Een onderzoeksteam van de Penn State University (PSU) heeft een nieuwe bioprinttechniek ontwikkeld die gebruik maakt van sferoïden en clusters van cellen om complexe weefsels te maken. Deze nieuwe techniek verbetert de precisie en schaalbaarheid van weefselproductie en kan weefsel 10 keer sneller produceren dan bestaande methoden.
Dit biedt volgens de onderzoekers niet alleen nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van functionele weefsels en organen, maar leidt ook tot vooruitgang op het gebied van regeneratieve geneeskunde. De bevindingen van het onderzoeksteam is onlangs gepubliceerd in Nature Communications.
3D-structuren van levende cellen
Met bioprinten kunnen onderzoekers 3D-structuren bouwen van levende cellen en andere biomaterialen. Levende cellen worden ingekapseld in een substraat zoals een hydrogel om een bioinkt te maken, die vervolgens in lagen wordt geprint met een gespecialiseerde printer. Deze cellen groeien en vermenigvuldigen zich om uiteindelijk in de loop van enkele weken te rijpen tot 3D-weefsel.
“Deze techniek is een belangrijke vooruitgang in het snel bioprinten van sferoïden. Het maakt de bioprinting van weefsels op een high-throughput manier mogelijk met een snelheid die veel hoger ligt dan bij bestaande technieken met een hoge levensvatbaarheid van de cellen”, vertelt Ibrahim T. Ozbolat, Dorothy Foehr Huck en J. Lloyd Huck Chair in 3D Bioprinting and Regenerative Medicine en hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, biomedische techniek en neurochirurgie.
Eerder dit jaar slaagden wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison erin om voor het eerst 3D-geprint hersenweefsel te ontwikkelen dat kan groeien en functioneren zoals typisch hersenweefsel. Die technologische doorbraak opende nieuwe perspectieven voor het onderzoek van hersenaandoeningen en een beter begrip van het menselijk brein.
Celdichtheid
De uitdaging bij 3D-bioprinting ligt in het bereiken van dezelfde celdichtheid bereiken als in het menselijk lichaam. Die celdichtheid is essentieel voor het ontwikkelen van weefsel dat zowel functioneel is als gebruikt kan worden in een klinische omgeving. Sferoïden bieden daarentegen een veelbelovend alternatief voor weefselbioprinting omdat ze een celdichtheid hebben die vergelijkbaar is met die van menselijk weefsel.
Hoewel het 3D-printen van sferoïden een haalbare oplossing biedt voor het produceren van de benodigde dichtheid, worden onderzoekers beperkt door het gebrek aan schaalbare technieken. Bestaande bioprinttechnieken beschadigen vaak de delicate celstructuren tijdens het printproces, waardoor sommige cellen sterven. Andere technologieën zijn omslachtig en bieden geen nauwkeurige controle over de beweging en plaatsing van de sferoïden die nodig zijn om replica's van menselijk weefsel te maken.
Een ander probleem is dat de bestaande technieken te langzaam zijn. Dat bleek bijvoorbeeld uit een eerder onderzoek van Ozbolat over de ontikwelling van een aspriratie-ondersteunde bioprinttechniek. Met behulp van een pipetpunt konden de onderzoekers piepkleine bolletjes cellen opzuigen en precies daar plaatsen waar ze zichzelf samenvoegen en een vast weefsel vormen. Maar omdat de techniek inhoudt dat sferoïden één voor één worden verplaatst, kan het dagen duren om een structuur van één kubieke centimeter op te bouwen.
HITS-Bio techniek
Om deze problemen aan te pakken, ontwikkelde het team een nieuwe techniek: High-throughput Integrated Tissue Fabrication System for Bioprinting (HITS-Bio). Deze bioprinttechniek maakt gebruik van een digitaal gestuurde reeks pintkoppen (nozzles). Dit is een opstelling van meerdere nozzles die in drie dimensies beweegt en onderzoekers in staat stelt om meerdere sferoïden tegelijkertijd te manipuleren.
Het team organiseerde de spuitmonden in een reeks van vier bij vier, waarmee 16 sferoïden tegelijkertijd kunnen worden opgepakt en snel en nauwkeurig op een bioinkt-substraat kunnen worden geplaatst. De nozzles kunnen ook sferoïden in aangepaste patronen oppakken, die vervolgens herhaald kunnen worden om de architectuur te creëren die in complex weefsel te vinden is. “We kunnen dan heel snel schaalbare structuren bouwen. Het is 10 keer sneller dan bestaande technieken en behoudt een hoge levensvatbaarheid van de cellen van meer dan 90 procent”, aldus Ozbolat.
Getest op kraakbeenweefsel
Om de nieuwe techniek te testen, ging het team aan de slag met het maken van kraakbeenweefsel. Ze creëerden een structuur van een kubieke centimeter met ongeveer 600 sferoïden van cellen die kraakbeen kunnen vormen. Het proces duurde minder dan 40 minuten, een zeer efficiënte snelheid die de capaciteit van bestaande bioprinttechnologieën overtreft.
Vervolgens konden de onderzoeker aantonen dat de bioprinttechniek gebruikt kan worden voor on-demand weefselherstel in een chirurgische setting bij een rattenmodel. Ze printten sferoïden rechtstreeks in een wond in de schedel tijdens een operatie. Dit was de eerste keer dat sferoïden intraoperatief werden geprint. Met behulp van microDNA-technologie werdemn de sferoïden zo geprogrammeerd dat ze in bot veranderdern. MicroRNA helpt genexpressie in cellen te controleren, inclusief hoe cellen zich differentiëren in specifieke types. “Omdat we de cellen met deze techniek in hoge doseringen toedienden, versnelde het daadwerkelijk het botherstel. Na drie weken was de wond voor 91 procent genezen en na zes weken al voor 96 procent.
De HITS-Bio techniek biedt de mogelijkheid om complex en functioneel weefsel te creëren op een schaalbare manier. Uitbreiding van het aantal spuitmonden zou kunnen leiden tot de productie van grotere en meer complexe weefsels, zoals organen en orgaanweefsel.
