3-D bioprinted algen kunnen worden gebruikt als een duurzame bron van zuurstof voor menselijke cellen in gemanipuleerde gevasculariseerde weefsels, onderzoekers rapporteren 18 november in het tijdschrift Materie . Ze hebben de bioprinted fotosynthetische algen ingebed, samen met menselijke lever-afgeleide cellen, in een 3D-hydrogelmatrix om honingraatvormige weefsels met lobben te creëren, vergelijkbaar met de menselijke lever. In de toekomst, zeggen de onderzoekers, de milieuvriendelijke, kosteneffectieve benadering van 3D-bioprinten kan potentieel bieden voor toepassingen zoals ziektemodellering, Drug ontwikkeling, regeneratieve en gepersonaliseerde geneeskunde, en zelfs voedseltechniek.

"De studie is het eerste echte voorbeeld van symbiotische weefselmanipulatie die plantencellen en menselijke cellen op een fysiologisch zinvolle manier combineert, met behulp van 3D bioprinten, " zegt senior studie auteur Y. Shrike Zhang, een bio-ingenieur aan de Harvard Medical School en Brigham and Women's Hospital. "Onze studie biedt een uniek voorbeeld van hoe we de symbiotische strategie kunnen benutten, vaak gezien in de natuur, om ons vermogen om functionele menselijke weefsels te ontwikkelen te bevorderen."

Er is een toenemende vraag naar kunstmatige weefsels om de beschadigde weefsels te vervangen om orgaanfuncties te herstellen, en in het afgelopen decennium, 3D-bioprinttechnieken zijn gebruikt om weefselsteigers te fabriceren voor biomedische en weefseltechnische toepassingen. Deze benadering omvat meestal het deponeren van een bioinkt op een oppervlak om 3D-structuren te produceren met de gewenste architecturen en vormen om organen en weefsels te recapituleren, inclusief het vaatstelsel, die een cruciale rol speelt bij het transport van zuurstof en voedingsstoffen door het lichaam. Een bioink is in wezen een hydrogel met levende cellen, biomaterialen, en andere groeisupplementen. Het bootst de extracellulaire matrix van het gewenste weefsel na en ondersteunt de groei van de ingebedde cellen.

Ondanks vooruitgang in de fabricage van 3D-weefsels, de belangrijkste beperking was het handhaven van voldoende zuurstofniveaus door het gemanipuleerde weefsel om de overleving van de cellen te bevorderen, groei, en functioneren. Onderzoekers hebben geprobeerd dit probleem aan te pakken door zuurstofafgevende biomaterialen op te nemen, maar deze werken meestal niet lang genoeg en zijn soms giftig voor cellen omdat ze moleculen produceren zoals waterstofperoxide of andere reactieve zuurstofsoorten. "Er is dringend vraag naar een methode om aanhoudende afgifte van zuurstof vanuit de gemanipuleerde weefsels mogelijk te maken, "zegt Zhang.

Om aan deze vraag te voldoen, Zhang en zijn collega's ontwikkelden een op algen gebaseerde 3D-bioprintmethode om vasculaire patronen op te nemen in gemanipuleerde weefsels en een duurzame bron van zuurstof te bieden voor menselijke cellen in de weefsels. specifiek, ze gebruikten fotosynthetische eencellige groene algen genaamd Chlamydomonas reinhardtii. Deze symbiotische strategie komt ook de algen ten goede, waarvan de groei gedeeltelijk wordt ondersteund door koolstofdioxide dat wordt afgegeven door de omringende menselijke cellen.

De eerste stap was het 3D bioprinten van de algen. De onderzoekers hebben C. reinhardtii ingekapseld in een bioinkt die voornamelijk bestaat uit cellulose - de belangrijkste structurele component van planten, algen, en schimmels. De bioink werd geladen in een injectiespuit met een naald, en extrusie-bioprinting werd uitgevoerd met behulp van een bioprinter.

Volgende, de onderzoekers hebben zowel de bioprinted algen als de menselijke lever-afgeleide cellen in een 3D-hydrogelmatrix ingebed. De bioprinted C. reinhardtii gaf op fotosynthetische wijze zuurstof vrij en verbeterde de levensvatbaarheid en functies van de menselijke cellen, die uitgroeide tot een hoge dichtheid en leverspecifieke eiwitten produceerde. "Hoge celdichtheden in gemanipuleerde gevasculariseerde menselijke weefsels waren voorheen moeilijk te verkrijgen, "zegt Zhang.

Eindelijk, gebruikten de onderzoekers het enzym cellulase om de op cellulose gebaseerde bioinkt af te breken, vulde vervolgens de holle microkanalen die waren achtergelaten met menselijke vasculaire cellen om vasculaire netwerken te creëren in het leverachtige weefsel. "De ontwikkeling van zo'n voortvluchtige bioinkt die initiële oxygenatie en daaropvolgende vaatvorming binnen een enkel weefselconstruct mogelijk maakt, is niet eerder gemeld, " zegt Zhang. "Dit is een cruciale stap in de richting van succesvolle engineering van levensvatbare en functionele weefsels."

Uiteindelijk, de 3D gevasculariseerde, geoxygeneerde gemanipuleerde weefsels bevatten potentieel voor toekomstige implantatie om weefselregeneratie bij mensen te bereiken. Deze weefsels kunnen ook worden gebruikt voor het screenen en ontwikkelen van geneesmiddelen, het bestuderen van ziektemechanismen, en mogelijk gepersonaliseerde geneeskunde als patiëntspecifieke cellen worden gebruikt.

Een andere mogelijke toepassing van de 3D-bioprinttechnologie is food engineering. Microalgen vormen een rijke bron van eiwitten, koolhydraten, meervoudig onverzadigde vetzuren, carotenoïden, vitamines, en essentiële mineralen. Deze bioactieve stoffen zouden kunnen worden opgenomen in innovatieve, gekweekte voedingsproducten om hun voedingswaarde te verbeteren en de gezondheid te bevorderen.

Maar ondertussen, er is meer inspanning nodig om de methode te optimaliseren. Bijvoorbeeld, de kweekmedia kunnen worden verbeterd om de groei van zowel C. reinhardtii als menselijke cellen te vergemakkelijken, en lichtomstandigheden kunnen worden afgestemd om de zuurstoftoevoer van de algen te optimaliseren. Bovendien, gedetailleerde studies over bioveiligheid, toxiciteit, en immunocompatibiliteit van de algen zal in de toekomst belangrijk zijn voor klinische vertaling. "Deze technologie kan niet onmiddellijk voor menselijk gebruik worden gebruikt, "Zegt Zhang. "Het is nog steeds een proof-of-concept en er zullen aanzienlijke vervolgstudies nodig zijn om te vertalen."