Uuden innovaation avulla tutkijat voivat luoda hienosti kietoutuneita verisuoniverkostoja, jotka jäljittelevät kehon luonnollisia veri-, ilma-, imuneste- ja muita elintärkeitä nestekäytäviä.
Tutkimus on esillä tämän viikon Science-lehden kannessa. Siihen sisältyy visuaalisesti vaikuttava todiste – hydrogeelimalli keuhkoja jäljittelevästä ilmapussista, jossa ilmatiet toimittavat happea ympäröiviin verisuoniin. Lisäksi raportoidaan kokeista, joissa hiiriin istutetaan maksasoluja sisältäviä biopainettuja rakenteita.
Työtä johtivat biotekniikan insinöörit Jordan Miller Ricen yliopistosta ja Kelly Stevens Washingtonin yliopistosta (UW), ja siihen osallistui 15 yhteistyökumppania Ricestä, UW:stä, Duke-yliopistosta, Rowan-yliopistosta ja Nervous System -suunnittelutoimistosta, joka toimii Somervillessä, Massachusettsissa.
”Yksi suurimmista esteistä toimivien kudoskorvikkeiden tuottamisessa on ollut kyvyttömyytemme tulostaa monimutkaisia verisuonia, jotka voivat syöttää ravinteita tiheästi asutuille kudoksille”, sanoo Miller, joka on biotekniikan apulaisprofessori Ricen Brownin teknillisessä korkeakoulussa. ”Lisäksi elimissämme on itsenäisiä verisuoniverkostoja, kuten keuhkojen hengitystiet ja verisuonet tai maksan sappitiet ja verisuonet. Nämä toisiaan läpäisevät verkostot ovat fyysisesti ja biokemiallisesti toisiinsa kietoutuneita, ja itse arkkitehtuuri liittyy läheisesti kudoksen toimintaan. Meidän tekniikkamme on ensimmäinen bioprinting-teknologia, joka käsittelee monivaskularisaation haastetta suoraan ja kattavasti.”
Stevens, UW:n insinööritieteiden korkeakoulun biotekniikan apulaisprofessori, UW:n lääketieteellisen tiedekunnan patologian apulaisprofessori ja UW:n lääketieteellisen tiedekunnan kantasolu- ja regeneratiivisen lääketieteen instituutin tutkija, sanoi monivaskularisaation olevan tärkeää, koska muoto ja toiminta kulkevat usein käsi kädessä.
”Kudostekniikka on kamppaillut tämän kanssa sukupolven ajan”, Stevens sanoi. ”Tämän työn avulla voimme nyt paremmin kysyä: ’Jos voimme tulostaa kudoksia, jotka näyttävät ja nyt jopa hengittävät enemmän kuin elimistömme terveet kudokset, käyttäytyvätkö ne sitten myös toiminnallisesti enemmän kuin nuo kudokset? Tämä on tärkeä kysymys, sillä se, miten hyvin biotulostettu kudos toimii, vaikuttaa siihen, miten menestyksekäs se on terapiana.”
Terveiden, toimivien elinten biotulostamisen tavoitteena on elinsiirtojen tarve. Pelkästään Yhdysvalloissa yli 100 000 ihmistä on elinsiirtoja odottavien listoilla, ja ne, jotka lopulta saavat luovutuselimen, joutuvat edelleen käyttämään elinikäisesti immuniteettia alentavia lääkkeitä elimen hylkimisen estämiseksi. Bioprinttaus on herättänyt suurta kiinnostusta viime vuosikymmenen aikana, koska sen avulla voitaisiin teoriassa ratkaista molemmat ongelmat, koska lääkärit voisivat tulostaa korvaavia elimiä potilaan omista soluista. Toimivia elimiä voitaisiin jonain päivänä käyttää miljoonien potilaiden hoitoon maailmanlaajuisesti.
”Näemme, että biotulostuksesta tulee merkittävä osa lääketiedettä seuraavien kahden vuosikymmenen aikana”, Miller sanoi.
”Maksa on erityisen mielenkiintoinen, koska sillä on mielettömät 500 toimintoa, todennäköisesti toiseksi eniten aivojen jälkeen”, Stevens sanoi. ”Maksan monimutkaisuus tarkoittaa, että tällä hetkellä ei ole olemassa konetta tai hoitoa, joka voisi korvata kaikki sen toiminnot, kun se pettää. Bioprintatut ihmiselimet saattavat jonain päivänä tarjota tällaisen hoidon.”
Tähän haasteeseen vastatakseen työryhmä loi uuden avoimen lähdekoodin bioprinttausteknologian, jota kutsutaan nimellä ”stereolithography apparatus for tissue engineering” eli SLATE. Järjestelmä käyttää additiivista valmistusta pehmeiden hydrogeelien valmistamiseen kerros kerrallaan.
Kerrokset tulostetaan nestemäisestä esihydrogeeliliuoksesta, joka muuttuu kiinteäksi, kun se altistetaan siniselle valolle. Digitaalinen valonkäsittelyprojektori säteilee valoa alhaalta ja näyttää rakenteesta peräkkäisiä 2D-viipaleita korkealla resoluutiolla, jossa pikselikoot vaihtelevat 10-50 mikronin välillä. Kun jokainen kerros on vuorollaan jähmettynyt, yläpuolella oleva käsivarsi nostaa kasvavaa 3D-geeliä juuri sen verran, että neste paljastuu projektorin seuraavalle kuvalle. Millerin ja Bagrat Grigoryanin, Ricen jatko-opiskelijan ja tutkimuksen pääkirjailijan, keskeinen oivallus oli sinistä valoa absorboivien elintarvikevärien lisääminen. Nämä valoa absorboivat aineet rajoittavat jähmettymisen hyvin hienoksi kerrokseksi. Tällä tavoin järjestelmä voi tuottaa muutamassa minuutissa pehmeitä, vesipohjaisia, bioyhteensopivia geelejä, joilla on monimutkainen sisäinen arkkitehtuuri.
Kokeet keuhkoja jäljittelevästä rakenteesta osoittivat, että kudokset olivat tarpeeksi tukevia välttääkseen puhkeamisen verenvirtauksen ja sykkivän ”hengityksen” aikana, eli ilman rytmikkään sisään- ja ulosvirtauksen aikana, joka simuloi ihmisen hengityksen paineita ja taajuuksia. Testeissä havaittiin, että punasolut pystyivät ottamaan happea, kun ne virtasivat ”hengittävää” ilmapussia ympäröivän verisuoniverkoston läpi. Tämä hapen liikkuminen muistuttaa keuhkojen alveolaarisissa ilmapusseissa tapahtuvaa kaasunvaihtoa.
Tutkimuksen monimutkaisimman keuhkoja jäljittelevän rakenteen suunnittelemiseksi, jota esitellään Science-lehden kannessa, Miller teki yhteistyötä tutkimuksen toisena kirjoittajana toimivien Jessica Rosenkrantzin ja Jesse Louis-Rosenbergin kanssa, jotka ovat Nervous System -yhtiön perustajia.
”Kun perustimme Nervous System -yhtiön, tavoitteenamme oli sovittaa luonnosta saatuja algoritmeja uusiksi tavoiksi suunnitella uusia tuotteita”, Rosenkrantz sanoi. ”Emme koskaan kuvitelleet, että meillä olisi mahdollisuus tuoda tämä takaisin ja suunnitella eläviä kudoksia.”
Maksasairauksien terapeuttisten implanttien testeissä tiimi 3D-tulosti kudoksia, latasi ne primaarisilla maksasoluilla ja istutti ne hiiriin. Kudoksissa oli erilliset osastot verisuonia ja maksasoluja varten, ja ne istutettiin hiiriin, joilla oli krooninen maksavaurio. Testit osoittivat, että maksasolut selvisivät istutuksesta.
Millerin mukaan uudella biotulostusjärjestelmällä voidaan tuottaa myös verisuonensisäisiä piirteitä, kuten kaksoiskärkisiä venttiilejä, jotka sallivat nesteen virtauksen vain yhteen suuntaan. Ihmisillä intravaskulaarisia venttiilejä on sydämessä, jalkojen suonissa ja täydentävissä verkostoissa, kuten imusuonistossa, joissa ei ole pumppua ohjaamassa virtausta.
”Kun lisäämme multivaskulaarisen ja intravaskulaarisen rakenteen, otamme käyttöön laajan joukon suunnitteluvapauksia elävän kudoksen suunnitteluun”, Miller sanoi. ”Meillä on nyt vapaus rakentaa monia elimistössä esiintyviä monimutkaisia rakenteita.”
Miller ja Grigoryan kaupallistavat tutkimuksen keskeisiä osia Houstonissa sijaitsevan Volumetric-nimisen startup-yrityksen kautta. Yritys, johon Grigoryan on liittynyt täysipäiväisesti, suunnittelee ja valmistaa biotulostimia ja biosinkkejä.
Miller, joka on pitkäaikainen avoimen lähdekoodin 3D-tulostuksen puolestapuhuja, sanoi, että kaikki Science-julkaisussa julkaistuun tutkimukseen sisältyvien kokeiden lähdetiedot ovat vapaasti saatavilla. Lisäksi kaikki stereolitografiatulostuslaitteen rakentamiseen tarvittavat 3D-tulostustiedostot ovat saatavilla, samoin kuin suunnittelutiedostot kunkin tutkimuksessa käytetyn hydrogeelin tulostamiseen.
”Hydrogeelien suunnittelutiedostojen asettaminen saataville mahdollistaa sen, että muutkin voivat tutkia pyrkimyksiämme tässä tutkimuksessa, vaikka ne hyödyntäisivät jotakin tulevaa 3D-tulostustekniikkaa, jollaista ei ole vielä nykyään olemassa”, Miller sanoi.
Millerin mukaan hänen laboratorionsa käyttää jo nyt uutta suunnittelu- ja biopainotekniikkaa tutkiakseen vieläkin monimutkaisempia rakenteita.
”Olemme vasta ihmiskehossa esiintyvien arkkitehtuurien tutkimisen alussa”, hän sanoi. ”Meillä on vielä niin paljon opittavaa.”
Tutkimuksen lisäkirjoittajiin kuuluvat Ricen tutkijat Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat ja Anderson Ta, UW:n tutkijat Daniel Corbett, Chelsea Fortin ja Fredrik Johansson, Duken tutkijat John Gounley ja Amanda Randles sekä Rowanin tutkijat Peter Galie.
Työtä tukivat Robert J. Kleberg, Jr. ja Helen C. Kleberg Foundation, John H. Tietze Foundation, National Science Foundation (1728239, 1450681 ja 1250104), National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 ja DP5OD019876) sekä Gulf Coast Consortiat.
VIDEO on saatavilla osoitteessa:
.