Az új innováció lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a test természetes vér-, levegő-, nyirok- és egyéb létfontosságú folyadékok átjáróit utánzó, kiválóan összefonódott érhálózatokat hozzanak létre.
A kutatás a Science e heti számának címlapján szerepel. Tartalmaz egy vizuálisan lenyűgöző elvi bizonyítékot – a tüdőt utánzó légzsák hidrogél modelljét, amelyben a légutak oxigént szállítanak a környező véredényeknek. Szintén beszámolnak a májsejteket tartalmazó, bioprintelt szerkezetek egerekbe történő beültetésére irányuló kísérletekről.
A munkát Jordan Miller, a Rice Egyetem biomérnöke és Kelly Stevens, a Washingtoni Egyetem (UW) biomérnöke vezette, és 15 munkatársat vont be a Rice, az UW, a Duke Egyetem, a Rowan Egyetem és a Nervous System, egy tervező cég Somerville-ben, Massachusettsben.
“A funkcionális szövetpótlások létrehozásának egyik legnagyobb akadálya az volt, hogy nem tudtuk kinyomtatni a sűrűn lakott szövetek tápanyagellátását biztosító komplex érhálózatot” – mondta Miller, a Rice Brown School of Engineering biomérnöki tanszékének docense. “Továbbá a szerveink valójában független érhálózatokat tartalmaznak – mint például a tüdő légútjai és vérerei vagy az epevezetékek és erek a májban. Ezek az egymást átható hálózatok fizikailag és biokémiailag összefonódnak, és maga az architektúra szorosan összefügg a szövetek működésével. A miénk az első olyan bioprinting technológia, amely közvetlen és átfogó módon foglalkozik a multivaszkularizáció kihívásával.”
Stevens, a UW College of Engineering biomérnöki tanszékének adjunktusa, a UW School of Medicine patológiai tanszékének adjunktusa és a UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine kutatója szerint a multivaszkularizáció azért fontos, mert a forma és a funkció gyakran kéz a kézben jár.
“A szövettechnológia egy generáción át küzdött ezzel” – mondta Stevens. “Ezzel a munkával most már jobban fel tudjuk tenni a kérdést: ‘Ha olyan szöveteket tudunk nyomtatni, amelyek jobban hasonlítanak a testünkben lévő egészséges szövetekre, és most már még lélegeznek is, akkor funkcionálisan is jobban fognak viselkedni, mint azok a szövetek?’. Ez fontos kérdés, mert az, hogy mennyire jól működik egy bioprintelt szövet, befolyásolja, hogy mennyire lesz sikeres terápia.”
Az egészséges, működőképes szervek bioprintelésének célját a szervátültetések iránti igény vezérli. Csak az Egyesült Államokban több mint 100 000 ember áll transzplantációs várólistán, és azok, akik végül donorszervet kapnak, egy életen át immunszuppresszív gyógyszereket kell kapniuk a szervkilökődés megelőzésére. A bioprinting az elmúlt évtizedben nagy érdeklődést váltott ki, mivel elméletileg mindkét problémát megoldhatja, mivel lehetővé teszi az orvosok számára, hogy a páciens saját sejtjeiből pótlólagos szerveket nyomtassanak. A működőképes szervek készletét egy napon világszerte betegek millióinak kezelésére lehetne felhasználni.
“Elképzeléseink szerint a bioprinting a következő két évtizedben az orvostudomány egyik fő összetevőjévé válhat” – mondta Miller.
“A máj különösen érdekes, mert elképesztő 500 funkciót lát el, valószínűleg az agy után a második helyen áll” – mondta Stevens. “A máj összetettsége azt jelenti, hogy jelenleg nincs olyan gép vagy terápia, amely képes lenne helyettesíteni az összes funkcióját, amikor a máj meghibásodik. A bioprintelt emberi szervek egy nap talán biztosíthatják ezt a terápiát.”
A kihívás megoldására a csapat egy új, nyílt forráskódú bioprintelési technológiát hozott létre, amelyet “sztereolitográfiai készülék a szövetmérnökséghez” vagy SLATE-nek neveztek el. A rendszer additív gyártást használ a lágy hidrogélek rétegenkénti előállítására.
A rétegeket egy folyékony előhidrogél-oldatból nyomtatják, amely kék fény hatására szilárddá válik. Egy digitális fényfeldolgozó kivetítő alulról világít, és nagy felbontásban, 10-50 mikron közötti pixelmérettel megjeleníti a struktúra egymást követő 2D-s szeleteit. Miután minden réteg sorban megszilárdult, egy felső kar éppen csak annyira emeli meg a növekvő 3D gélt, hogy a folyadékot a projektor következő képe elé tárja. Miller és Bagrat Grigoryan, a Rice végzős hallgatója és a tanulmány vezető társszerzője kulcsfontosságú felismerése a kék fényt elnyelő élelmiszerfestékek hozzáadása volt. Ezek a fotoabszorberek a megszilárdulást egy nagyon finom rétegre korlátozzák. Ily módon a rendszer percek alatt képes lágy, vízalapú, biokompatibilis géleket előállítani bonyolult belső felépítéssel.
A tüdőt utánzó szerkezet tesztjei azt mutatták, hogy a szövetek elég szilárdak ahhoz, hogy ne törjenek szét a véráramlás és a pulzáló “légzés”, a levegő ritmikus be- és kiáramlása során, amely az emberi légzés nyomását és frekvenciáját szimulálja. A vizsgálatok megállapították, hogy a vörösvérsejtek képesek oxigént felvenni, miközben átáramlanak a “lélegző” légzsákot körülvevő vérerek hálózatán. Ez az oxigénmozgás hasonló a tüdő alveoláris légzsákjaiban zajló gázcseréhez.
A tanulmány legbonyolultabb tüdőutánzó szerkezetének megtervezéséhez, amely a Science címlapján szerepel, Miller a tanulmány társszerzőivel, Jessica Rosenkrantz-szal és Jesse Louis-Rosenberggel, a Nervous System társalapítóival működött együtt.
“Amikor a Nervous Systemet alapítottuk, az volt a célunk, hogy a természetből származó algoritmusokat új módon adaptáljuk a termékek tervezéséhez” – mondta Rosenkrantz. “Soha nem gondoltuk volna, hogy lehetőségünk lesz ezt visszahozni és élő szöveteket tervezni.”
A májbetegségek terápiás implantátumainak tesztelése során a csapat 3D nyomtatott szöveteket, azokat primer májsejtekkel töltötte meg, és egerekbe ültette be. A szövetek külön rekeszekkel rendelkeztek a vérerek és a májsejtek számára, és krónikus májkárosodásban szenvedő egerekbe ültették be őket. A tesztek azt mutatták, hogy a májsejtek túlélték a beültetést.
Miller elmondta, hogy az új bioprinting rendszer képes intravaszkuláris funkciókat is előállítani, például olyan kéthegyű szelepeket, amelyek lehetővé teszik, hogy a folyadék csak egy irányba áramoljon. Az emberekben intravaszkuláris szelepek találhatók a szívben, a lábvénákban és az olyan kiegészítő hálózatokban, mint a nyirokrendszer, amelyekben nincs szivattyú az áramlás meghajtására.
“A multivaszkuláris és intravaszkuláris struktúra hozzáadásával a tervezés széles körű szabadságát vezetjük be az élő szövetek tervezéséhez” – mondta Miller. “Most már megvan a szabadságunk a testben található bonyolult struktúrák nagy részének megépítésére.”
Miller és Grigoryan a kutatás kulcsfontosságú aspektusait a Volumetric nevű houstoni székhelyű startup cégen keresztül hozza kereskedelmi forgalomba. A cég, amelyhez Grigoryan teljes munkaidőben csatlakozott, bioprintereket és bioinkeket tervez és gyárt.
Miller, aki régóta a nyílt forráskódú 3D nyomtatás bajnoka, elmondta, hogy a Science tanulmányban közzétett kísérletek összes forrásadata szabadon hozzáférhető. Ezenkívül a sztereolitográfiás nyomtatóberendezés megépítéséhez szükséges összes 3D nyomtatható fájl is elérhető, csakúgy, mint a tanulmányban használt egyes hidrogélek nyomtatásához szükséges tervezési fájlok.
“A hidrogél tervezési fájlok elérhetővé tétele lehetővé teszi mások számára, hogy felfedezzék az itt tett erőfeszítéseinket, még akkor is, ha valamilyen jövőbeli, ma még nem létező 3D nyomtatási technológiát használnak” – mondta Miller.
Miller elmondta, hogy laboratóriuma máris használja az új tervezési és bioprintelési technikákat, hogy még összetettebb struktúrákat vizsgáljon.
“Még csak az emberi testben található architektúrák feltárásának elején járunk” – mondta. “Még nagyon sokat kell tanulnunk.”
A tanulmány további társszerzői a következők: Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat és Anderson Ta a Rice-ról; Daniel Corbett, Chelsea Fortin és Fredrik Johansson a UW-ről; John Gounley és Amanda Randles a Duke-ról; valamint Peter Galie a Rowanról.
A munkát a Robert J. Kleberg, Jr. és Helen C. Kleberg Alapítvány, a John H. Tietze Alapítvány, a National Science Foundation (1728239, 1450681 és 1250104), a National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 és DP5OD019876), valamint a Gulf Coast Consortia.
VIDEÓ elérhető:
.