy skupili się na sporządzeniu hydrożelowych „farb” z ładunkiem komórek, które musiały być stosunkowo niedrogie, kompatybilne z warunkami drukowania oraz nie mogły ulec uszkodzeniu. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w 18 lutego 2014, w internetowym wydaniu czasopisma Advanced Materials.

Biomimetyczna tkanka (naśladująca zachowanie naturalnej) została wydrukowana z kilku różnych „farb”. Podłoże z atramentu PDMS, który jest biokompatybilnym polimerem z grupy siloksanów zostało naniesione przez dyszę stożkową o średnicy 200 mikrometrów. Następnie, osadzono na nim w temperaturze w 37°C matrycę w postaci cienkiej warstwy z żelatynowego hydrożelu metakrylanu (z ang. gelatin methacrylate, GelMA). Ochłodzono ją potem do temperatury 15°C w celu wywołania szybkiego żelowania. Matryca z GelMA była odpowiednikiem macierzy pozakomórkowej. Materiał ten został wybrany ze względu na niski koszt produkcji, ogólnodostępność, łatwość obróbki i biokompatybilność. GelMA to denaturyzowany kolagen modyfikowany fotopolimeryzacyjnym metakrylanem. Kolejnym krokiem było naniesienie atramentu z poloksamerem 407 imitującym naczynia krwionośne. Środek o handlowej nazwie Pluronic F-127 to kopolimer powierzchniowo czynny (hydrofilowy, niejonowy surfaktant). Co ważne, jest biologicznie obojętny względem różnych typów komórek w krótkim okresie czasu potrzebnym do zakończenia procesu wytwarzania tkanki. Ostatni pojemnik i głowica zawierały „tusz” GelMA na bazie komórek (z materiałem biologicznym), który został osadzony bezpośrednio na matrycy i przykrył poprzednie warstwy. Cała konstrukcja została naświetlona światłem UV (przez 60 sekund) w celu usieciowania. Tkankę ochłodzono potem do temperatury 4°C w celu skroplenia i usunięcia poloksameru 407. Pozostałe, puste mikrokanały gwarantowały pożądane trasy transportu jak w żywym organizmie. Zespoły z Harvardu testowały wszechstronność i wydajność tworów przez drukowane różnych typów trójwymiarowych konstrukcji. Zbudowano nawet tkankę zawierającą naczynia krwionośne i trzy różne typy komórek, czyli strukturę o zbliżonej złożoności do tkanek litych. Ponadto, wstrzyknięte do mikrokanalików ludzkie komórki śródbłonka odnowiły wyściółkę naczyń krwionośnych, co stanowi ważną informację jeśli chodzi o utrzymywanie tkanki przy życiu.

Obecnie naukowcy skupiają się na wyprodukowaniu funkcjonalnych tkanek 3D, do badania wpływu nowych leków. Jak twierdzą autorzy, to dziedzina, gdzie mogą one znaleźć natychmiastowe zastosowanie. Zdolność do wytworzenia działającej sieci naczyniowej to nie tylko możliwość fabrykacji grubszych tkanek, lecz także zwiększenie zakresu operacji w łączeniu naturalnego układu naczyniowego z tym wykonanym w laboratorium.

Źródło:
[1] 3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs. David B. Kolesky, Ryan L. Truby, A. Sydney Gladman, Travis A. Busbee, Kimberly A. Homan, Jennifer A. Lewis. Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201305506
[2] http://lewisgroup.seas.harvard.edu/files/lewisgroup/files/adma201305506_1.pdf [21.02.2014]
[3] http://www.seas.harvard.edu/news/2014/02/essential-step-toward-printing-living-tissues [21.02.2014]
[4] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201305506/abstract [21.02.2014]
[5] Bruises Blisters…….Brains? by BaileyRaeWeaver, flickr.com, CC BY 2.0

1 komentarz
  1. Tyg Odpowiedz

    Wykorzystanie do testowania leków może być stać się faktycznie bardziej komercyjnym zastosowaniem niż sama medycyna regeneracyjna.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *