परिचय: संवहनीकृत जैव-मुद्रित ऊतक का वादा

बायोप्रिंटिंग ने तीन आयामी संरचनाओं के निर्माण को सक्षम करके ऊतक इंजीनियरिंग को बदल दिया है जो मूल मानव ऊतकों की वास्तुकला और कार्य को बारीकी से दोहराते हैं। हालांकि, एक कार्यात्मक संवहनी नेटवर्क-कैबिलरी, धमनी और वेन्यूल्स-इंजीनियर ऊतक पतले, अवसंगत परतों तक सीमित रहते हैं जो जल्दी से हाइपोक्सिया और नेक्रोसिस के लिए उपयुक्त होते हैं। जैवप्रिंट संवहनी ऊतक मॉडल की क्षमता एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर बन गई है, जो दवा के विकास, रोग मॉडलिंग और अंततः, ऑर्गन पुनर्जनन में नई संभावनाओं को अनलॉक करती है। यह लेख संवहनी ऊतकों, इस तकनीक के तकनीकी अनुभव के लिए जैव-प्रिंटिंग की वर्तमान स्थिति की खोज करता है।

बायोप्रिंटिंग क्या है?

बायोप्रिंटिंग एक योजक विनिर्माण प्रक्रिया है जो ऊतकों की तरह संरचनाओं के निर्माण के लिए सटीक स्थानिक व्यवस्था में रहने वाले कोशिकाओं, जैव सामग्री और विकास कारकों को जमा करती है। पारंपरिक 3D प्रिंटिंग के विपरीत, जो प्लास्टिक या धातुओं का उपयोग करता है, बायोप्रिंटिंग रोजगार bioinks[ -विज़स फॉर्मूलेशन जिसमें हाइड्रोजेल, एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स घटकों, या अन्य जैवसंगत सामग्रियों में निलंबित व्यवहार्य कोशिकाओं शामिल हैं। प्रिंटर परत द्वारा इन बायोइंक परत को बाहर निकाल सकता है, जेट या लेजर-ट्रांसफर कर सकता है, जिससे शोधकर्ताओं को प्राकृतिक ऊतकों के उन लोगों के संपर्क में सेल घनत्व के साथ जटिल आकार बनाने की अनुमति मिलती है।

कई जैव मुद्रण मोडलिटी मौजूद हैं:

  • Extrusion-based bioprinting: सतत फिलामेंट जमावट, उच्च सेल घनत्व और बड़े निर्माण के लिए उपयुक्त है।
  • ]Inkjet bioprinting: बूंद आधारित, लंबे समय से प्रिंट समय पर उच्च संकल्प लेकिन कम सेल व्यवहार्यता सक्षम।
  • लेजर-सहायता प्राप्त जैवप्रिंटिंग : एक दाता रिबन से कोशिकाओं को स्थानांतरित करने के लिए लेजर दालों का उपयोग करता है, जिससे माइक्रोन परिशुद्धता मिलती है।
  • ]Stereolithography-based bioprinting]: photopolymerization of bioinks परत by परत, intricate आर्किटेक्चर के लिए आदर्श।

प्रत्येक प्रौद्योगिकी में संकल्प, थ्रूपुट और सेल संगतता में व्यापार-बंद होता है, लेकिन सभी कार्यात्मक ऊतकों को बनाने के अतिरेक लक्ष्य में योगदान करते हैं।

वैस्कुलराइजेशन की क्रिटिकल चैलेंज

प्राकृतिक ऊतक चयापचय अपशिष्ट को हटाने के दौरान ऑक्सीजन और पोषक तत्वों को वितरित करने के लिए एक व्यापक केशिका नेटवर्क पर निर्भर करते हैं। इंजीनियर ऊतकों में, ऐसे नेटवर्क की अनुपस्थिति मोटे तौर पर 100-200 माइक्रोमीटर की प्रसार सीमा की ओर जाता है - इसके अलावा, कोर मरने में कोशिकाएं। इस "वैस्कुलराइजेशन समस्या" ने ऐतिहासिक रूप से नैदानिक उपयोग के लिए मोटे, चयापचय रूप से सक्रिय ऊतक निर्माण के निर्माण को रोका है।

मचान को संवहनी बनाने के शुरुआती प्रयास में पूर्ववर्ती चैनलों पर बीजों की एंडोथेलियल कोशिकाओं को शामिल किया गया था या विकास कारक रिहाई के माध्यम से एंजियोजेनेसिस को प्रेरित किया गया था। हालांकि, इन तरीकों ने अक्सर अनियमित, खराब रूप से नेटवर्क का उत्पादन किया। बायोप्रिंटिंग एक अधिक नियंत्रित दृष्टिकोण प्रदान करती है: यह सीधे एंडोथेलियल कोशिकाओं और सहायक कोशिकाओं (जैसे, पेरीसिट्स, चिकनी मांसपेशी कोशिकाओं) को पूर्वनिर्धारित ज्यामिति में पैटर्न बना सकता है, जो कि प्राकृतिक शाखा पैटर्न की नकल करने वाले पदानुक्रमिक संवहनी पेड़ों को बनाते हैं।

संवहनीकरण के लिए प्रमुख जैव-मुद्रण तकनीक

Sacrificial Bioink

सबसे सफल रणनीतियों में से एक का उपयोग करता है sacrificial सामग्री जो संवहनी चैनलों के लिए एक अस्थायी टेम्पलेट के रूप में मुद्रित होते हैं। निर्माण के बाद क्रॉस-लिंक्ड और स्थिर होता है, sacrificial स्याही को हटा दिया जाता है (जैसे, विघटन, हीटिंग या एंजाइमेटिक पाचन द्वारा), perfusable खोखले ट्यूब के पीछे छोड़ दिया जाता है। आम तौर पर इस्तेमाल किए गए sacrificial स्याही में Pluronic F-127, जिलेटिन और कार्बोहाइड्रेट ग्लास शामिल हैं। इस विधि को कार्डियक, यकृत और गुर्दे के ऊतकों के मॉडल में पेटेंट संवहनी नेटवर्क बनाने के लिए नियोजित किया गया है।

प्रत्यक्ष समाक्षीय बाहर निकालना

समाक्षीय नोजल एक कोर बायोंक (अंतर्जातीय कोशिकाओं को बनाए रखने) और एक खोल बायोंक (समर्थन मैट्रिक्स) के एक साथ एक्सट्रूज़न की अनुमति देते हैं। चूंकि निर्माण मुद्रित होता है, कोर सामग्री को चुनिंदा रूप से क्रॉस-लिंक्ड या हटाया जा सकता है, जिससे एक पोत-जैसे चैनल उत्पन्न होता है जो बाहरी सेट से एंडोथेलियल कोशिकाओं के साथ पंक्तिबद्ध होता है। यह तकनीक पेटेंट माइक्रोवेल्स पैदा करती है जो शारीरिक प्रवाह दरों का सामना कर सकती है।

बहु-Nozzle और माइक्रोफ्लोडिक बायोप्रिंटिंग

कई प्रिंट हेड से लैस आधुनिक बायोप्रिंटर एक ही सत्र में विभिन्न सेल प्रकार और सामग्रियों को जमा कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक नोजल हेपेटोसाइट्स के साथ एक थोक ऊतक को प्रिंट कर सकता है जबकि दूसरा एक संवहनी नेटवर्क को एंडोथेलियल सेल और चिकनी मांसपेशी कोशिकाओं के साथ प्रिंट करता है। माइक्रोफ्लाइडिक प्रिंट हेड आगे बायोंक्स के वास्तविक समय मिश्रण को सक्षम करते हैं, जो विकास कारकों या बाह्य मैट्रिक्स घटकों के ढाल पैदा करते हैं जो पोत परिपक्वता का मार्गदर्शन करते हैं।

सिटू बायोप्रिंटिंग में

पुनर्योजी अनुप्रयोगों के लिए, सिट्टू बायोप्रिंटिंग में जमा कोशिकाओं और जैव सामग्री सीधे एक दोष स्थल में। जब संवहनी इमेजिंग (जैसे, सीटी एंजिोग्राफी से) के साथ संयुक्त हो जाता है, तो प्रिंटर एक रोगी-विशिष्ट संवहनी टेम्पलेट को नीचे रख सकता है जो प्रत्यारोपण के बाद मेजबान परिसंचरण के साथ एकीकृत होता है। यह दृष्टिकोण अभी भी प्रयोगात्मक है लेकिन पुनर्निर्माण सर्जरी के लिए वादा रखता है।

Vascularized Constructs के लिए सामग्री और Bioinks

बायोंक की पसंद प्रिंटेबिलिटी और संवहनी कार्य दोनों को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। आदर्श बायोंक को सेल व्यवहार्यता का समर्थन करना चाहिए, पर्याप्त क्रॉस-लिंकिंग की अनुमति देना चाहिए, और ऊतक रीमॉडलिंग से मेल खाने वाली दर पर गिरावट करना चाहिए। आम बायोंक घटकों में शामिल हैं:

  • ]Gelatin methacrylate (GelMA) : एक photocrosslinkable जिलेटिन व्युत्पन्न है कि endothelial सेल आसंजन और प्रसार का समर्थन करता है।
  • ]Alginate : एक आयनिक रूप से क्रॉस-लिंक्ड पॉलीसेकेराइड जो तेजी से जेलेशन और उच्च प्रिंटिबिलिटी प्रदान करता है, अक्सर सेल संगतता में सुधार के लिए अन्य सामग्रियों के साथ मिश्रित होता है।
  • Hyaluronic एसिड : एक मूल एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स घटक जो एंजियोजेनिस को बढ़ावा देता है और एक हाइड्रेटेड माइक्रोएनवायरनमेंट बनाता है।
  • Fibrin: थ्रोम्बिन-मध्यवर्ती बहुलककरण के बाद गठित एक प्राकृतिक मैट्रिक्स, आमतौर पर इसके समर्थक-angiogenic गुणों के कारण संवहनी ऊतक मॉडल में उपयोग किया जाता है।
  • ]Decellularized अतिरिक्त मैट्रिक्स (DECM) : मूल ऊतकों से व्युत्पन्न, DECM bioink जैव रासायनिक cues कि समर्थन पोत गठन और ऊतक विशिष्ट भेदभाव को बनाए रखने के रखरखाव.

बायोइंक में इस्तेमाल होने वाली एंडोथेलियल कोशिकाएं मानव umbilical नसों एंडोथेलियल कोशिकाओं (HUVEC) से आ सकती हैं, प्रेरित pluripotent स्टेम सेल-व्युत्पन्न एंडोथेलियल कोशिकाओं, या माइक्रोवास्कुलर एंडोथेलियल कोशिकाओं। पेरीसाइट्स या मेसेन्किमल स्टेम सेल जैसे सेल प्रकारों का समर्थन अक्सर नैसेन्टिक जहाजों को स्थिर करने और परिपक्वता को बढ़ावा देने के लिए सह-निर्धारित होता है।

Vascularized Bioprinted मॉडल के अनुप्रयोग

ड्रग डिस्कवरी और विषाक्तता

Vascularized ऊतक मॉडल पारंपरिक 2D संस्कृतियों की तुलना में फार्मास्यूटिकल्स के परीक्षण के लिए अधिक शारीरिक रूप से प्रासंगिक मंच प्रदान करते हैं। दवा को लक्ष्य ऊतकों तक पहुंचने के लिए एक एंडोथेलियल बाधा को पार करना चाहिए, और एक perfusable संवहनी नेटवर्क की उपस्थिति शोधकर्ताओं को गतिशील वातावरण में परिवहन, चयापचय और विषाक्तता का अध्ययन करने की अनुमति देती है। उदाहरण के लिए, एकीकृत साइनसोइडल जैसी संरचनाओं के साथ बायोप्रिंटेड लीवर मॉडल का उपयोग स्थैतिक गोलाकार संस्कृतियों की तुलना में अधिक सटीक रूप से दवा प्रेरित यकृत चोट की भविष्यवाणी करने के लिए किया गया है।

रोग मॉडलिंग

रोगी-व्युत्पन्न कोशिकाओं को शामिल करके, बायोप्रिंटेड संवहनीकृत संरचनाएं रोग-विशिष्ट phenotype को फिर से जमा कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, ट्यूमर microenvironment, कैंसर कोशिकाओं, एंडोथेलियल कोशिकाओं और प्रतिरक्षा कोशिकाओं के साथ बायोप्रिंट किया गया है ताकि एंजियोजेनेसिस, मेटास्टेसिस और एंटी-एंजियोजेनिक उपचारों की प्रतिक्रिया का अध्ययन किया जा सके। इसी तरह, मधुमेह घाव भरने वाले शोधकर्ताओं के संवहनी मॉडल ने अनुचित पोत के गठन और परीक्षण प्रो-एंजियोजेनिक उपचार की जांच की अनुमति दी।

पुनर्योजी चिकित्सा

अंतिम महत्वाकांक्षा इम्प्लान्टेबल, संवहनी ऊतकों और अंगों का उत्पादन करना है। बायोप्रिंटेड संवहनीकृत हड्डी के चरे, त्वचा के विकल्प और मायोकार्डियल पैच को प्रीक्लिक जानवर मॉडल में परीक्षण किया गया है। उदाहरण के लिए, एक बायोप्रिंटेड कार्डियक पैच जिसमें कोरोनरी जैसे जहाजों के एक perfusable नेटवर्क शामिल हैं, जो जीवित रहने में सुधार करते हैं और जब मानव आकार वाले अंगों को स्केलिंग में रहते हैं, लेकिन प्रगति तेजी से होती है।

वर्तमान सीमा और भविष्य दिशा

प्रभावशाली प्रगति के बावजूद, संवहनीकृत जैव-मुद्रित ऊतकों को नियमित नैदानिक उपकरण बनने से पहले कई बाधाओं को दूर किया जाना चाहिए:

  • Resolution बनाम स्केल : मुद्रण केशिकाओं (5-10 μm व्यास) सेंटीमीटर से अधिक पैमाने पर निर्माण मुश्किल रहता है। अधिकांश वर्तमान सिस्टम 50-500 μm लुमेन को प्राप्त करते हैं, जो अभी भी देशी केशिकाओं की तुलना में अधिक परिमाण के आदेश हैं।
  • लंबी अवधि की स्थिरता : जैव-मुद्रित जहाजों को अक्सर एंजाइमी गिरावट, सेल संकुचन, या उचित यांत्रिक संकेतों की कमी के कारण संस्कृति में सप्ताह के बाद अखंडता खो देती है।
  • ]] होस्ट vasculature के साथ एकीकरण: प्रत्यारोपण पर, मुद्रित नेटवर्क को तेजी से perfusion हासिल करने के लिए रोगी के संचलन के साथ अनास्टोम होना चाहिए-एक प्रक्रिया जो अप्रत्याशित और अक्सर अधूरा है।
  • ]मानकीकरण और नियामक अनुमोदन : बायोंक संरचना, मुद्रण मापदंडों, और गुणवत्ता नियंत्रण व्यापक रूप से भिन्न होते हैं, नैदानिक परीक्षणों के लिए अनुवाद को बाधित करते हैं।

उभरते समाधानों में ] का उपयोग शामिल है, जिसमें फोटोपॉलिमराइजेशन रणनीति जो उप-10 μm रिज़ॉल्यूशन प्राप्त कर सकते हैं, ]angiogenic विकास कारकों ]] के संयोजन को स्थानिक रूप से नियंत्रित ढालों में, और ] के विकास को स्वयं व्यवस्थित करने वाले बायोइंक ] कि अंतःस्थल कोशिकाओं को केशिका जैसी नेटवर्क बनाने की अनुमति देते हैं, जो मुद्रण के बाद सहज रूप में। मशीन लर्निंग को प्रिंट पैटर्न को अनुकूलित करने और पोत परिपक्वता की भविष्यवाणी करने के लिए भी लागू किया जा रहा है।

आगे देख, ऑर्गन-ऑन-चिप प्रौद्योगिकी के साथ बायोप्रिंटिंग की अभिसरण कम से कम vascularized मानव ऊतक मॉडल का उत्पादन कर सकता है जिसका उपयोग उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग के लिए किया जा सकता है। इस बीच, एक पूरी तरह कार्यात्मक, प्रत्यारोपण योग्य मानव ऑर्गन को बायोप्रिंट करने का सपना - एक पदानुक्रमिक vasculature के साथ पूर्ण - अब विज्ञान कथा नहीं है, लेकिन दुनिया भर में प्रयोगशालाओं द्वारा सक्रिय रूप से आगे बढ़ने का एक दीर्घकालिक लक्ष्य है।

निष्कर्ष

जैव मुद्रण के माध्यम से संवहनी ऊतक मॉडल बनाने की क्षमता ऊतक इंजीनियरिंग में एक प्रतिमान बदलाव का प्रतिनिधित्व करती है। सरल संवहनी संरचनाओं से परे जाकर, शोधकर्ता अब ऊतक का निर्माण कर सकते हैं जो जीवित रहते हैं, कार्य करते हैं और मूल अंगों की तरह व्यवहार करते हैं। दवा परीक्षण से पुनर्योजी प्रत्यारोपण तक, अनुप्रयोग विशाल हैं। बायोंक फॉर्मूलेशन, प्रिंट रिज़ॉल्यूशन और perfusion संस्कृति में निरंतर नवाचार इस परिवर्तनकारी तकनीक की पूरी क्षमता का एहसास करने के लिए आवश्यक होगा। चूंकि क्षेत्र परिपक्व होता है, संवहनी जैव-मुद्रित ऊतकों को निस्संदेह जैव चिकित्सा अनुसंधान और नैदानिक चिकित्सा दोनों का एक आधारशिला बन जाएगा।

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