Bioingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en 3D-teknik för biotryck som fungerar med naturmaterial och är lätt att använda, tillåter forskare med olika nivåer av teknisk expertis att producera verklighetstrogna organvävnadsmodeller.

Som ett bevis på konceptet, UC San Diego -teamet använde sin metod för att skapa blodkärlsnätverk som kan hålla en bröstcancertumör vid liv utanför kroppen. De skapade också en modell av en vaskulariserad mänsklig tarm. Verket publicerades nyligen i Avancerat sjukvårdsmaterial .

Målet är inte att göra konstgjorda organ som kan implanteras i kroppen, forskare sa, men att göra lättodlade mänskliga organmodeller som kan studeras utanför kroppen eller användas för screening av läkemedel.

"Vi vill göra det enklare för vardagliga forskare-som kanske inte har den specialisering som krävs för andra 3D-trycktekniker-att göra 3D-modeller av vilka mänskliga vävnader de än studerar, "sa författaren Michael Hu, en bioingenjör Ph.D. student vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Modellerna skulle vara mer avancerade än vanliga 2-D eller 3D-cellkulturer, och mer relevant för människor när det gäller att testa nya läkemedel, som för närvarande görs på djurmodeller. "

"Du behöver inget komplicerat för att anta detta i ditt labb, "sa Prashant Mali, en bioingenjörsprofessor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering studiens seniorförfattare. "Vår förhoppning är att flera laboratorier ska kunna arbeta med detta och experimentera med det här. Ju mer det blir antaget, desto större påverkan kan det få. "

Metoden är enkel. För att skapa ett levande blodkärlsnätverk, till exempel, forskare designar först digitalt en byggnadsställning med Autodesk. Med en kommersiell 3D-skrivare, forskarna skriver ut ställningen av ett vattenlösligt material som kallas polyvinylalkohol. De häller sedan en tjock beläggning - gjord av naturmaterial - över ställningen, låt det bota och stelna, och spola sedan ut ställningsmaterialet inuti för att skapa ihåliga blodkärlskanaler. Nästa, de täcker kanalernas insida med endotelceller, vilka är cellerna som kantar blodkärlens insida. Det sista steget är att flöda cellodlingsmedier genom kärlen för att hålla cellerna vid liv och växa.

Kärlen är gjorda av naturmaterial som finns i kroppen, såsom fibrinogen, en förening som finns i blodproppar, och Matrigel, en kommersiellt tillgänglig form av verklig extracellulär matris från däggdjur.

Att hitta rätt material var en av de största utmaningarna, sade bioingenjörsexamen Xin Yi (Linda) Lei, medförfattare till studien. "Vi ville använda material som var naturliga snarare än syntetiska, så vi skulle kunna göra något så nära det som finns i kroppen som möjligt. De behövde också kunna arbeta med vår 3D-utskriftsmetod. "

"Vi kan använda dessa vardagliga biologiskt härledda material för att göra ex vivo vävnader som är vaskulariserade, "sa Mali." Och det är en viktig aspekt om vi vill göra vävnader som kan upprätthållas under mycket långa perioder utanför kroppen. "

Hålla sig vid liv

I en uppsättning experiment, forskarna använde de tryckta blodkärlen för att hålla bröstcancer tumörvävnader vid liv utanför kroppen. De extraherade bitar av tumörer från möss och inbäddade sedan några av bitarna i de tryckta blodkärlsnätverken. Andra bitar förvarades i en standard 3D-cellodling. Efter tre veckor, tumörvävnaderna inkapslade i blodkärlstrycken hade förblivit vid liv. Under tiden, de i standard 3-D cellkultur hade mestadels avlidit.

"Vår förhoppning är att vi kan tillämpa vårt system för att göra tumörmodeller som kan användas för att testa cancerläkemedel utanför kroppen, "sa Hu, som är särskilt intresserad av att studera bröstcancertumörmodeller. "Bröstcancer är en av de vanligaste cancerformerna - den har en av de största delarna av forskning som ägnas åt den och en av de största panelerna av läkemedel som utvecklas för den. Så alla modeller vi kan göra skulle vara användbara för fler människor."

I en annan uppsättning experiment, forskarna skapade en vaskulariserad tarmmodell. Strukturen bestod av två kanaler. Det ena var ett rakt rör fodrat med tarmepitelceller för att efterlikna tarmen. Den andra var en blodkärlskanal (kantad med endotelceller) som spiraliserade runt tarmen. Målet var att återskapa en tarm omgiven av ett blodkärlsnät. Varje kanal matades sedan med media optimerat för sina celler. Inom två veckor, kanalerna har börjat ta på sig mer verklighetstrogna morfologier. Till exempel, tarmkanalen hade börjat gro ut villi, som är de små fingerliknande utsprången som täcker insidan av tarmväggen.

"Med denna typ av strategi, vi kan börja bli komplexa, långlivade system i en ex vivo miljö. I framtiden, detta kan kanske ersätta användningen av djur för att skapa dessa system, vad är det som görs just nu, sa Mali.

"Detta var ett bevis på konceptet som visar att vi kan odla olika typer av celler tillsammans, vilket är viktigt om vi vill modellera interaktioner med flera organ i kroppen. I ett enda tryck, vi kan skapa två distinkta lokala miljöer, var och en håller en annan celltyp vid liv, och placerade tillräckligt nära varandra så att de kan interagera, "sa Hu.

Går vidare, teamet arbetar med att utöka och förfina denna teknik. Framtida arbete kommer att fokusera på att optimera de tryckta blodkärlen och utveckla vaskulariserade tumörmodeller som närmare efterliknar dem i kroppen.