Är det möjligt att odla vävnad i laboratoriet, till exempel för att ersätta skadat brosk? Vid TU Wien (Wien) har nu ett viktigt steg tagits mot att skapa ersättningsvävnad i labbet – med en teknik som skiljer sig markant från andra metoder som används runt om i världen. Studien publiceras i Acta Biomaterialia .
En speciell högupplöst 3D-utskriftsprocess används för att skapa små, porösa sfärer gjorda av biokompatibel och nedbrytbar plast, som sedan koloniseras med celler. Dessa sfäroider kan sedan arrangeras i vilken geometri som helst, och cellerna i de olika enheterna kombineras sömlöst för att bilda en enhetlig, levande vävnad. Broskvävnad, som konceptet nu har demonstrerats med vid TU Wien, ansågs tidigare vara särskilt utmanande i detta avseende.
"Att odla broskceller från stamceller är inte den största utmaningen. Huvudproblemet är att du vanligtvis har liten kontroll över formen på den resulterande vävnaden", säger Oliver Kopinski-Grünwald från Institutet för materialvetenskap och teknologi vid TU Wien, en av författarna till den aktuella studien. "Detta beror också på att sådana stamcellsklumpar ändrar form med tiden och ofta krymper."
För att förhindra detta arbetar forskargruppen vid TU Wien med ett nytt tillvägagångssätt:Specialutvecklade laserbaserade högupplösta 3D-utskriftssystem används för att skapa små burliknande strukturer som ser ut som minifotbollar och har en diameter på bara en tredjedel av en millimeter. De fungerar som en stödstruktur och bildar kompakta byggstenar som sedan kan sättas ihop till vilken form som helst.
Stamceller introduceras först i dessa fotbollsformade miniburar, som snabbt fyller den lilla volymen helt. "På detta sätt kan vi på ett tillförlitligt sätt producera vävnadselement där cellerna är jämnt fördelade och celldensiteten är mycket hög. Detta hade inte varit möjligt med tidigare tillvägagångssätt", förklarar prof. Aleksandr Ovsianikov, chef för 3D-utskrift och biotillverkning forskargrupp vid TU Wien.
Väx perfekt tillsammans
Teamet använde differentierade stamceller - det vill säga stamceller som inte längre kan utvecklas till någon typ av vävnad, men som redan är förutbestämda att bilda en specifik typ av vävnad, i det här fallet broskvävnad. Sådana celler är särskilt intressanta för medicinska tillämpningar, men konstruktionen av större vävnad är utmanande när det gäller broskceller. I broskvävnad bildar cellerna en mycket uttalad extracellulär matris, en nätliknande struktur mellan cellerna som ofta hindrar olika cellsfäroider från att växa ihop på önskat sätt.
Om de 3D-printade porösa sfäroiderna koloniseras med celler på önskat sätt, kan sfäroiderna arrangeras i valfri form. Den avgörande frågan är nu:Kombinerar cellerna från olika sfäroider också för att bilda en enhetlig, homogen vävnad?
"Det är precis vad vi nu har kunnat visa för första gången", säger Kopinski-Grünwald. "Under mikroskopet kan du se mycket tydligt:närliggande sfäroider växer ihop, cellerna migrerar från en sfäroid till den andra och vice versa, de ansluter sömlöst och resulterar i en sluten struktur utan några håligheter - i motsats till andra metoder som har varit använt hittills, där synliga gränssnitt kvarstår mellan närliggande cellklumpar."
De små 3D-printade ställningarna ger den övergripande strukturen mekanisk stabilitet medan vävnaden fortsätter att mogna. Under en period av några månader bryts plaststrukturerna ned, de försvinner helt enkelt och lämnar kvar den färdiga vävnaden i önskad form.
Första steget mot medicinsk tillämpning
I princip är det nya tillvägagångssättet inte begränsat till broskvävnad, det skulle också kunna användas för att skräddarsy olika typer av större vävnader såsom benvävnad. Men det finns fortfarande några uppgifter som måste lösas på vägen – trots allt, till skillnad från i broskvävnad, skulle blodkärl också behöva inkorporeras för dessa vävnader över en viss storlek.
"Ett initialt mål skulle vara att producera små, skräddarsydda bitar av broskvävnad som kan sättas in i befintligt broskmaterial efter en skada", säger Oliver Kopinski-Grünwald. "I alla fall har vi nu kunnat visa att vår metod för att producera broskvävnad med sfäriska mikroställningar fungerar i princip och har avgörande fördelar gentemot andra teknologier."
Mer information: Oliver Kopinski-Grünwald et al., Ställade sfäroider som byggstenar för broskvävnadsteknik nerifrån och upp visar förbättrad biomonteringsdynamik, Acta Biomaterialia (2023). DOI:10.1016/j.actbio.2023.12.001
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
