Trójwymiarowy biodruk do modelowania tkanek i chorób
Dr. S. Maharjan1, 2, Ms. D. Bonilla, 1, 3, Prof. Y. S. Zhang1*
1Division of Engineering in Medicine, Brigham and Women’s Hospital, Department of Medicine, Harvard Medical School, Cambridge, MA 02139, USA, 2Research Institute for Bioscience and Biotechnology, Lalitpur 44600, Nepal, 3Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnologico de Monterrey, Ave. Eugenio Garza Sada 2501, Monterrey, NL 64849, México
Material Matters™, 2019, 14.3
Wprowadzenie
Bioprinting trójwymiarowy (3D) szybko się rozwija i oferuje ogromny potencjał w zakresie wytwarzania żywych konstrukcji tkankowych.1,2 W najbardziej powszechnej formie, biodruk wykorzystuje wspomagane komputerowo zmotoryzowane urządzenie do osadzania warstwa po warstwie biokompatybilnych materiałów, żywych komórek, czynników wzrostu, białek, kwasów nukleinowych, leków i składników pomocniczych w precyzyjnych geometriach w celu tworzenia funkcjonalnie i strukturalnie biomimetycznych konstrukcji tkankowych.
W ostatnich latach biodruk 3D znacznie rozwinął dziedzinę modelowania tkanek i chorób w celu ułatwienia opracowywania leków i badań terapeutycznych. Ogólnie rzecz biorąc, biodruk opiera się na jednym z kilku głównych podejść technologicznych, takich jak: wytłaczanie, drukowanie atramentowe, wspomagane laserowo lub sterolitograficzne.3 Biodruk oparty na wytłaczaniu wykorzystuje siły mechaniczne lub pneumatyczne do dozowania biokomponentu przez dyszę w celu utworzenia ciągłego włókna. Obecnie najczęściej stosowana metoda biodruku, biodruk oparty na wytłaczaniu jest stosunkowo powolny i ma niższą rozdzielczość, ale może wytwarzać konstrukcje z biokomponentów o wysokiej lepkości z rozsądną żywotnością komórek. Biodruk atramentowy wykorzystuje siły termiczne, piezoelektryczne lub akustyczne do osadzania biotuszu w postaci kropelek, oferując dużą szybkość wytwarzania, ale niską gęstość komórek. Podczas gdy biodruk ekstruzyjny może zazwyczaj pracować z biotuszami o wysokiej lepkości, biodruk atramentowy wymaga biotuszów o niskiej lepkości. Biodrukowanie wspomagane laserem jest techniką bezdyszową, która wykorzystuje impulsy laserowe do osadzania biotuszu ze slajdu dawcy na podłożu odbiornika. Chociaż pozwala to na osadzanie wysoce lepkich i gęsto skomórkowanych biotuszów, jest to ograniczone przez niższy wskaźnik przeżywalności komórek. Wreszcie, biodruk stereolitograficzny wykorzystuje precyzyjnie kontrolowane wzory światła do fotopolimeryzacji światłoczułych polimerów na ruchomej pionowo platformie zbierającej w procesie warstwa po warstwie, tworząc w ten sposób konstrukcje 3D o pożądanej strukturze. Bioprinting stereolitograficzny oferuje wyższą rozdzielczość, szybką produkcję i wyższą żywotność komórek niż inne metody.
Mimo różnych podejść, większość procesów bioprintingu składa się z podobnej serii kroków: (i) budowa modelu 3D przy użyciu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, (ii) opracowanie/wybór bioutwardzacza, zwykle kombinacji jednego lub więcej kompatybilnych biomateriałów i żywych komórek, w zależności od modalności i konkretnej tkanki, która ma być poddana biodrukowi, (iii) zaprogramowany robotycznie biodruk z fizycznym i/lub chemicznym sieciowaniem w druku i/lub po wydruku oraz (iv) dojrzewanie konstrukcji tkankowej poddanej biodrukowi. Ogólnie rzecz biorąc, dojrzałe, biodrukowane konstrukty tkankowe są specjalnie zaprojektowane do zastosowań w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej.2 Niedawno wytwarzanie funkcjonalnych modeli tkankowych przy użyciu metod biodruku 3D zostało wykorzystane w modelowaniu chorób, opracowywaniu leków i badaniach przesiewowych spersonalizowanych środków terapeutycznych.4 W niniejszym dokumencie dokonujemy krótkiego przeglądu wyboru biokomponentów i przedstawiamy reprezentatywne przykłady odnoszące się do zastosowań biodruku 3D w biofabrykacji modeli tkankowych (Rysunek 1).
Rysunek 1. Podstawowe składniki i zastosowania biodruku 3D. Biotusze, parametry biodruku i przetwarzanie po biodruku wpływają na żywotność i funkcjonalność komórek, co z kolei wpływa na późniejsze zdarzenia komórkowe, takie jak proliferacja, różnicowanie i tworzenie tkanek. hiPSCs: Ludzkie indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste, MSC: Mezenchymalne komórki macierzyste i ESCs: Embrionalne komórki macierzyste.18, 27, 28.
Rozwój bioink i wybór biomateriałów
Bioink jest jednym z najważniejszych elementów biodruku 3D. Biotusz jest zasadniczo biomateriałem hydrożelowym, zawierającym jeden lub więcej typów komórek, składniki odżywcze i czynniki wzrostu w różnych ilościach, które naśladują macierz zewnątrzkomórkową (ECM) tkanki i wspierają wzrost osadzonych komórek.5 Projektowanie biologicznie istotnych biotuszów jest jednym z krytycznych wyzwań dla wytwarzania konstrukcji tkankowych drukowanych 3D. Biotusz powinien nie tylko zapewniać strukturalne, fizyczne i mechaniczne wsparcie dla osadzonych komórek, ale także dostarczać im niezbędnych biologicznych i chemicznych wskazówek dotyczących przeżycia, proliferacji i różnicowania komórek wymaganych do morfogenezy i homeostazy tkanek. Wybór odpowiedniego biomateriału (lub kombinacji biomateriałów) dla biokomponentu jest kluczowym krokiem do udanego biodruku tkanek i zależy od kilku czynników, takich jak stosowana metoda biodruku, tkanka będąca przedmiotem zainteresowania oraz wszelkie wymagane procesy po wydrukowaniu. Ogólnie rzecz biorąc, idealny biotusz powinien (i) mieć dobrą drukowność; (ii) być utwardzalny metodą przyjazną dla komórek, (iii) mieć odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, aby utrzymać integralność strukturalną tkanki będącej przedmiotem zainteresowania, (iv) być biokompatybilny i biodegradowalny.) być biokompatybilne i biodegradowalne bez wywoływania toksyczności lub reakcji immunologicznych, (v) naśladować mikrośrodowisko in vivo mikrośrodowisko w celu wspierania i promowania aktywności komórkowych, takich jak adhezja, migracja, proliferacja i różnicowanie żywych komórek (Rysunek 2A-B).
Do tej pory liczne biomateriały hydrożelowe były wykorzystywane do formułowania biotuszów do biodruku 3D tkanek (Rysunek 2C). Należą do nich na przykład biomateriały pochodzenia naturalnego oparte na kolagenie, żelatynie, alginianie, fibrynie, kwasie hialuronowym, białkach jedwabiu, chitozanie i zdekellularyzowanym ECM (dECM), a także biomateriały syntetyczne, takie jak poli(glikol etylenowy) (PEG), poli(metakrylan hydroksyetylu) i alkohol poliwinylowy.4 Naturalne źródła są korzystnym podzbiorem biomateriałów ze względu na ich biokompatybilność, przestrajalną degradację i wewnętrzne podobieństwo do natywnego ECM. Z drugiej strony, syntetyczne biomateriały są wysoce zdefiniowane i odtwarzalne z przestrajalnymi składami. Ponadto są one często biologicznie obojętne, nietoksyczne i nieimmunogenne. Właściwości mechaniczne, szybkość degradacji i skład syntetycznych biomateriałów można łatwo kontrolować. Jednak materiały syntetyczne często nie mają odpowiednich miejsc do adhezji komórek i nie wykazują złożoności natywnego ECM.7 Dlatego materiały syntetyczne są często łączone z naturalnymi biomateriałami, aby przezwyciężyć te ograniczenia i zaprojektować mikrośrodowiska podobne do tkanek, które naśladują zarówno chemiczne, jak i fizyczne właściwości natywnego ECM. Na przykład, 4-ramienny PEG-tetraakrylan (PEGTA) - żelatyna metakryloilowa (GelMA) i 8-ramienny PEG-oktoakrylan (PETOA) - żelMA zostały opracowane do biodruku 3D biomimetycznych tkanek naczyniowych.8,9 Dodatek pochodnych PEG do GelMA zapewnia odpowiednie właściwości reologiczne i inne właściwości mechaniczne, które ułatwiają biodruk złożonych wielowarstwowych pustych struktur.
Rysunek 2. Biotusze do biodruku 3D. A) Racjonalne podejście do projektowania biotuszów wymaga uwzględnienia zarówno możliwości drukowania, jak i biokompatybilności. B) Właściwości idealnego biotuszu. C) Klasyfikacja zaawansowanych biodrukarek na cztery główne grupy.5
Jednakże te kompozytowe hydrożele nadal mogą nie posiadać wystarczających biomimetycznych właściwości fizykochemicznych, aby zapewnić funkcje specyficzne dla tkanki. W rezultacie, hydrożele pochodzące z dECM są coraz częściej wykorzystywane jako bio-barwniki. Proces dekellularyzacji wykorzystuje połączenie obróbki mechanicznej, chemicznej i enzymatycznej w celu usunięcia wszystkich składników komórkowych, uzyskując kolagenową matrycę, która zachowuje wiele strukturalnych składników ECM i rozpuszczalnych czynników w stanie nienaruszonym. Badania wykazały, że dECM zachowuje skład biochemiczny natywnej tkanki ECM, z której pochodzi, co okazuje się ważne dla utrzymania fenotypów i funkcjonalności komórek podczas tworzenia biologicznie istotnych tkanek. Na przykład, biodrukowane konstrukcje nerek przy użyciu biokomponentu pochodzącego z dECM wykazywały fizjologicznie istotne cechy natywnej tkanki nerkowej.10 Podobnie, biodruk 3D biotuszów opartych na dECM pochodzących z rozpuszczonych w pepsynie tkanek serca, tkanki tłuszczowej i chrząstki wykazywał wysoką żywotność komórek i funkcjonalność biodrukowanych mioblastów szczura, ludzkich komórek macierzystych pochodzących z tkanki tłuszczowej i ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych w odpowiednich konstrukcjach tkankowych.11
Bioprojektowane modele tkanek/chorób i ich zastosowania w badaniu działania leków
Biodrukowane konstrukty tkankowe o przestrzennie kontrolowanej architekturze stanowią ważne narzędzia do modelowania tkanek i chorób, z odpowiednimi zastosowaniami w toksykologii. Modele te umożliwiają badanie biochemicznych, genetycznych i histologicznych konsekwencji określonych leków, dostarczając w ten sposób informacji farmakokinetycznych, farmakodynamicznych i toksycznych. W tej sekcji przeanalizujemy niektóre zastosowania modeli tkanek i chorób drukowanych w 3D w badaniu funkcji specyficznych dla tkanek, aktywności metabolizowania leków i odpowiedzi na leki. Reprezentatywne biodrukowane modele tkanek wykorzystywane do badań przesiewowych leków są wymienione w Tabeli 1.
Modele tkanek serca
Bioprinting ma potencjał do generowania fizjologicznie istotnych, kurczliwych tkanek serca 3D do testowania leków. Na przykład, pierwotne kardiomiocyty szczura zamknięte w fibrynowym biokleiku zawierającym fibrynogen, żelatynę, aprotyninę, glicerol i kwas hialuronowy zostały biodrukowane w celu stworzenia konstrukcji tkanek serca ze spontanicznymi i synchronicznymi skurczami w hodowli in vitro .12 Konstrukty te oceniano pod kątem fizjologicznej odpowiedzi na znane leki kardiotoksyczne, w tym epinefrynę i karbachol. Epinefryna (200 nM) zwiększyła częstotliwość bicia z 80 do 110 uderzeń na minutę, podczas gdy karbachol (10 μM) zmniejszył częstotliwość bicia do 40 uderzeń na minutę. Ponieważ naczynia krwionośne odgrywają ważną rolę w transporcie składników odżywczych, tlenu i leków do i z tkanek, w tym serca, w innym niedawnym przykładzie wykazano wytwarzanie trójwymiarowych śródbłonkowych rusztowań mikrowłóknistych poprzez bioprinting ekstruzyjny ludzkich komórek śródbłonka żyły pępowinowej (HUVEC) obciążonych alginianem/mieszanką żelMA (Rysunek 3A-B). Następnie wysiano je kardiomiocytami noworodków szczurzych lub kardiomiocytami pochodzącymi z iPSC, generując w ten sposób śródbłonkowe tkanki mięśnia sercowego zdolne do spontanicznych i synchronicznych skurczów (Rysunek 3C).13 Ten model tkankowy został później zintegrowany z bioreaktorem mikroprzepływowym i wykorzystany do badania toksyczności leku przeciwnowotworowego, doksorubicyny, w sposób zależny od dawki i czasu. Po wystawieniu na działanie doksorubicyny przez 6 dni, szybkość bicia kardiomiocytów zmniejszyła się przy jednoczesnym zmniejszeniu wydzielania czynnika von Willebranda (vWF) przez HUVEC (Rysunek 3D-E).
Rysunek 3.Zastosowanie modeli tkankowych drukowanych w 3D w testowaniu leków - Model śródbłonka mięśnia sercowego drukowany w 3D. A) Schemat przedstawiający procedurę wytwarzania modelu tkankowego śródbłonka mięśnia sercowego. B) Schemat przedstawiający montaż HUVEC w biodrukowanych mikrowłóknach w zwartą warstwę śródbłonka na obrzeżach, a także konfokalne obrazy fluorescencyjne pokazujące przekrój poprzeczny trójwarstwowego rusztowania i tworzenie ścisłych połączeń między HUVEC. C) Schemat przedstawiający rusztowanie wysiane kardiomiocytami noworodków szczurów, barwienie F-aktyną pokazujące rozmieszczenie kardiomiocytów na powierzchni mikrowłókien oraz barwienie immunofluorescencyjne ekspresji sarkomerycznej α-aktyniny i koneksyny-43. D) Schematyczny i wysokiej rozdzielczości konfokalny mikrograf fluorescencyjny przedstawiający śródbłonkową tkankę mięśnia sercowego. E) Względne bicie śródbłonkowanych tkanek mięśnia sercowego i poziomy ekspresji vWF przez komórki śródbłonka, po leczeniu różnymi dawkami doksorubicyny.13.
Modele tkanek nerek
Ludzkie nerki filtrują około 180 litrów osocza każdego dnia, wchłaniając wodę i substancje rozpuszczone przez kanaliki nerkowe oraz usuwając odpady z krwi,14 co czyni je podatnymi na uszkodzenia przez leki i toksyny. Bioprinting jest obiecującą metodą wytwarzania tkanek lub składników nerek (takich jak kanaliki nerkowe), które wykazują funkcje filtracji nerkowej, reabsorpcji i wydzielania. Homan i wsp. wykonali biodruk kanalików proksymalnych nerki przy użyciu biodruku ekstruzyjnego, w którym ofiarny bio-utwardzacz wykonany z Pluronic F127 i trombiny został najpierw wydrukowany na ECM żelatyna-fibrynogen-transglutaminaza. Następnie usunięto Pluronic F127, tworząc wydrążony kanalik w usieciowanym ECM (Rysunek 4A-B).15 Komórki nabłonkowe kanalików proksymalnych zostały następnie wysiane w kanaliku i pozwolono im rosnąć do dojrzałości przy ciągłej perfuzji pożywki przez światło (Rysunek 4C). Perfuzowalne kanaliki proksymalne wykazywały morfologię podobną do nabłonka, która została zakłócona podczas leczenia cyklosporyną A w sposób zależny od dawki (Rysunek 4D). Ta sama grupa zgłosiła później16 biodruk 3D unaczynionego modelu kanalika proksymalnego, składającego się z dwóch sąsiednich kanalików proksymalnych i przewodów naczyniowych osadzonych w ECM, przy użyciu oryginalnego ECM i ulotnego biokomponentu z niewielkimi modyfikacjami (Rysunek 4E). Kanały proksymalne i naczyniowe zostały zasiane odpowiednio komórkami nabłonka kanalików proksymalnych i komórkami śródbłonka mikronaczyń kłębuszkowych (Rysunek 4F). Wychwyt biomakromolekuł badano przy użyciu fluorescencyjnie znakowanej albuminy i inuliny, a albumina była wchłaniana selektywnie. Ponadto badano przesłuch między nabłonkiem a śródbłonkiem poprzez krążenie pożywki o wysokiej zawartości glukozy (400 mg glukozy / dl) z lub bez dapagliflozyny i normalnej glukozy (100 mg glukozy / dl) przez kanalik proksymalny i monitorowanie zarówno reabsorpcji glukozy, jak i dysfunkcji komórek śródbłonka.
Modele tkanek wątroby
Hepatotoksyczność pozostaje główną przyczyną późnych niepowodzeń wielu leków,17 czyniąc badania toksyczności leków wątrobowych kluczowymi dla rozwoju leków. W tym celu biodruk 3D został wykorzystany do stworzenia modeli tkanek wątroby, które niezawodnie odtwarzają metabolizm leków, a także metabolizm glukozy i lipidów. Przykładem tego jest zastosowanie stereolitograficznego biodruku opartego na cyfrowym przetwarzaniu światła do opracowania modelu zrazika wątrobowego 3D z modelowanymi ludzkimi indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi (hiPSC) pochodzącymi z komórek wątrobowych, HUVEC i komórek macierzystych pochodzących z tkanki tłuszczowej w fizjologicznie odpowiedniej architekturze przy użyciu GelMA i glicydowanego kwasu metakrylowo-hialuronowego.18 Autorzy zbadali ekspresję różnych genów markerów wątrobowych i enzymów zaangażowanych w metabolizm leków w komórkach progenitorowych wątroby pochodzących z hiPSC (hiPSC-HPC) w biodrukowanym modelu wątroby 3D i stwierdzili, że spośród pięciu cytochromów P450 (CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9, CYP2C19 i CYP3A4) ekspresja najczęstszego CYP, CYP3A4, była znacznie wyższa w hiPSC-HPC. Szacuje się, że około połowa stosowanych obecnie leków jest metabolizowana przez CYP3A4,18 co czyni go obiecującym systemem modelowym. Ponadto ocenili oni wpływ ryfampicyny, antybiotyku o potencjalnej hepatotoksyczności, i wykazali, że ryfampicyna znacząco zwiększyła ekspresję CYP3A4, CYP2C9 i CYP2C19 w hiPSCHPC w modelu wątroby drukowanej 3D w porównaniu z nieleczonymi kontrolami. W innym badaniu przeprowadzonym przez Nguyen i wsp,19 model tkanki wątroby został wytworzony metodą mikroekstruzji przy użyciu pierwotnych ludzkich komórek miąższowych (100% pasty komórkowej hepatocytów, generowanej przez zagęszczanie) i komórek nieparenchymalnych (HUVEC i komórki gwiaździste wątroby w hydrożelu NovoGel).Ich reakcje na znany hepatotoksyczny trovafloxicin badano w porównaniu z lewofloksacyną, ujawniając, że trovafloxacin indukował znaczną toksyczność w klinicznie istotnych dawkach (≤ 4 μM) w sposób zależny od dawki. Podobnie, model wątroby wydrukowany metodą ekstruzji z wykorzystaniem Matrigelu obciążonego komórkami HepG2 został wykorzystany w systemie mikroprzepływowym do analizy metabolizmu amifostyny, proleku przeciwpromiennego.20 Co więcej, biodruk 3D ludzkich sferoidów HepG2/C3A został osiągnięty w biokleiku GelMA bezpośrednio w bioreaktorze (Rysunek 5A-B).21 Platformy wątroby na chipie z biodrukowanymi sferoidami wątrobowymi były hodowane w pożywce perfuzyjnej i analizowane pod kątem wydzielania albuminy, alfa-1 antytrypsyny (A1AT), transferyny i ceruloplazminy, a także ekspresji cytokeratyny 18, białka związanego z opornością wielolekową 2 (MRP-2) i białka ścisłego połączenia ZO-1 w hepatocytach w konstrukcjach biodrukowanych (rysunek 5C). Następnie oceniono toksyczność acetaminofenu (APAP) (Rysunek 5D), demonstrując zastosowanie modelu do testowania toksyczności leków.
Rysunek 4. Zastosowanie modeli tkankowych drukowanych w 3D do testowania leków - Model kanalika proksymalnego nerki drukowany w 3D. A) Schemat różnych etapów wytwarzania 3D kanalika proksymalnego nerki. B) Zdjęcie przedstawiające proces biodruku kanalika proksymalnego (szablon Pluronic F127). C) Projekcja konfokalna i obrazy renderowania 3D biodrukowanego zwiniętego kanalika proksymalnego wypełnionego zwartą warstwą komórek nabłonkowych kanalika proksymalnego. D) Wywołane cyklosporyną A zaburzenie funkcji bariery nabłonkowej poprzez ilościowe określenie przepuszczalności dyfuzyjnej dekstranu izotiocyjanianu fluoresceiny (FITC) (70 kDa). E) Proste i złożone biodrukowane modele unaczynionych kanalików proksymalnych (3D VasPT). F) Konfokalne obrazy 3D VasPT zawierające komórki nabłonkowe w kanaliku proksymalnym i komórki śródbłonka w naczyniu. Powielono na licencji Creative Commons Attribution License 4.0.15,16.
Modele tkanki jelitowej
Jelito jest jednym z głównych narządów, w których odczytywane są leki. Niedawno wygenerowano dwuwarstwowy model tkanki jelitowej poprzez bioprinting ekstruzyjny warstwy śródmiąższowej przy użyciu miofibroblastów jelitowych dorosłego człowieka oraz warstwy nabłonkowej przy użyciu komórek nabłonka jelitowego dorosłego człowieka zawieszonych w termoreaktywnym żelu NovoGel.22 Konstrukty tkanki jelitowej wykazały spolaryzowany nabłonek z ekspresją białek ścisłego połączenia, takich jak E-kadheryna, ZO-1 i funkcjonalne enzymy CYP450. Badania przepuszczalności przeprowadzono przy użyciu żółci Lucifera, mitoksantronu, digoksyny, propranololu i topotekanu. Ponadto zbadano toksyczność indometacyny, niesteroidowego leku przeciwzapalnego, i stwierdzono, że funkcja bariery zmniejszyła się w biodrukowanej tkance jelitowej w sposób zależny od dawki.
Modele nowotworowe
Oprócz normalnych tkanek, biodruk okazał się obiecujący w produkcji modeli tkanek nowotworowych, które lepiej replikują natywne mikrośrodowisko guza, co ma kluczowe znaczenie dla proliferacji komórek nowotworowych, rozprzestrzeniania się przerzutów i odpowiedzi na środki farmaceutyczne. Oparty na ekstruzji model glejaka 3D został stworzony przy użyciu porowatego biokomponentu alginianu/żelatyny/fibrynogenu zawierającego komórki macierzyste glejaka.23 Badania wrażliwości na leki przy użyciu tego modelu glejaka wykazały zwiększoną oporność na temozolomid w porównaniu z hodowlami jednowarstwowymi w stężeniach 400-1600 μg ml-1. Niedawno opisano dwuetapowy biodruk ekstruzyjny mini-mózgów, w którym większa tkanka mózgowa została najpierw wydrukowana z pustą wnęką przy użyciu mysich komórek makrofagów, a następnie wnęka została wypełniona mysimi komórkami glejaka, przy czym obie komórki zostały zamknięte w biokomponencie GelMA/mieszance żelatyny.24 Komórki glejaka aktywnie rekrutowały makrofagi, polaryzując je do fenotypu specyficznego dla makrofagów związanych z glejakiem. Zbadano wpływ karmustyny, powszechnej chemioterapii glejaka, oraz dwóch leków immunomodulujących, AS1517499 (inhibitor Stat6) i BLZ945 (inhibitor receptora czynnika stymulującego tworzenie kolonii 1 (Csf-1r)). Co więcej, model guza raka szyjki macicy 3D został wydrukowany przy użyciu komórek HeLa zamkniętych w żelatynie/alginianie/fibrynogenie, które wykazały zwiększoną chemiooporność na paklitaksel w porównaniu z kulturami płaskimi.25 W innym badaniu model raka jajnika 3D został wygenerowany przez osadzanie komórek mikrozaworu (tj, bioprinting atramentowy) przy użyciu ludzkich komórek raka jajnika OVCAR-5 i fibroblastów MRC-5 mikrowzorowanych na Matrigelu.26 Komórki OVCAR-5 i MRC-5 były wyrzucane jednocześnie za pomocą podwójnych głowic wyrzutnika w przestrzennie kontrolowanym mikrośrodowisku, w sposób powtarzalny i o wysokiej wydajności. Komórki OVCAR-5 nałożone na Matrigel spontanicznie tworzyły wielokomórkowe acini o wielkości ~100-500 μm2 i stopniowo zwiększały heterogeniczność w ciągu 15-dniowego okresu hodowli.
Ponadto, Meng i wsp.27 zgłosili model guza unaczynionego z biodrukiem 3D, który naśladuje rozprzestrzenianie się przerzutów poprzez integrację komórek nowotworowych płuc (komórki A549), przewodów naczyniowych wyłożonych HUVECs i sygnałów biochemicznych z biodrukowanych kapsułek rdzeń / powłoka 3D. Jako rdzeń wybrano hydrożel GelMA obciążony czynnikiem wzrostu, a jako powłoki folie z poli(kwasu mlekowego-co-glikolowego) (PLGA) z funkcjonalizacją nanoprętów złota, podczas gdy wypełniona fibroblastami matryca hydrożelowa z fibryną służyła jako główny składnik zrębu guza. Inwazja komórek nowotworowych do otaczającej macierzy i intrawaskularyzacja do układu naczyniowego były badane przy użyciu gradientów naskórkowego czynnika wzrostu i czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego, które były dynamicznie uwalniane z kapsułek. Ponadto zbadano siłę działania i ukierunkowanie dwóch toksyn immunotoksycznych kierowanych ligandami, EGF4KDEL i CD22KDEL.
Rysunek 5. Model wątroby drukowany w 3D. A) Schemat platformy hodowlanej bioreaktora wątrobowego zintegrowanej z bioprinterem i modułem analizy biomarkerów. B) Bioprinting konstrukcji wątrobowych opartych na hydrożelu GelMA bezpośrednio w bioreaktorze jako układ kropek i widok z góry zmontowanego bioreaktora (pasek skali: 1 mm). C) Obrazy konfokalne przedstawiające biodrukowane sferoidy HepG2/C3A wybarwione na cytokeratynę 18, ZO-1, MRP-2 i jądra oraz szybkość wydzielania biomarkerów wątrobowych, albuminy, A1AT i ceruloplazminy przez sferoidy HepG2/C3A. D) Obrazy konfokalne pokazujące ekspresję MRP2 i zmierzoną aktywność metaboliczną sferoidów wątrobowych poddanych hepatoksyczności indukowanej APAP w sposób zależny od dawki.21
Wnioski
Wykorzystanie modeli tkankowych drukowanych w 3D do badań in vitro W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w testowaniu leków, a te modele tkankowe są obiecujące pod względem zwiększonej odtwarzalności, co zmniejszy koszty odkrywania i opracowywania leków dzięki zautomatyzowanym operacjom biodrukowania. Kolejną korzyścią jest potencjał tych biodrukowanych modeli tkankowych do zmniejszenia wykorzystania zwierząt do testowania leków zarówno przez laboratoria akademickie, jak i firmy farmaceutyczne. Wciąż jednak pozostaje wiele wyzwań, takich jak potrzeba zwiększenia szybkości i rozdzielczości, dostępność tkanek i/lub komórek specyficznych dla pacjenta oraz potrzeba odpowiedniego unaczynienia modeli tkankowych. Ponadto obecnie dostępne są ograniczone biomateriały. W związku z tym istnieje pilna potrzeba opracowania nowych preparatów bioink, aby poprawić wytwarzanie funkcjonalnych konstrukcji tkankowych i ułatwić ich zastosowanie w testowaniu leków.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?