Johdanto: Verisuonistoon painettujen kudosten lupaus

Bioprinting on muuttanut kudosten suunnittelu mahdollistaa valmistus kolmiulotteisia rakenteita, jotka läheisesti toistavat arkkitehtuurin ja toiminnan natiivi ihmiskudosten. Kuitenkin ilman toiminnallinen verisuoniverkosto. Kapillaarit, valtimoiden ja venules. Muotoilu kudoksia on edelleen rajoitettu ohut, verisuonikerrosten nopeasti supistettu hypoksia ja nekroosi. Kyky bioprint verisuonien mallinnus on tullut kriittinen virstanpylväs, avaa uusia mahdollisuuksia huumeiden kehittämiseen, sairauksien mallintaminen, ja lopulta, elinten uudistuminen. Tämä artikkeli tutkii nykytila bioprinting luoda verisuonistoa kudoksia, tekniset esteet voittaa, ja lupaava tulevaisuus tämän teknologian.

Mitä Bioprinting on?

Bioprinting on lisäainevalmistusprosessi, joka sisältää eläviä soluja, biomateriaaleja ja kasvutekijöitä tarkasti avaruuden rakenteisiin kudosten kaltaisten rakenteiden rakentamiseksi. Toisin kuin perinteinen 3D-tulostus, jossa käytetään muoveja tai metalleja, bioprinting käyttää []bioinkejä[].Viskoottiset valmisteet, jotka sisältävät elinkykyisiä soluja, jotka on suspendoitu hydrogeeliin, soluihin perustuviin matriksikomponentteihin tai muihin bioyhteensopiviin materiaaleihin. Tulostin voi kuoria, suihkuttaa tai laser-siirtää nämä bioinkejä kerros kerros kerrokselta, jolloin tutkijat voivat luoda monimutkaisia muotoja solutiheydeltään lähestyen luonnonkudoksia.

Biotulostusmenetelmiä on useita:

  • Ekstruusiopohjainen bioprinting[: jatkuva hehkulankapinnoitus, joka soveltuu suurille solutiheydeille ja suurille rakenteille.
  • Inkjet bioprinting[: droplet-pohjainen, mahdollistaa korkean resoluution mutta alempi solujen elinkyky pitkiä tulostusaikoja.
  • Laseravusteinen bioprinting[: käyttää laserpulsseja siirtääkseen soluja luovuttajanauhasta, mikä tarjoaa mikronin tarkkuutta.
  • Steretografiseen bioprinting: bioinkkien kerros kerros kerroksittain fotopolymerointi, ihanteellinen monimutkaisia arkkitehtuuria.

Jokaisella teknologialla on kompromissiratkaisu, läpivienti ja solujen yhteensopivuus, mutta kaikki edistävät kaikenkattavaa tavoitetta, joka on toiminnallisten kudosten valmistaminen.

Verisuoniston kriittinen haaste

Luonnonkudokset luottaa laaja kapillaariverkosto tuottaa happea ja ravinteita samalla poistamalla metabolisia jätteitä. Muotoilla kudoksissa, puuttuminen tällainen verkosto johtaa diffuusio raja noin 100...200 mikrometriä...ja sitten, solut ydin kuolee. Tämä ...vaskularisaatio ongelma on historiallisesti estänyt paksun, metabolisesti aktiivisen kudosten rakentamisen kliiniseen käyttöön.

Alkuvaiheen yritykset verisuonittaa rakennustelineet sisälsivät kylvö endoteelisolujen esimuodostuneita kanavia tai indusoi angiogeneesia kasvutekijän vapautumisen kautta. Kuitenkin nämä menetelmät tuottivat usein epäsäännöllisiä, huonosti perfuusioituja verkkoja. Bioprinting tarjoaa hallitun lähestymistavan: se voi suoraan kuvioida endoteelisoluja ja tukea soluja (esim. perikyyttejä, sileä lihassoluja) ennalta määriteltyihin geometryihin, luoden hierarkkisia verisuonipuita, jotka jäljittelevät luonnollisia haarautumismalleja.

Tärkeimmät bioprinting tekniikat verisuonitukselle

Uhrautuvat bioinkit

Yksi menestyksekkäimmistä strategioista käyttää -materiaalia[], jotka painetaan väliaikaisena mallina verisuonikanaville. Kun rakenne on ristisidottu ja vakiintunut, uhrimuste poistetaan (esim. liuottamalla, kuumentamalla tai entsymaattisella mädätyksellä), jolloin jäljelle jää läpäiseviä onttoputkia. Yleisesti käytettyinä uhrimusteina ovat polyuroni F-127, liivate ja hiilihydraattilasi. Tätä menetelmää on käytetty sydän-, maksa- ja munuaiskudosmallien patenttien luomiseen.

Suora Coaksiaalinen Extruusio

Koaksiaalisuuttimien avulla voidaan puristaa samanaikaisesti ydinbioinkki (sisältää endoteelisoluja) ja kuoribioinkki (tukimatriisi). Koska rakenne on painettu, ydinmateriaali voidaan ristisidottaa tai poistaa valikoivasti, jolloin syntyy alusta alkaen endoteelisoluilla vuorattu astian kaltainen kanava. Tämä tekniikka tuottaa patentoituja mikroaluksia, jotka kestävät fysiologisia virtausnopeuksia.

Moni- ja mikroneste-bioprinting

Modernit bioprintterit, joissa on useita tulostuspäätä, voivat tallettaa eri solutyyppejä ja materiaaleja yhteen istuntoon. Esimerkiksi yksi suutin voi tulostaa irtokudoksen hepatosyyttien kanssa, kun taas toinen tulostaa verisuoniverkoston endoteelisoluilla ja sileillä lihassoluilla. Mikronestemäiset tulostuspäät mahdollistavat bioinkkien reaaliaikaisen sekoittamisen, mikä luo kasvutekijöiden tai soluvälien ulkopuolisten matriisikomponenttien kaltevuuksia, jotka ohjaavat aluksen kypsymistä.

Situ Bioprinting

Regeneratiiviseen käyttöön, in situ bioprinting talletukset soluja ja biomateriaaleja suoraan vika paikkaan. Kun yhdistettynä verisuonikuvantaminen (esim. CT angiografia), tulostin voi luoda potilaskohtainen verisuoni malli, joka integroituu isäntäkierron jälkeen implantaatio. Tämä lähestymistapa on vielä kokeellinen, mutta on lupaava rekonstruktiivinen leikkaus.

Verisuoniston rakennemateriaalit ja bioinkit

Bioinkin valinta on ratkaisevan tärkeää sekä tulosttavuuden että verisuonitoiminnan kannalta. Ihanteiden bioinkkien pitäisi tukea solujen elinkelpoisuutta, mahdollistaa riittävä ristiside ja hajottaa kudosten uudelleenmuotoilua vastaavaa nopeutta.

  • Gelatiinimetakrylaatti (GelMA): valoristettävä gelatiinijohdannais, joka tukee endoteelisolujen tarttumista ja leviämistä.
  • Alginaatti[: ionisesti ristisidottu polysakkaridi, joka tarjoaa nopean hyytelöinnin ja suuren tulostuksen, joka on usein sekoitettu muihin materiaaleihin solujen yhteensopivuuden parantamiseksi.
  • Hyaluronihappo[: natiivi ekstrasolun matriisikomponentti, joka edistää angiogeneesiä ja luo vesipitoisen mikroympäristön.
  • Fibrin: luonnollinen matriksi, joka muodostuu trombiinivälitteistä polymerointia seuraavien muotojen jälkeen ja jota käytetään yleisesti verisuonistollisissa kudosmalleissa sen antiangiogeenisten ominaisuuksien vuoksi.
  • Desellularisoitu solunulkoinen matriisi (decellulared extracellular matrix (declm): johdettu natiivikudoksista, dECM bioinkeistä, säilyttää biokemiallisia vihjeitä, jotka tukevat astioiden muodostumista ja kudosspesifistä erilaistumista.

Bioinkeissä käytettävät endoteelisolut voivat olla peräisin ihmisen napasuonen endoteelisoluista (HUVC), indusoiduista pluripotenteista kantasoluista tai mikrovaskulaarisista endoteelisoluista. Solutyyppejä kuten perikyytejä tai mesenkymeelisiä kantasoluja tuetaan usein yhdessä, jotta ne vakauttavat kantasoluja ja edistävät kypsymistä.

Verisuonistossa olevien biopainettujen mallien sovellukset

Huumelöydökset ja toksikologia

Verisuonistomallit tarjoavat fysiologisesti merkityksellisemmän alustan lääkkeiden testaamiseen kuin perinteiset 2D-viljelmät. Lääkkeiden on läpäistävä endoteelieste kohdekudoksiin pääsemiseksi, ja läpäisemättömän verisuoniverkoston läsnäolo mahdollistaa tutkijoiden tutkimuksen kuljetuksesta, aineenvaihduntasta ja myrkyllisyydestä dynaamisessa ympäristössä. Esimerkiksi biopainettuja maksamalleja, joissa on integroitu sinuoidin kaltaisia rakenteita, on käytetty ennustamaan lääkkeen aiheuttamia maksavaurioita tarkemmin kuin staattisia pallonpuoliskoja.

Tautien mallintaminen

Kun potilasperäisiin soluihin on sisällytetty bioprintoituja verisuonisia rakenteisia malleja, ne voivat kapitoida tauteja koskevat spesifiset fenotyypit. Kasvainmikroympäristöjä on esimerkiksi bioprintoitu syöpäsoluilla, endoteelisoluilla ja immuunisoluilla angiogeneesin, etäpesäkkeiden ja antiangiogeenisten hoitojen tutkimiseen. Samoin diabeettisen haavan paranemisen verisuonistolliset mallit antavat tutkijoille mahdollisuuden tutkia heikentynyttä verisuonten muodostusta ja testata antiangiogeenisia hoitoja.

Regeneratiiviset lääkkeet

Perimmäisenä tavoitteena on tuottaa implantoitavia, verisuonistollisia kudoksia ja elimiä. Biopainettuja verisuonitettuja luusiirrännäisiä, ihon korvikkeita ja sydänlihaslappua on testattu prekliinisissä eläinmalleissa. Esimerkiksi biopainettu sydänlappu, joka sisältää sepelvaltimoiden kaltaisten alusten läpäisemättömän verkoston, paransi selviytymistä ja toimintaa istutettaessa infektoituneisiin rotansydämiin. Haasteet ovat edelleen ihmiskokoisiin elimiin skaalautumisessa, mutta edistys on nopeaa.

Nykyiset rajoitukset ja tulevaisuuden ohjeet

Vaikuttavasta edistyksestä huolimatta on voitettava useita esteitä ennen kuin verisuoniperäisistä biopainetuista kudoksista tulee tavanomaisia kliinisiä välineitä:

  • Resoluutio vs. asteikko[: kapillaareihin (5..10 μm halkaisija) perustuva painettavuus senttimittakaavan yli on edelleen vaikea. Useimmat nykyiset järjestelmät saavuttavat 50.500 μm lumenia, jotka ovat yhä suurempia tilauksia kuin natiivi kapillaareja.
  • Pitkäaikainen stabiilisuus[: Biopainetut astiat menettävät usein eheyttään viikkojen kuluttua viljelyssä entsymaattisen hajoamisen, solujen supistumisen tai asianmukaisten mekaanisten vihjeiden puuttumisen vuoksi.
  • Integraatio isäntävaskulaatiin[: implantaation yhteydessä painetun verkon on anastomous potilaan verenkierron kanssa nopean perfuusion ................................................................................................................................................................................................................
  • Standardointi ja viranomaishyväksyntä[: bioinkin koostumus, tulostusparametrit ja laadunvalvonta vaihtelevat suuresti, mikä vaikeuttaa käännösten tekemistä kliinisiin kokeisiin.

Kehittyvät ratkaisut ovat []kehittyneiden fotopolymerointistrategioiden [ käyttö, jotka voivat saavuttaa alle 10 μm:n resoluution, [ -angiogeenisten kasvutekijöiden [ käyttö tilaohjatuissa kaltevuuksissa, ja [ -järjestävien bioinkkien kehittäminen [], joiden avulla endoteelisolut voivat muodostaa kapillaarisia - kaltaisia verkostoja spontaanisti tulostuksen jälkeen. Koneoppimista käytetään myös printtien optimointiin ja aluksen kypsymisen ennustamiseen.

Bioprintoinnin lähentyminen organ-on-a-chip -teknologiaan voi tuottaa mini-ini-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in

Päätelmä

Kyky luoda verisuonistoon kudosmalleja bioprinting edustaa paradigman muutos kudosten suunnittelu. Siirrymällä pidemmälle yksinkertaisia verisuonien rakenne, tutkijat voivat nyt rakentaa kudoksia, jotka elävät, toimivat, ja käyttäytyvät enemmän kuin natiivit elimet.Huumetestauksesta regeneratiivisiin implantteihin, sovellukset ovat laaja. Jatkuva innovaatio bioink muotoilu, print resoluutio, ja perfuusio kulttuuri on välttämätöntä toteuttaa täysi potentiaali tämän muuntava teknologia. Kuten kenttä kypsyy, verisuonitettu bioprinted kudoksia epäilemättä tulee kulmakivi sekä biolääketieteellisen tutkimuksen ja kliinisen hoidon.

Lisätietoja