3-D bioprintade alger kan utnyttjas som en hållbar källa till syre för mänskliga celler i konstruerade vaskulariserade vävnader, forskare rapporterar 18 november i tidskriften Materia . De bäddade in de biotryckta fotosyntetiska algerna, tillsammans med mänskliga leverhärledda celler, i en 3-D hydrogelmatris för att skapa bikakeformade vävnader med lobuler, liknande den mänskliga levern. I framtiden, forskarna säger, det miljövänliga, kostnadseffektiv 3D-bioprintning kan ha potential för tillämpningar som sjukdomsmodellering, läkemedelsutveckling, regenerativ och personlig medicin, och även livsmedelsteknik.

"Studien är det första verkliga exemplet på symbiotisk vävnadsteknik som kombinerar växtceller och mänskliga celler på ett fysiologiskt meningsfullt sätt, använder 3-D bioprinting, " säger senior studieförfattare Y. Shrike Zhang, bioingenjör vid Harvard Medical School och Brigham and Women's Hospital. "Vår studie ger ett unikt exempel på hur vi kan utnyttja den symbiotiska strategin, mycket ofta ses i naturen, för att främja vår förmåga att konstruera funktionella mänskliga vävnader."

Det finns en ökande efterfrågan på konstgjorda vävnader för att ersätta de som har skadats för att återställa organfunktioner, och under det senaste decenniet, 3-D bioprinting-tekniker har använts för att tillverka vävnadsställningar för biomedicinska och vävnadstekniska tillämpningar. Detta tillvägagångssätt involverar vanligtvis att deponera ett biobläck på en yta för att producera 3D-strukturer med önskade arkitekturer och former för att rekapitulera organ och vävnader, inklusive kärlsystemet, som spelar en avgörande roll för att transportera syre och näringsämnen genom hela kroppen. Ett biobläck är i huvudsak en hydrogel som innehåller levande celler, biomaterial, och andra tillväxttillskott. Den efterliknar den extracellulära matrisen av den önskade vävnaden och stödjer tillväxten av de inbäddade cellerna.

Trots framsteg inom tillverkningen av 3D-vävnader, den huvudsakliga begränsningen har varit att upprätthålla tillräckliga syrenivåer i hela den konstruerade vävnaden för att främja cellöverlevnad, tillväxt, och fungerar. Forskare har försökt ta itu med detta problem genom att införliva syrefrisättande biomaterial, men dessa fungerar vanligtvis inte tillräckligt länge och är ibland giftiga för celler eftersom de producerar molekyler som väteperoxid eller andra reaktiva syrearter. "En metod för att möjliggöra fördröjd frisättning av syre från de konstruerade vävnaderna är i akut efterfrågan, " säger Zhang.

För att möta denna efterfrågan, Zhang och hans kollegor utvecklade en algbaserad 3D-bioprintningsmetod för att införliva vaskulära mönster i konstruerade vävnader och tillhandahålla en hållbar källa till syre för mänskliga celler i vävnaderna. Specifikt, de använde fotosyntetiska encelliga grönalger som kallas Chlamydomonas reinhardtii. Denna symbiotiska strategi gynnar också algerna, vars tillväxt delvis stöds av koldioxid som frigörs av de omgivande mänskliga cellerna.

Det första steget involverade 3-D bioprinting av algerna. Forskarna kapslade in C. reinhardtii i ett biobläck som huvudsakligen består av cellulosa – den huvudsakliga strukturella komponenten i växter, alger, och svampar. Biobläcket laddades i en spruta försedd med en nål, och extruderingsbiotryckning utfördes med användning av en bioprinter.

Nästa, forskarna bäddade in både de bioprintade algerna och mänskliga leverhärledda celler i en 3-D hydrogelmatris. Den biotryckta C. reinhardtii frigjorde syre på ett fotosyntetiskt sätt och förbättrade livskraften och funktionerna hos de mänskliga cellerna, som växte till en hög densitet och producerade leverspecifika proteiner. "Höga celldensiteter i konstruerade vaskulariserade mänskliga vävnader var svåra att få tidigare, " säger Zhang.

Till sist, forskarna använde enzymet cellulas för att bryta ned det cellulosabaserade biobläcket, fyllde sedan de kvarlämnade ihåliga mikrokanalerna med mänskliga kärlceller för att skapa kärlnätverk i den leverliknande vävnaden. "Utvecklingen av ett sådant flyktigt biobläck som tillåter initial syresättning och efterföljande kärlbildning inom en enda vävnadskonstruktion har inte rapporterats tidigare, ", säger Zhang. "Detta är ett viktigt steg mot framgångsrik konstruktion av livskraftiga och funktionella vävnader."

I slutet, den 3D-vaskulariserade, syresatta konstruerade vävnader har potential för framtida implantation för att uppnå vävnadsregenerering hos människor. Dessa vävnader kan också användas för läkemedelsscreening och utveckling, studera sjukdomsmekanismer, och eventuellt personlig medicin om patientspecifika celler används.

En annan potentiell tillämpning av 3-D bioprinting-tekniken är livsmedelsteknik. Mikroalger representerar en rik källa till protein, kolhydrater, fleromättade fettsyror, karotenoider, vitaminer, och essentiella mineraler. Dessa bioaktiva föreningar skulle kunna införlivas i innovativa, odlade livsmedelsprodukter för att förbättra deras näringsvärde och främja hälsa.

Men under tiden, mer ansträngning krävs för att optimera metoden. Till exempel, odlingsmediet skulle kunna förbättras för att underlätta tillväxten av både C. reinhardtii och mänskliga celler, och ljusförhållandena kunde ställas in för att optimera syretillförseln från algerna. Dessutom, detaljerade studier om biosäkerhet, giftighet, och immunkompatibilitet hos algerna kommer att vara viktig för klinisk översättning i framtiden. "Den här tekniken kan inte omedelbart användas för mänsklig användning, " säger Zhang. "Det är fortfarande proof-of-concept och kommer att kräva betydande uppföljningsstudier för att översättas."