Για την τρισδιάστατη εκτύπωση αγγειακών μοντέλων γεμάτα με κύτταρα, οι ερευνητές στρέφονται σε μια παλιομοδίτικη τεχνική χύτευσης

Τα καρδιαγγειακά νοσήματα (CVD) παραμένουν μία από τις κύριες αιτίες θανάτου παγκοσμίως. Υπάρχει επείγουσα ανάγκη για βελτιωμένα αγγειακά μοντέλα, τόσο ανατομικά όσο και βιολογικά, για να προωθήσουμε την κατανόησή μας για την εξέλιξη της νόσου. Μια τέτοια κατανόηση μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων θεραπευτικών παρεμβάσεων.

Ενώ οι επιστήμονες βασίζονται συνήθως σε ζωικά μοντέλα για να βοηθήσουν στην αποσαφήνιση της παθοφυσιολογίας των καρδιαγγειακών παθήσεων και στην ανάπτυξη φαρμάκων, η ικανότητά τους να προβλέπουν την τοξικότητα στους ανθρώπους είναι περιορισμένη. «Δεδομένων των διαφορών στους μοριακούς, κυτταρικούς και φυσιολογικούς μηχανισμούς μεταξύ ζώων και ανθρώπων, τα ζωικά μοντέλα δεν μας δίνουν απαραίτητα μια ακριβή κατανόηση της ανθρώπινης φυσιολογίας», εξήγησε ο επικεφαλής συγγραφέας καθηγητής Yi Chin To από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ. QUT).

Για να δημιουργήσουν εναλλακτικά μοντέλα πιο σχετικά με τον άνθρωπο, οι επιστήμονες στρέφονται στη μηχανική ιστών χρησιμοποιώντας ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα. «Για τον εντοπισμό βασικών κυτταρικών και μοριακών παραγόντων στην ανθρώπινη φυσιολογία και παθοφυσιολογία, τα ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα χρησιμοποιούνται στη μηχανική ιστών για την κατασκευή τεχνητών μοντέλων με καθορισμένη σύνθεση σε επίπεδο κυττάρων, ιστών και οργάνων», εξήγησε ο καθηγητής Toh. Χρησιμοποιώντας απευθείας ανθρώπινα κύτταρα, αυτοί οι κατασκευασμένοι ιστοί μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για τη φυσιολογική λειτουργία των ανθρώπινων οργάνων και την παθοφυσιολογία της νόσου, καθώς και να προβλέψουν με μεγαλύτερη ακρίβεια την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των ερευνητικών θεραπειών σε ανθρώπους.

Μία από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιείται επί του παρόντος στη μηχανική ιστών είναι η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση – όπου ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα αναμειγνύονται με βιομελάνια και εναποτίθενται με συγκεκριμένο τρόπο για να αναπαράγουν το μικροπεριβάλλον των εγγενών οργάνων. Ωστόσο, η κατασκευή των πολυπλοκοτήτων στα όργανα με χρήση των τρεχουσών μεθόδων βιοεκτύπωσης εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση λόγω των τεχνολογικών περιορισμών. Μία από τις δυσκολίες είναι να συνοψίσουμε την πολυπλοκότητα των αιμοφόρων αγγείων. Για παράδειγμα, τα αιμοφόρα αγγεία διακλαδίζονται ιεραρχικά, όπου τα μεγαλύτερα αγγεία διακλαδίζονται σε πολλά μικρότερα αγγεία σε διαφορετικές κλίμακες μήκους. Τα αιμοφόρα αγγεία είναι πολυστρωματικά και κάθε στρώμα αποτελείται από διαφορετικούς τύπους κυττάρων.

Το τυπωμένο βιομελάνι θα πρέπει να έχει τη διπλή λειτουργία να υποστηρίζει τα ζωντανά κύτταρα και να παρέχει δομική ακεραιότητα για την αγγειακή δομή. Ο επικεφαλής ερευνητής, καθηγητής Michinao Hashimoto του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας και Σχεδίου της Σιγκαπούρης (SUTD) λέει ότι τα υπάρχοντα βιομελάνια κατάλληλα για ζωντανά κύτταρα είναι συνήθως μαλακά και εύθραυστα, καθιστώντας την 3D εκτύπωση της περίπλοκης αρχιτεκτονικής των αιμοφόρων αγγείων δύσκολη. Λόγω των περιορισμών της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης, αποφασίσαμε να αποφύγουμε να βασιζόμαστε αποκλειστικά στην τρισδιάστατη εκτύπωση για την κατασκευή αγγειακών κατασκευών.

Η ομάδα ανέπτυξε μια τεχνική κατασκευής εμπνευσμένη από την παλιά μέθοδο χύτευσης. Η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή καλουπιών αγγειακών δικτύων. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις συμβατικές διαδικασίες χύτευσης όπου το υγρό υλικό πλήρωσης στερεοποιείται χύμα, η ομάδα εισήγαγε μια μοναδική προσέγγιση στερεοποίησης.

Η τεχνική περιλάμβανε τη χρήση ενός εκτυπωμένου καλουπιού δύο τμημάτων, 3D-εκτυπωμένου αποτελούμενου από υδρογέλες διακρυλικής πολυ(αιθυλενογλυκόλης) (PEGDA). Η υδρογέλη PEGDA επιλέχθηκε επειδή θα μπορούσε να συμπεριφέρεται σαν σφουγγάρι για να απορροφά ιόντα ασβεστίου, τα οποία είναι υπεύθυνα για την επιλεκτική διασύνδεση βιολεκάνης. Όταν διαχύθηκε το βιομελάνι που περιέχει αλγινικό άλας μέσω της κοιλότητας του καλουπιού, τα ιόντα ασβεστίου μέσα στο καλούπι διαχέθηκαν ακτινικά στην κοιλότητα του καλουπιού. Η απελευθέρωση ιόντων ασβεστίου προκάλεσε ταχεία ιοντική διασταύρωση του αλγινικού άλατος στο βιομελάνι και σχημάτισε μια σωληνοειδή δομή.

Μπορούμε να ελέγξουμε αποτελεσματικά το πάχος του τοιχώματος του αγγείου αλλάζοντας πόσο καιρό διατηρείται το βιομελάνι στην κοιλότητα του καλουπιού. “Στη συνέχεια, μπορούμε να διαχέουμε ένα ρυθμιστικό διάλυμα μέσω του προτύπου για να αφαιρέσουμε το βιομελάνι που δεν έχει διασταυρωθεί.”

Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές κατασκεύασαν με επιτυχία αυτόνομα, διακλαδισμένα, πολυστρωματικά και διαπερατά αγγειακά δίκτυα. Το πιο σημαντικό, μπορέσαμε να αναμίξουμε άλλες βιοδραστικές ουσίες στο βιομελάνι για να κάνουμε το μικροπεριβάλλον πιο κατάλληλο για τα ανθρώπινα αγγειακά κύτταρα, πρόσθεσε ο Ching. Η ομάδα συνδύασε τα αντίστοιχα αγγειακά κύτταρα σε μια διαμόρφωση παρόμοια με αυτή που βρίσκεται στο σώμα. Η ομάδα τοποθέτησε επίσης τις ελεύθερες αγγειακές κατασκευές της σε ένα επεκτάσιμο μπαλόνι για να προσομοιώσει την κυκλική φόρτιση που βιώνουν οι στεφανιαίες αρτηρίες in vivo.

Η ευελιξία και οι πολύπλευρες δυνατότητες αυτής της τεχνικής κατασκευής θα πρέπει να δώσουν στους χρήστες περισσότερο έλεγχο όσον αφορά την αντιστοίχιση μιας ποικιλίας βιομελανών και κυττάρων για συγκεκριμένους ασθενείς. «Τελικά, ελπίζουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις βιομιμητικές αγγειακές δομές για να ωφελήσουμε τη μελλοντική έρευνα στη μηχανιστική κατανόηση των καρδιαγγειακών νοσημάτων καθώς και σε μοντέλα για την αξιολόγηση θεραπευτικών παρεμβάσεων», εξήγησε ο επίκουρος καθηγητής Michinao Hashimoto.

Το άρθρο «Βιομιμητικά αγγεία από 3D printed porous moulds» δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Small. Αυτή η εργασία είναι μια συλλογική προσπάθεια μεταξύ του αναπληρωτή καθηγητή Michinao Hashimoto του Εργαστηρίου Soft Fluidics του SUTD και του καθηγητή Yi-Chin Toh του εργαστηρίου MicroTE του QUT. Αυτό το έργο παρουσιάζεται στο Small Cover, Volume 18, Issue 39.

/ Δημόσια έκδοση. Αυτό το υλικό από τον αρχικό οργανισμό/συγγραφέα μπορεί να είναι ad hoc, επεξεργασμένο για λόγους σαφήνειας, στυλ και έκτασης. Οι απόψεις και οι απόψεις που εκφράζονται είναι αυτές των συγγραφέων. Δείτε αναλυτικά εδώ.

Leave a Comment