Table of Contents

Від ножиць до запобіжних тканин: Можливість біопринтованих судин

Біопринтування перенесли за межі простих клітинно-твердих скафольців, щоб виробляти складні, багатоклітинні органні моделі, які реcapitulate ключових аспектів фізіології людини. Центральний прорив є інтеграцією біопринтованих судинних каналів—мікромасштабних, ендотелійозних конденсатів, призначених для доставки поживних речовин, кисню та сигналізації по всій тканині об'єму. Без цих каналів товсті конструкції страждають від некрозу і не змогують динамічного середовища рідних органів. У статті досліджуються принципи, матеріали, застосування та майбутні напрямки біомаркованих судинних каналів в багатоклітинних органних моделях.

Основи біопринтованих судин Vascular

Визначення судинного каналу

Біопринтований судинний канал є порожнистим, трубчастим структурою, що подається шаром за допомогою біопринтера 3D. Ці канали зазвичай підкреслюють ендотеліальні клітини і занурюють в підтримувальну гідрогелеві або позаклітинну матрицю (ECM) імітують. Їх діаметри коливається від десятків до сотні мікрометрів, часто неправильно закріплюють гілочки, що нагадують артерії, капіляри і вени. Мета полягає в створенні проникної мережі, яка може зберегти високі клітинні щільності і увімкнути довгострокову культуру.

Біопринтеруючі технології для судинних конструкцій

Кілька біопринтів, які використовують для створення судинних каналів:

  • Екструзійно-на основі біопринтингу: Безперервне відкладення біоінкальних ниток через сопл. Цей метод дозволяє товсті, багатошарові конструкції і підходить для більших каналів. Коаксіальні сопли можуть виробляти порожні волокна в один крок.
  • ] Біопринтер на основі дроблету (inkjet): Пиколірні краплі біомонітора розміщені з високою роздільною здатністю. Корисно для заставних клітин і матриці в точних візерунках, але обмежені висоти каналу і механічною цілісністю.
  • Ласер-асистований біопринтінг (LAB):] Лазерний пульсовий переклад біоінкалькулятора з донорної стрічки до підкладки. Забезпечує високу в'язкість клітин і дозвіл, часто використовується для невеликих, високофіделяційних судин.
  • Столітографія на основі (SLA/DLP): Фотовитратні гідрогелі твердого шару за допомогою світла. Відмінно підходить для комплексних, високорозрядних каналів геометереї, але вимагає фотоініціаторів, які можуть вплинути на виживання клітин.

Біоink-reader. Характеристики для судинних конструкцій

В результаті біопринтованого каналу значно залежить від біомонітора. Ідеальні біоінтоки підтримують клітинне кріплення, проліферацію та диференціацію при наданні достатньої механічної стійкості та принтеризації. До складу даної категорії відносяться:

  • Alginate: Морський бурий полісахарид, який гелі з іонами кальцію. Його швидке гелірування робить його популярним сакрусиновим матеріалом для створення порожнистих каналів, хоча це не вистачає ссавцівських ліктів ECM.
  • Gelatin methacryloyl (GelMA):] Фотоперекладна желатинова похідна, яка зберігає клітинно-збивні мотиви. Часто використовується для ендотелійованих каналів.
  • Fibrin:] Натуральний білок, що бере участь у згортанні крові. Він сприяє ангіогенезу та ендотеліалізації, але швидко деградує.
  • Hyaluronic кислота (HA) похідні: Забезпечити зволожене, допустиме середовище для ендотеліальних клітин. Часто поєднується з колагеном або гелем.
  • Decellularized ECM (dECM): Особливості біоінтокі, що зберігають природні біохімічні сигнали. Для судинних каналів, DECM з серця або судин пропонує найбільш актуальні мікросередовища.

Останні досягнення об'єднують кілька матеріалів: сакруальний сердечник (наприклад, Pluronic F127, альгінат) який знімається після друку, щоб залишити канал блиском, оточений клітинно-laden оболонки, яка утворює стіну судна. A 2021 дослідження в біоматеріали показали використання коаксіальної екструзії для прямого друку проникних судинних каналів з ендотеліальними клітинами, вирівняними в поперековому шарі.

Проектування комплексу Vasculature для багатоканальних органічних моделей

Хієрархічне відділення та гемодинаміка

Нативні судинні мережі є ієрархічним: велика артерія в менші артерії і капіляри, потім вугілля в вени і вен. Біомарковані моделі повинні перерахувати цю розгалуження для досягнення рівномірної переливання. Комбінаційна динаміка рідини (CFD) тепер використовуються для позначення каналів геометереї, які мінімізувати зсувні напружені градієнти і застійні зони. Поступна робота в лабораторії на чіп описує використання CFD для оптимізації біопринтованої мікросудинної мережі для кисневого транспорту в скелетних м'язових конструкціях.

Ендотеліалізація та функція бар'єрів

Просто друк каналу недостатньо; люмен необхідно підрізати функціональними ендотеліальними клітинами, які утворюють тісний бар'єр. Ендотеліальні клітини відповідають зсувним навантаженням, вирівнюючим і підсилюючим стику білками, такими як VE-cadherin і ZO-1. Багато груп попередньо заспокійливих каналів, перетворюючи підвіску клітин через конструювання, потім застосовуючи динамічний потік, щоб сприяти адгезію. Ко-культура з окідами або гладкими м'язовими клітинами може додатково стабілізувати стіну судна і регулювати перездатність.

Інтеграція з Parenchymal Cells

Справжня потужність біопринтованих судинних каналів виникає, коли вони вбудовуються в багатоклітинну органну модель. Для моделі печінки, наприклад, гепатоцити, стовбурові клітини, а також клітинки Купфера розподіляються в екстравазивному просторі, а ендотеліальні клітини розрізняються каналами. Близькість судинної мережі дозволяє гепатоцитам підтримувати обмінну активність протягом тижнів. A 2019 дослідження в наукових звітах біопринтував структуру печінки з судинними каналами, які підтримували секретацію та виробництво ареа протягом 28 днів.

Застосування в лікуванні захворювань та наркотичних захворювань

Атеросклероз і моделі гіпертонії

Судові канали можуть бути розроблені для патологічних станів патологічних захворювань. При зміні складу біоінженер, жорсткості стін або динаміки потоку, дослідники створюють стенотичні або гіпертонічні судини. Ендотеліальна дисфункція, накопичення ліпідів і інфільтрація імунної клітини може бути вивчена в керованому порядку. Ці моделі дають альтернативу тваринам дослідженням для формування слідчих нальотів і тромбозу.

Рак мікросередовища моделювання

Тумори є високозалежні від ангіогенезу і ремоделювання судин. Біомарковані судинні канали дозволяють науковцям кокультурувати пухлинні клітини, фібробласти і ендотеліальні клітини в реалістичній 3D архітектурі. Отримані мікропуми експонують градієнти кисню і поживних речовин, зимують в мікросередовища пухлини vivo. Такі моделі використовуються для екрана антиангіогенних препаратів і вивчення метастатичного інтравазації. A 2019 папір в розширених матеріалах описано біопринтовану гліобластома-на-чип з проникними каналами, які показали різні лікарські відповіді[D[FLT][FLT[D2[D2[D]

Наркотики та фармакокінетики

Вирокує лікарсько-індукована судинна токсичність є основним завданням у фармацевтичному розвитку. Біомарковані судинні моделі органів дозволяють здійснювати моніторинг ендотеліальної цілісності бар’єрів, судинорозширювальної та клітинної смерті при впливі сполук. Багатоорганічні моделі (наприклад, печінка-кідней-серця), підключені спільною судинною мережею, можуть реабіліізувати системний обмін і розподіл, зменшуючи стійкість до тестування тварин.

Виклики у транслатації біопринтованого Vasculature в клінічну реальність

Складність та виробнича консистенція

Під час лабораторної маркації центиметричних конструкцій є фантастичним, що виробляє клінічно відповідні обсяги — так як повноти судинізований патч шкіри або лобовий лоб — переосмислування. Розширення друку проти швидкості через пропускну здатність. Попереджає безперервне виробництво рідких інтерфейсів (CLIP) та багатоматеріального друку може допомогти, але стандарти контролю якості для біопринтованих судинних конструкцій все ще є за допомогою.

Довгострокова патентія і ремоделювання

Біомарковані канали повинні залишатися відкритими і функціональними протягом тижнів до місяців без оклюзії. Тромбоз, інтимна гіперплазія, і матрична деградація може всі компромісні потенції. Антикоагулянтні покриття (наприклад, гепарін випуск) і гладка м'язової клітинної кокультури досліджуються для підтримки цілісності судин. У vivo, приймаюча імунна відповідь і ремоделювання подальших складових результатів. FDA видала настанову про оцінку 3D-біопринтовані медичні продукти, підкреслюючи необхідність суворої біокомпативності та механічного тестування.

Слухання клітин і гетерогенність

Первинні клітини ендотелію людини обмежені і втрачають фенотип в культурі. Усуджені стебло клітина (iPSC)-деревні ендотеліальні клітини пропонують рясне джерело, але не можуть повністю реабілізувати органні властивості. Крім того, створення багатоклітинної органної моделі вимагає декількох типів клітин, які повинні бути надруковані або висівені високою точністю. Поспішання в клітинних біоінтоках і послідовних стратегіях біопринтингу вирішують цей виклик.

Майбутні напрямки: Функціонал, трансплантовані органи

4D Біопринтер і динамічна вазулатура

Наступний передній учасник передбачає часозалежні зміни: судини, які контракти, ділат або ремоделювання у відповідь на стимули. Біопринтування 4D використовує смарт-матеріали (наприклад, форми-меморальні полімери, гідрогелі з температурою) для створення каналів, які змінюють геометрію з часом. Це може призвести до побудови з самоклеючі властивості або можливість інтегруватися з ходовим кровообігом після імплантації.

Інтеграція з мікрофлюїдами та органно-на-кишковим

Біомарковані судинні канали природно підходять для органно-на-чипних платформ. За допомогою ембріональних датчиків (кисень, pH, електроприводів), дослідники можуть контролювати здоров'я тканин в режимі реального часу. Закриті настійні системи, які регулюють потік на основі метаболічного попиту, знаходяться під розвитком. Ці системи можуть служити «живлення» на екрані, платформ або навіть тимчасових біоартеріальних органів для пересадки.

Етичні та нормативні шляхи

В якості біопринтованих судинних моделей органа, які проходять в клінічному застосуванні, етичні міркування навколо клітинної стискання, моделей пацієнта та відповідальності доступу. Регуляторизовані органи працюють для класифікації цих конструкцій як пристрої, біологіка, або комбіновані продукти. Аналізи зацікавлених сторін та прозорі аналізи ризику будуть важливими для керівництва відповідальних інновацій.

Висновок

Біомарковані судинні канали трансформуються багатоклітинні органні моделювання з статичних, тонких конструкцій в динамічні, проникні тканини, які стійкі комплексні клітинні функції. Під час проблем залишаються в масштабованості, тривалої стабільності та клінічному перекладі, стрімкий темп інновацій в біонклюзії, поліграфічні технології та обчислювальний дизайн обіцяє майбутнє, де пацієнти-специфічні, судинні моделі органа стають рутальні інструменти в прецизійній медицині - і потенційно основою для регенеративних шляхів, які звертаються до критичного недоліку донорових органів.