Den nye innovation giver forskerne mulighed for at skabe udsøgt sammenfiltrede vaskulære netværk, der efterligner kroppens naturlige passager for blod, luft, lymfe og andre livsvigtige væsker.
Forskningen er på forsiden af denne uges udgave af Science. Den omfatter et visuelt imponerende principbevis – en hydrogelmodel af en lunge-lignende luftsæk, hvor luftvejene leverer ilt til de omkringliggende blodkar. Der rapporteres også om forsøg med at implantere bioprintede konstruktioner indeholdende leverceller i mus.
Arbejdet blev ledet af bioingeniørerne Jordan Miller fra Rice University og Kelly Stevens fra University of Washington (UW) og omfattede 15 samarbejdspartnere fra Rice, UW, Duke University, Rowan University og Nervous System, et designfirma i Somerville, Massachusetts.
“En af de største hindringer for at skabe funktionelle vævserstatninger har været vores manglende evne til at udskrive de komplekse blodkar, der kan forsyne tæt befolkede væv med næringsstoffer”, siger Miller, der er assisterende professor i bioteknologi ved Rice’s Brown School of Engineering. “Desuden indeholder vores organer faktisk uafhængige vaskulære netværk – som f.eks. luftvejene og blodkarrene i lungerne eller galdegangene og blodkarrene i leveren. Disse indbyrdes gennemtrængende netværk er fysisk og biokemisk sammenfiltrede, og selve arkitekturen er tæt forbundet med vævets funktion. Vores er den første bioprinting-teknologi, der tager udfordringen med multivaskularisering op på en direkte og omfattende måde.”
Stevens, der er assisterende professor i bioteknologi ved UW College of Engineering, assisterende professor i patologi ved UW School of Medicine og forsker ved UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, sagde, at multivaskularisering er vigtig, fordi form og funktion ofte går hånd i hånd.
“Tissue engineering har kæmpet med dette i en generation”, sagde Stevens. “Med dette arbejde kan vi nu bedre spørge: “Hvis vi kan udskrive væv, der ser ud og nu endda trækker vejret mere som de sunde væv i vores kroppe, vil de så også funktionelt opføre sig mere som disse væv? Det er et vigtigt spørgsmål, for hvor godt et bioprintet væv fungerer, vil påvirke, hvor vellykket det vil være som terapi.”
Målet med at bioprintet sunde, funktionelle organer er drevet af behovet for organtransplantationer. Alene i USA står mere end 100.000 mennesker på ventelisterne til transplantation, og de, der i sidste ende modtager donororganer, skal stadig bruge immunundertrykkende medicin hele livet for at forhindre afstødning af organerne. Bioprinting har tiltrukket sig stor interesse i det seneste årti, fordi det teoretisk set kan løse begge problemer ved at give lægerne mulighed for at udskrive erstatningsorganer fra patientens egne celler. En klar forsyning af funktionelle organer kunne en dag anvendes til behandling af millioner af patienter verden over.
“Vi forestiller os, at bioprinting bliver en vigtig del af medicinen i løbet af de næste to årtier”, sagde Miller.
“Leveren er særlig interessant, fordi den har 500 funktioner, hvilket er utroligt mange, sandsynligvis kun overgået af hjernen”, sagde Stevens. “Leverens kompleksitet betyder, at der i øjeblikket ikke findes nogen maskine eller terapi, der kan erstatte alle dens funktioner, når den svigter. Bioprintede menneskelige organer kan måske en dag levere denne terapi.”
For at imødegå denne udfordring skabte holdet en ny bioprinting-teknologi med åben kildekode kaldet “stereolithography apparatus for tissue engineering”, eller SLATE. Systemet anvender additiv fremstilling til at fremstille bløde hydrogeler et lag ad gangen.
Lagene udskrives fra en flydende præ-hydrogelopløsning, der bliver fast, når den udsættes for blåt lys. En digital lysbehandlingsprojektor skinner lys nedefra og viser sekventielle 2D-skiver af strukturen i høj opløsning med pixelstørrelser på mellem 10-50 mikrometer. Når hvert lag er størknet på skift, løfter en arm over hovedet den voksende 3D-gel lige nok til at eksponere væsken for det næste billede fra projektoren. Miller og Bagrat Grigoryan, en kandidatstuderende fra Rice og hovedmedforfatter på undersøgelsen, havde en vigtig indsigt i tilføjelsen af fødevarefarvestoffer, der absorberer blåt lys. Disse fotoabsorberende stoffer begrænser størkningen til et meget fint lag. På denne måde kan systemet producere bløde, vandbaserede, biokompatible geler med en indviklet indre arkitektur på få minutter.
Test af den lungemimiterende struktur viste, at vævene var robuste nok til at undgå at sprænge under blodgennemstrømning og pulserende “vejrtrækning”, en rytmisk ind- og udstrømning af luft, der simulerede de tryk og frekvenser, der er kendetegnende for menneskelig vejrtrækning. Testene viste, at de røde blodlegemer kunne optage ilt, når de strømmede gennem et netværk af blodkar, der omgav den “åndende” luftsæk. Denne bevægelse af ilt ligner den gasudveksling, der finder sted i lungens alveolære luftsække.
For at designe undersøgelsens mest komplicerede lungemimiterende struktur, som er vist på forsiden af Science, samarbejdede Miller med medforfatterne Jessica Rosenkrantz og Jesse Louis-Rosenberg, som er medstiftere af Nervous System.
“Da vi grundlagde Nervous System, var det med det formål at tilpasse algoritmer fra naturen til nye måder at designe produkter på,” sagde Rosenkrantz. “Vi havde aldrig forestillet os, at vi ville få mulighed for at bringe det tilbage og designe levende væv.”
I testene af terapeutiske implantater til leversygdomme 3D-printede holdet væv, fyldte dem med primære leverceller og implanterede dem i mus. Vævene havde separate rum til blodkar og leverceller og blev implanteret i mus med kronisk leverskade. Test viste, at levercellerne overlevede implantationen.
Miller sagde, at det nye bioprinting-system også kan producere intravaskulære funktioner, som f.eks. bikuspide ventiler, der gør det muligt for væske at strømme i kun én retning. Hos mennesker findes intravaskulære ventiler i hjertet, benvenerne og supplerende netværk som lymfesystemet, der ikke har nogen pumpe til at drive strømmen.
“Med tilføjelsen af multivaskulær og intravaskulær struktur introducerer vi et omfattende sæt af designfriheder til engineering af levende væv,” sagde Miller. “Vi har nu friheden til at bygge mange af de indviklede strukturer, der findes i kroppen.”
Miller og Grigoryan kommercialiserer centrale aspekter af forskningen gennem en Houston-baseret startup-virksomhed kaldet Volumetric. Virksomheden, som Grigoryan er blevet fuldtidsansat i, designer og fremstiller bioprintere og bioinks.
Miller, der længe har været fortaler for 3D-printning med åben kildekode, sagde, at alle kildedata fra eksperimenterne i den offentliggjorte Science-undersøgelse er frit tilgængelige. Desuden er alle de 3D-printbare filer, der er nødvendige for at bygge stereolitografiudskrivningsapparatet, tilgængelige, ligesom designfilerne til udskrivning af hver af de hydrogeler, der blev anvendt i undersøgelsen.
“Ved at gøre hydrogel-designfilerne tilgængelige vil andre kunne udforske vores indsats her, selv om de anvender en fremtidig 3D-printteknologi, der ikke findes i dag,” sagde Miller.
Miller sagde, at hans laboratorium allerede bruger de nye design- og bioprintingteknikker til at udforske endnu mere komplekse strukturer.
“Vi er kun i begyndelsen af vores udforskning af de arkitekturer, der findes i den menneskelige krop,” sagde han. “Vi har stadig så meget mere at lære.”
Den øvrige medforfattere af undersøgelsen omfatter Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat og Anderson Ta fra Rice; Daniel Corbett, Chelsea Fortin og Fredrik Johansson fra UW; John Gounley og Amanda Randles fra Duke; og Peter Galie fra Rowan.
Arbejdet blev støttet af Robert J. Kleberg, Jr. og Helen C. Kleberg Foundation, John H. Tietze Foundation, National Science Foundation (1728239, 1450681 og 1250104), National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 og DP5OD019876) og Gulf Coast Consortia.
VIDEO er tilgængeligt på: