Nano-ingenieurs van de University of California San Diego hebben een levensechte, functioneel bloedvatnetwerk dat de weg zou kunnen effenen voor kunstmatige organen en regeneratieve therapieën.

Het nieuwe onderzoek, onder leiding van professor nanoengineering Shaochen Chen, pakt een van de grootste uitdagingen op het gebied van weefselmanipulatie aan:het creëren van levensechte weefsels en organen met functionerende vasculatuur - netwerken van bloedvaten die bloed kunnen transporteren, voedingsstoffen, afval en ander biologisch materiaal - en doe dit veilig wanneer het in het lichaam wordt geïmplanteerd.

Onderzoekers van andere laboratoria hebben verschillende 3D-printtechnologieën gebruikt om kunstmatige bloedvaten te maken. Maar bestaande technologieën zijn traag, kostbaar en produceren voornamelijk eenvoudige constructies, zoals een enkel bloedvat - een buis, in principe. Deze bloedvaten zijn ook niet in staat om te integreren met het eigen vasculaire systeem van het lichaam.

"Bijna alle weefsels en organen hebben bloedvaten nodig om te overleven en goed te werken. Dit is een groot knelpunt bij het maken van orgaantransplantaties, waar veel vraag naar is, maar schaars, " zei Chen, die de Nanobiomaterialen leidt, bioprinten, en Tissue Engineering Lab aan de UC San Diego. "3D-organen voor bioprinten kunnen deze kloof helpen overbruggen, en ons lab heeft een grote stap gezet in de richting van dat doel."

Chen's lab heeft een vaatstelselnetwerk in 3D geprint dat veilig kan worden geïntegreerd met het eigen netwerk van het lichaam om bloed te laten circuleren. Deze bloedvaten vertakken zich in vele reeksen kleinere bloedvaten, vergelijkbaar met de bloedvatstructuren in het lichaam. Het werk is gepubliceerd in Biomaterialen .

Chen's team ontwikkelde een innovatieve bioprinttechnologie, met behulp van hun eigen zelfgemaakte 3D-printers, om snel ingewikkelde 3D-microstructuren te produceren die de geavanceerde ontwerpen en functies van biologische weefsels nabootsen. Chen's lab heeft deze technologie in het verleden gebruikt om leverweefsel en microscopisch kleine vissen te creëren die in het lichaam kunnen zwemmen om gifstoffen te detecteren en te verwijderen.

Onderzoekers maken eerst een 3D-model van de biologische structuur op een computer. De computer brengt vervolgens 2D-snapshots van het model over naar miljoenen microscopisch kleine spiegels, die elk digitaal worden bestuurd om patronen van UV-licht te projecteren in de vorm van deze snapshots. De UV-patronen worden uitgestraald op een oplossing die levende cellen en lichtgevoelige polymeren bevat die stollen bij blootstelling aan UV-licht. De structuur wordt snel laag voor laag bedrukt, op een continue manier, het creëren van een 3D solide polymeersteiger die levende cellen inkapselt die zullen groeien en biologisch weefsel worden.

"We kunnen rechtstreeks gedetailleerde microvasculatuurstructuren printen in extreem hoge resolutie. Andere 3D-printtechnologieën produceren het equivalent van 'gepixelde' structuren in vergelijking en vereisen meestal opofferingsmaterialen en extra stappen om de vaten te creëren, " zei Wei Zhu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Chen en een hoofdonderzoeker van het project.

En dit hele proces duurt slechts een paar seconden - een enorme verbetering ten opzichte van concurrerende bioprintmethoden, die normaal gesproken uren duren om eenvoudige structuren te printen. Het proces maakt ook gebruik van materialen die goedkoop en biocompatibel zijn.

Chen's team gebruikte medische beeldvorming om een ​​digitaal patroon van een bloedvatnetwerk in het lichaam te creëren. Met behulp van hun technologie, ze printten een structuur met endotheelcellen, dat zijn cellen die de binnenbekleding van bloedvaten vormen.

De hele structuur past op een klein gebied van 4 millimeter × 5 millimeter, 600 micrometer dik (zo dik als een stapel met 12 strengen mensenhaar).

Onderzoekers hebben gedurende één dag verschillende structuren in vitro gekweekt, vervolgens de resulterende weefsels geënt in huidwonden van muizen. Na twee weken, de onderzoekers onderzochten de implantaten en ontdekten dat ze met succes waren uitgegroeid tot en samengevoegd met het netwerk van bloedvaten van de gastheer, waardoor het bloed normaal kan circuleren.

Chen merkte op dat de geïmplanteerde bloedvaten nog niet in staat zijn tot andere functies, zoals het transporteren van voedingsstoffen en afval. "We hebben nog veel werk te doen om deze materialen te verbeteren. Dit is een veelbelovende stap in de richting van de toekomst van weefselregeneratie en -herstel, " hij zei.

Vooruit gaan, Chen en zijn team werken aan het bouwen van patiëntspecifieke weefsels met behulp van door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen, die zou voorkomen dat transplantaties worden aangevallen door het immuunsysteem van een patiënt. En aangezien deze cellen zijn afgeleid van de huidcellen van een patiënt, onderzoekers hoeven geen cellen uit het lichaam te halen om nieuw weefsel te bouwen. Het uiteindelijke doel van het team is om hun werk te verplaatsen naar klinische proeven. "Het zal zeker enkele jaren duren voordat we dat doel bereiken, ' zei Chen.