Scaffoldsista perfuusiokudoksiin: Biopainettujen verisuonikanavien ilmaantuminen

Bioprinting on siirtynyt yksinkertaisen solukuoren yli tuottaa monimutkaisia, monisoluisia elinmalleja, jotka uudelleenpäättelevät ihmisen fysiologian keskeisiä näkökohtia. Keskeinen läpimurto on bioprintoitujen verisuonikanavien integroiminen. Mikromittakaava, endoteelisoitujen kanavien suunniteltu tuottamaan ravinteita, happea ja signaalien molekyylien koko kudostilavuuden. Ilman näitä kanavia paksut rakennelmat kärsivät nekroosista eivätkä jäljittele alkuperäiskanavien elinten dynaamista ympäristöä. Tässä artikkelissa tarkastellaan bioprintoitujen verisuonikanavien periaatteita, materiaaleja, sovelluksia ja tulevia suuntia monisoluisissa elinmalleissa.

Biopainettujen verisuoniverkostojen perusteet

Verisuonikanavan määrittely

Biopainettu verisuonikanava on ontto, putkimainen rakenne valmistettu kerros kerros 3D bioprinter. Nämä kanavat ovat tyypillisesti vuorattu endoteelisoluja ja koteloitu tukeva hydrogeeli tai soluton matriisi (ECM) jäljittelee. Niiden halkaisijat vaihtelevat kymmenistä satoihin mikrometreihin, usein sisältävät haarakuvioita, jotka muistuttavat AV-, kapillaari, ja venules. Tavoitteena on luoda läpäisevä verkko, joka voi ylläpitää korkea solujen tiheydet ja mahdollistaa pitkän aikavälin kulttuuri.

Biotulostusteknologiat verisuonirakenteiden osalta

Useita biotulostusmenetelmiä käytetään verisuonikanavien luomiseen:

  • Ekstruusiopohjainen bioprinting:[] Bioink filamentaatioiden jatkuva laskeuma suuttimen kautta. Tämä menetelmä mahdollistaa paksun, monikerroksisen rakenteen ja soveltuu suuremmille kanaville. Koaksiaaliset suuttimet voivat tuottaa onttoja kuituja yhdessä vaiheessa.
  • Pudotuspohjainen bioprinting (inkjet):[] Bioinkin pisarat on sijoitettu korkealle resoluutiolle. Hyödyllinen solujen ja matriisin tallettamiseen tarkasti, mutta rajoitettu kanavan korkeuteen ja mekaaniseen eheyteen.
  • Laseravusteinen bioprinting (LAB):[] Laserpulssi siirtää bioinkin luovuttajanauhasta alustalle. Tarjoaa korkean solujen elinkyvyn ja resoluution, jota käytetään usein pienissä, korkean uskollisuuden verisuoniverkostoissa.
  • Steretografinen (SLA/DLP):[ Valonvarmistettavat hydrogeelit ovat kiinteytettyjä kerros kerroksittain valolla. Erinomainen monimutkaisiin, korkean resoluution kanavageometrioihin, mutta vaatii fotoinitiaattoreita, jotka voivat vaikuttaa solujen eloonjäämiseen.

Bioink Muotoilut verisuonille

Bioprintoidun kanavan menestys riippuu voimakkaasti bioinkistä. Ihanteelliset bioinkit tukevat solujen kiinnitystä, leviämistä ja erilaistumista samalla kun ne tarjoavat riittävän mekaanisen vakauden ja tulosttavuuden.

  • Alginaatti:[] Merilevästä johdettu polysakkaridi, joka geelit kalsiumioneja. Sen nopea geeli tekee siitä suositun uhrin luonti ontto kanavien, vaikka siitä puuttuu nisäkkäiden ECM-merkkejä.
  • Gelatiinimetakrylaatti (GelMA):[] Valoristettävä gelatiinijohdannais, joka säilyttää solua sitovat aiheet. Käytetään usein endoteelikanavissa.
  • Fibrin:[ Luonnollinen proteiini mukana veren hyytymistä. Se edistää angiogeneesiä ja endoteelisaatiota, mutta hajoaa nopeasti.
  • Hyaluronihapon (HA) johdannaiset:[ Tarjoa nesteytetty, salliva ympäristö endoteelisoluille. Usein yhdistettynä kollageeniin tai Gelma.
  • Desellularised ECM (decellularized ECM):[] Kudoskohtaiset bioinkit, jotka säilyttävät natiivit biokemialliset signaalit. Verisuonikanaville sydämen tai verisuonten dECM tarjoaa kaikkein merkittävimmän mikroympäristön.

Viimeaikaiset edistysaskeleet yhdistävät useita materiaaleja: biomateriaaleissa tehty uhrausydin (esim. Pluronic F127, alginaatti), joka poistetaan tulostuksen jälkeen kanavan lumenia ympäröivän solukuoren ympärille. []A 2021-tutkimus biomateriaaleista osoitti, että koaksiaalinen puristaminen suoraan läpäisevien verisuonikanavien tulostamiseksi endoteelisoluilla, jotka on suunnattu lumikerros .

Suunnittelu Complex Vascalature monikelloinen elinmalleja

Hierarkiset haarautumis- ja hemodynaamiset laitteet

Natiivien verisuoniverkot ovat hierarkkisia: suuret valtimot haarautuvat pienempiin valtimoihin ja kapillaareihin, sitten sulautuvat venuleiksi ja suoniin. Biopainettujen mallien on toistettava tämä haarautuminen saavuttaakseen yhtenäisen perfuusion. Laskeutumisnesteen dynamiikkaa (CFD) simulaatioita käytetään nyt suunnittelemaan kanavageometrioita, jotka minimoivat leikkausrasitusgradientit ja seisovat vyöhykkeet. [Viimeisimmät työt Lab-hippi kuvaa CFD:n käyttöä optimoimaan hapensiirtoa varten luustolihaksissa.[.

Endotetelisaatio ja estotoiminto

Pelkkä kanavan tulostaminen ei riitä; lumen on vuorattava toiminnallisilla endoteelisoluilla, jotka muodostavat tiukan esteen. Endoteelisolut reagoivat leikkausjännitykseen suuntaamalla ja pehmentämällä risteysproteiineja, kuten VE-kadheriinia ja ZO-1:tä. Monet ryhmät ennen siementä toimivat kanavat läpäisemällä solususpension rakenteen kautta, sitten soveltamalla dynaamista virtausta adheesiota edistävien toimintojen edistämiseksi. Yhteisviljely perikyytien tai sileiden lihassolujen kanssa voi edelleen vakauttaa aluksen seinämän ja säännellä läpäisevyyttä.

Integrointi Parenkymaalisoluihin

Biopainettujen verisuonikanavien todellinen teho syntyy, kun ne on upotettu monisoluiseen elinmalliin. Maksamallissa esimerkiksi maksasolut, tähtisolut ja Kupffer-solut jakautuvat ekstravaskulaariseen tilaan, kun endoteelisolut yhdistävät kanavat. Verisuoniverkoston läheisyys mahdollistaa hepatosyyttien metabolisen toiminnan ylläpitämisen viikkoja. []A 2019 -tutkimuksessa tieteellisissä raporteissa bioprinted a pain construction with vascular canaves that supported albuminerite and urea production for excellent 28 days.

Hakuja sairauksien mallintamiseen ja lääkkeiden testaukseen

Ateroskleroosi ja hypertensiomallit

Verisuonikanavat voidaan suunnitella matkimaan patologisia tiloja. Muuttamalla bioinkin koostumusta, seinän jäykkyyttä tai virtausdynamiikkaa tutkijat luovat stenoottisia tai verenpainetta verisuonia. Endoteeliaalinen toimintahäiriö, rasvan kertyminen, ja immuunisolujen infiltraatio voidaan tutkia hallitusti. Nämä mallit tarjoavat vaihtoehdon eläinkokeissa tutkia plakin muodostumista ja tromboosi.

Syöpämikroympäristön mallintaminen

Kasvaimet ovat erittäin riippuvaisia angiogeneesistä ja verisuonien remontin. Biopainetut verisuonikanavat mahdollistavat tutkijoiden yhteisviljelyn kasvainsoluja, fibroblastit, ja endoteelisoluja realistisessa 3D-arkkitehtuurissa. Tuloksena mikrotuumeilla on gradientteja happea ja ravinteita, jäljittelevät in vivo kasvaimen mikroympäristön. Tällaisia malleja käytetään seulomaan anti-angiogeenisiä lääkkeitä ja tutkimaan metastaattisia intravasaatiota. []A 2019 paperi Advanced Materials kuvattu bioprinted glioblastoma-on-a-sirulla kanssa perfusable kanavat, jotka osoittivat differentiaali huumevasteet verrattuna 2D-kulttuurit.

Lääketoksisuus ja farmakokinetiikka

Ennusteet lääkkeiden aiheuttama verisuonitoksinen on suuri haaste lääkekehityksen. Biopainetut verisuonistolliset elinmallit mahdollistavat reaaliaikaisen seurannan endoteeliesteen eheyttä, vasodilaatiota ja solukuolemaa altistuessaan yhdisteille. Monielinmallit (esim. maksan-lapsi-sydän) yhdistettynä yhteiseen verisuoniverkostoon voivat karpitoida uudelleen systeemisen lääkeaineen metabolian ja jakelun, mikä vähentää riippuvuutta eläinkokeista.

Biotulostetun vaskulature-valmisteen kliiniset vaikutukset

Skaalattavuus ja tuotannon johdonmukaisuus

Vaikka laboratorio-skaala valmistus senttimetrikokoisten rakennelmien on mahdollista tuottaa kliinisesti merkittäviä määriä. Esimerkiksi täysipaksuus verisuonittunut iholappu tai munuaislohko on edelleen pelottava. Tulostusresoluutio vs. nopeusvaihtoehdot läpimeno. Edistyy jatkuvassa nesterajapinta tuotannossa (CLIP) ja monimateriaalisessa painatuksessa voi auttaa, mutta biopainettujen verisuonirakenteiden laadunvalvontastandardit ovat edelleen kehittymässä.

Pitkäaikainen patenssi ja remontointi

Biopainettujen kanavien on pysyttävä auki ja toiminnassa viikkoja ja kuukausia ilman okclusive. Tromboosi, intimaalinen hyperplasia ja matriisin hajoaminen voivat kaikki vaarantaa patenssin. Antikoagulanttipinnoitteet (esim. hepariinin vapautuminen) ja sileä lihassolukonviljely tutkitaan ylläpitääkseen astioiden eheyttä. In vivo, isäntä immuunivaste ja mallintaminen edelleen monimutkaistaa tuloksia. [FDA on antanut ohjeita 3D-bioprinted medical products[, korostaen tarvetta tiukkaan biokompetensability ja mekaaninen testaus.

Solun hankinta ja heterogeneiteetti

Ensisijainen ihmisen endoteelisolut ovat rajallisia ja menettävät fenotyypin viljelmässä. Induktioivat pluripotenttiset kantasolut (IPK) -johdetut endoteelisolut tarjoavat runsaasti lähdettä, mutta eivät välttämättä täysin uudelleenkapitoi elinkohtaisia ominaisuuksia. Lisäksi monisoluisen elinmallin luominen edellyttää useita solutyyppejä, jotka on painettava tai kylvettävä tarkasti. Solukohtaisten bioinkkien ja peräkkäisten bioprintaatiostrategioiden kehitys on tähän haasteeseen vastassa.

Tulevaisuuden Suunnat: Kohti toiminnallisia, siirtokelpoisia elimiä

4D Bioprinting ja dynaaminen vaskuloginen

Seuraava raja sisältää aikariippuvaisia muutoksia: alukset, jotka supistuvat, laajenevat tai remontinsa reagoivat ärsykkeisiin. 4D-bioprinting käyttää älykkäitä materiaaleja (esim. muotomuistipolymeerejä, lämpötilaherkkiä hydrogeelejä) luodakseen kanavia, jotka muuttavat geometriaa ajan myötä. Tämä voi johtaa itseparantuvilla ominaisuuksilla rakentumiseen tai kykyyn integroitua isäntäkiertoon istutuksen jälkeen.

Integrointi mikrofluidien ja organi-on-a-chipin kanssa

Biopainetut verisuonikanavat soveltuvat luonnollisesti uruille-on-a-chip alustoille. Kaatamalla anturit (happi, pH, sähköinen impedanssi) tutkijat voivat seurata kudosten terveyttä reaaliajassa. Suljetut perfuusiojärjestelmät, jotka säätävät virtausta metabolisen kysynnän perusteella, ovat kehitteillä. Nämä järjestelmät voisivat toimia "elävinä" lääkeseulontoalustoina tai jopa väliaikaisina bioteknisinä elinsiirtoina.

Eettiset ja sääntelyyn liittyvät polut

Biopainettujen verisuoniperäisten elinmallien kehittyessä kliiniseen käyttöön syntyy eettisiä näkökohtia solujen hankinnan ympärillä, potilaskohtaisia malleja ja oikeudenmukaista saatavuutta. Sääntelyelimet pyrkivät luokittelemaan nämä rakennelmat laitteiksi, biologisiksi tai yhdistelmätuotteiksi. Sidosryhmien sitoutuminen ja avoimet riski-hyötyanalyysit ovat olennaisen tärkeitä vastuullisen innovoinnin ohjaamiseksi.

Päätelmät

Biopainetut verisuonikanavat ovat muuntaneet monisoluisen elinmallin staattisesta, ohuesta rakenteesta dynaamisiksi, läpäiseviksi kudoksiksi, jotka ylläpitävät monimutkaisia solutoimintoja. Vaikka haasteet ovat edelleen skaalautuvuus, pitkän aikavälin vakaus ja kliininen käännös, nopea innovaatiovauhti bioinkeissä, tulostusteknologiassa ja laskentasuunnittelussa lupaa tulevaisuuden, jossa potilaskohtaisista verisuonitettavista elinmalleista tulee rutiinityökaluja täsmälääketieteessä.