Bio-ingenieurs van de University of California San Diego hebben een 3D-bioprinttechniek ontwikkeld die werkt met natuurlijke materialen en gemakkelijk te gebruiken is, waardoor onderzoekers met verschillende niveaus van technische expertise levensechte orgaanweefselmodellen kunnen maken.

Als proof-of-concept, het UC San Diego-team gebruikte hun methode om bloedvatnetwerken te creëren die een borstkankertumor buiten het lichaam in leven kunnen houden. Ze creëerden ook een model van een gevasculariseerde menselijke darm. Het werk is onlangs gepubliceerd in Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg .

Het doel is niet om kunstmatige organen te maken die in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd, onderzoekers zeiden, maar om gemakkelijk te kweken menselijke orgaanmodellen te maken die buiten het lichaam kunnen worden bestudeerd of die kunnen worden gebruikt voor het screenen van farmaceutische geneesmiddelen.

"We willen het voor gewone wetenschappers - die misschien niet de specialisatie hebben die nodig is voor andere 3D-printtechnieken - gemakkelijker maken om 3D-modellen te maken van de menselijke weefsels die ze bestuderen, " zei eerste auteur Michael Hu, een bio-engineering Ph.D. student aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "De modellen zouden geavanceerder zijn dan standaard 2D- of 3D-celculturen, en relevanter voor mensen als het gaat om het testen van nieuwe medicijnen, die momenteel op diermodellen wordt gedaan."

"Je hebt niets ingewikkelds nodig om dit in je lab te gebruiken, " zei Prashant Mali, een professor in bio-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, de senior auteur van de studie. "Onze hoop is dat meerdere laboratoria hiermee kunnen werken en hiermee kunnen experimenteren. Hoe meer het wordt geadopteerd, hoe meer impact het kan hebben."

De methode is eenvoudig. Om een ​​levend bloedvatennetwerk te maken, bijvoorbeeld, onderzoekers ontwerpen eerst een scaffold digitaal met behulp van Autodesk. Met behulp van een commerciële 3D-printer, de onderzoekers printen de steiger uit een in water oplosbaar materiaal genaamd polyvinylalcohol. Vervolgens gieten ze een dikke laag - gemaakt van natuurlijke materialen - over de steiger, laat het genezen en stollen, en spoel vervolgens het steigermateriaal naar binnen om holle bloedvatkanalen te creëren. Volgende, ze bedekken de binnenkant van de kanalen met endotheelcellen, dat zijn de cellen die de binnenkant van bloedvaten bekleden. De laatste stap is om celkweekmedia door de vaten te laten stromen om de cellen levend en groeiend te houden.

De vaten zijn gemaakt van natuurlijke materialen die in het lichaam worden aangetroffen, zoals fibrinogeen, een verbinding die wordt aangetroffen in bloedstolsels, en Matrigel, een in de handel verkrijgbare vorm van werkelijke extracellulaire matrix van zoogdieren.

Het vinden van de juiste materialen was een van de grootste uitdagingen, zei bio-ingenieursstudent Xin Yi (Linda) Lei, een co-auteur van het onderzoek. "We wilden materialen gebruiken die natuurlijk waren in plaats van synthetisch, zodat we iets kunnen maken dat zo dicht mogelijk bij wat er in het lichaam zit mogelijk is. Ook moesten ze kunnen werken met onze 3D-printmethode."

"We kunnen deze alledaagse biologisch afgeleide materialen gebruiken om ex vivo weefsels die gevasculariseerd zijn, " zei Mali. "En dat is een belangrijk aspect als we weefsels willen maken die voor zeer lange tijd buiten het lichaam kunnen worden gehandhaafd."

Blijven leven

In een reeks experimenten, de onderzoekers gebruikten de geprinte bloedvaten om tumorweefsel van borstkanker buiten het lichaam in leven te houden. Ze haalden stukjes tumor uit muizen en sloten vervolgens een deel van de stukjes in de geprinte bloedvatennetwerken. Andere stukken werden bewaard in een standaard 3D-celkweek. Na drie weken, de tumorweefsels ingekapseld in de bloedvatafdrukken waren in leven gebleven. In de tussentijd, die in de standaard 3D-celcultuur waren grotendeels uitgestorven.

"Onze hoop is dat we ons systeem kunnen toepassen om tumormodellen te maken die kunnen worden gebruikt om geneesmiddelen tegen kanker buiten het lichaam te testen, " zei Hu, die vooral geïnteresseerd is in het bestuderen van borstkankertumormodellen. "Borstkanker is een van de meest voorkomende vormen van kanker - er is een van de grootste onderzoeksgebieden aan gewijd en een van de grootste groepen geneesmiddelen die er voor worden ontwikkeld. Dus alle modellen die we kunnen maken, zouden nuttig zijn voor meer mensen."

In een andere reeks experimenten, de onderzoekers creëerden een gevasculariseerd darmmodel. De structuur bestond uit twee kanalen. Een daarvan was een rechte buis bekleed met darmepitheelcellen om de darm na te bootsen. De andere was een bloedvatkanaal (bekleed met endotheelcellen) dat rond het darmkanaal spiraalde. Het doel was om een ​​darm na te bootsen omringd door een netwerk van bloedvaten. Elk kanaal werd vervolgens gevoed met media die waren geoptimaliseerd voor zijn cellen. Binnen twee weken, de kanalen hebben meer levensechte morfologieën aangenomen. Bijvoorbeeld, het darmkanaal begon villi te ontkiemen, dat zijn de kleine vingerachtige uitsteeksels die de binnenkant van de darmwand bekleden.

"Met dit soort strategie we kunnen beginnen met het maken van complexe, langlevende systemen in een ex vivo instelling. In de toekomst, dit zou misschien het gebruik van dieren om deze systemen te maken kunnen verdringen, dat is wat er nu wordt gedaan, ' zei Mali.

"Dit was een proof-of-concept dat aantoonde dat we verschillende soorten cellen samen kunnen kweken, wat belangrijk is als we interacties tussen meerdere organen in het lichaam willen modelleren. In een enkele afdruk we kunnen twee verschillende lokale omgevingen creëren, elk houdt een ander type cel in leven, en dicht genoeg bij elkaar geplaatst zodat ze kunnen communiceren, " zei Hu.

Vooruit gaan, het team werkt aan het uitbreiden en verfijnen van deze techniek. Toekomstig werk zal zich richten op het optimaliseren van de geprinte bloedvaten en het ontwikkelen van gevasculariseerde tumormodellen die die in het lichaam beter nabootsen.