Den nya innovationen gör det möjligt för forskare att skapa utsökt sammanflätade kärlnätverk som efterliknar kroppens naturliga passager för blod, luft, lymfa och andra vitala vätskor.
Forskningen presenteras på omslaget av veckans nummer av Science. Den innehåller ett visuellt imponerande principbevis – en hydrogelmodell av en luftsäck som efterliknar en lunga, där luftvägarna levererar syre till de omgivande blodkärlen. Dessutom rapporteras om försök att implantera bioprinted konstruktioner som innehåller leverceller i möss.
Arbetet leddes av bioingenjörerna Jordan Miller från Rice University och Kelly Stevens från University of Washington (UW) och omfattade 15 medarbetare från Rice, UW, Duke University, Rowan University och Nervous System, ett designföretag i Somerville, Massachusetts.
”En av de största hindren för att skapa funktionella vävnadsersättningar har varit vår oförmåga att skriva ut de komplexa blodkärl som kan förse tätt befolkade vävnader med näring”, säger Miller, biträdande professor i bioteknik vid Brown School of Engineering vid Rice. ”Dessutom innehåller våra organ faktiskt oberoende kärlnätverk – som luftvägarna och blodkärlen i lungan eller gallgångarna och blodkärlen i levern. Dessa nätverk som genomsyrar varandra är fysiskt och biokemiskt sammanflätade, och själva arkitekturen är intimt förknippad med vävnadernas funktion. Vår teknik för bioprinting är den första som tar itu med utmaningen med multivaskularisering på ett direkt och heltäckande sätt.”
Stevens, biträdande professor i bioteknik vid UW College of Engineering, biträdande professor i patologi vid UW School of Medicine och forskare vid UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, säger att multivaskularisering är viktig eftersom form och funktion ofta går hand i hand.
”Vävnadsteknik har kämpat med detta i en generation”, sade Stevens. ”Med det här arbetet kan vi nu bättre ställa oss frågan: ”Om vi kan skriva ut vävnader som ser ut och nu till och med andas mer som de friska vävnaderna i våra kroppar, kommer de då också att fungera mer som dessa vävnader?”. Detta är en viktig fråga, eftersom hur väl en bioprintad vävnad fungerar kommer att påverka hur framgångsrik den blir som terapi.”
Målet att bioprintat framställa friska, funktionella organ drivs av behovet av organtransplantationer. Mer än 100 000 personer står på väntelistor för transplantationer bara i USA, och de som till slut får donatororgan måste fortfarande använda immunsupprimerande läkemedel hela livet för att förhindra avstötning av organet. Bioprinting har rönt stort intresse under det senaste decenniet eftersom det teoretiskt sett skulle kunna lösa båda problemen genom att läkare kan skriva ut ersättningsorgan från patientens egna celler. En dag skulle en färdig tillgång till funktionella organ kunna användas för att behandla miljontals patienter världen över.
”Vi kan tänka oss att bioprinting kommer att bli en viktig del av medicinen inom de närmaste två decennierna”, säger Miller.
”Levern är särskilt intressant eftersom den har 500 funktioner, troligen näst efter hjärnan”, säger Stevens. ”Leverns komplexitet innebär att det för närvarande inte finns någon maskin eller terapi som kan ersätta alla dess funktioner när den misslyckas. Bioprintade mänskliga organ kan en dag tillhandahålla den terapin.”
För att ta itu med denna utmaning skapade teamet en ny bioprintingteknik med öppen källkod som kallas ”stereolitografiapparat för vävnadsteknik”, eller SLATE. Systemet använder additiv tillverkning för att göra mjuka hydrogeler ett lager i taget.
Lagren skrivs ut från en flytande för-hydrogel-lösning som blir fast när den utsätts för blått ljus. En projektor för digital ljusbehandling lyser ljus underifrån och visar sekventiella 2D-skivor av strukturen med hög upplösning, med pixelstorlekar från 10-50 mikrometer. När varje lager har stelnat i tur och ordning lyfter en arm ovanför den växande 3D-gelen precis tillräckligt för att exponera vätskan för nästa bild från projektorn. Den viktigaste insikten hos Miller och Bagrat Grigoryan, en doktorand vid Rice och huvudförfattare till studien, var att tillsätta livsmedelsfärgämnen som absorberar blått ljus. Dessa fotoabsorbenter begränsar stelningen till ett mycket fint lager. På detta sätt kan systemet producera mjuka, vattenbaserade, biokompatibla geler med intrikat inre arkitektur på några minuter.
Tester av den lungimiterande strukturen visade att vävnaderna var tillräckligt robusta för att undvika att spricka under blodflöde och pulserande ”andning”, ett rytmiskt intag och utflöde av luft som simulerade de tryck och frekvenser som råder vid mänsklig andning. Testerna visade att röda blodkroppar kunde ta upp syre när de flödade genom ett nätverk av blodkärl som omger den ”andande” luftsäcken. Denna syreförflyttning liknar det gasutbyte som sker i lungans alveolära luftsäckar.
För att utforma studiens mest komplicerade lungimiterande struktur, som presenteras på omslaget till Science, samarbetade Miller med medförfattarna till studien, Jessica Rosenkrantz och Jesse Louis-Rosenberg, som är medgrundare till Nervous System.
”När vi grundade Nervous System var målet att anpassa algoritmer från naturen till nya sätt att utforma produkter”, säger Rosenkrantz. ”Vi hade aldrig föreställt oss att vi skulle få möjlighet att ta tillbaka detta och designa levande vävnader.”
I testerna av terapeutiska implantat för leversjukdomar 3D-printade teamet vävnader, laddade dem med primära leverceller och implanterade dem i möss. Vävnaderna hade separata fack för blodkärl och leverceller och implanterades i möss med kronisk leverskada. Tester visade att levercellerna överlevde implantationen.
Miller sade att det nya bioprinting-systemet också kan producera intravaskulära egenskaper, som bikuspida ventiler som gör att vätska kan flöda i endast en riktning. Hos människor finns intravaskulära ventiler i hjärtat, benvenerna och kompletterande nätverk som lymfsystemet som inte har någon pump för att driva flödet.
”Med tillägget av multivaskulära och intravaskulära strukturer introducerar vi en omfattande uppsättning designfriheter för att konstruera levande vävnad”, säger Miller. ”Vi har nu friheten att bygga många av de komplicerade strukturer som finns i kroppen.”
Miller och Grigoryan kommersialiserar viktiga aspekter av forskningen genom ett Houston-baserat nystartat företag som heter Volumetric. Företaget, som Grigoryan har anslutit sig till på heltid, utformar och tillverkar bioprinters och bioinkar.
Miller, en mångårig förkämpe för 3D-utskrift med öppen källkod, sade att alla källdata från experimenten i den publicerade Science-studien är fritt tillgängliga. Dessutom är alla 3D-utskrivbara filer som behövs för att bygga stereolitografiutskriftsapparaten tillgängliga, liksom konstruktionsfilerna för utskrift av var och en av de hydrogeler som användes i studien.
”Genom att göra hydrogelkonstruktionsfilerna tillgängliga kommer andra att kunna utforska våra ansträngningar här, även om de använder någon framtida 3D-utskriftsteknik som inte finns i dag”, säger Miller.
Miller sade att hans labb redan använder den nya designen och bioprintingteknikerna för att utforska ännu mer komplexa strukturer.
”Vi är bara i början av vår utforskning av de arkitekturer som finns i människokroppen”, sade han. ”Vi har fortfarande så mycket mer att lära oss.”
Allmänna medförfattare till studien är Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat och Anderson Ta från Rice, Daniel Corbett, Chelsea Fortin och Fredrik Johansson från UW, John Gounley och Amanda Randles från Duke samt Peter Galie från Rowan.
Arbetet stöddes av Robert J. Kleberg, Jr. and Helen C. Kleberg Foundation, John H. Tietze Foundation, National Science Foundation (1728239, 1450681 och 1250104), National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 och DP5OD019876) och Gulf Coast Consortia.
Video finns tillgängligt på: