Forskere fra Stanford har tatt et stort steg mot å løse en av de største hindringene innen bioprinting av organer: å bygge realistiske vaskulære nettverk som er i stand til å opprettholde laboratoriedyrket vev.
Deres nye plattform, som ble publisert 12. juni i Science, akselererer utformingen av disse blodkarsystemene og oversetter dem til 3D-utskrivbare modeller – noe som bringer løftet om personlige, funksjonelle organer nærmere virkeligheten.
Mange mennesker står for tiden på ventelister for organtransplantasjon, mange har ventet i årevis – og noen av dem kommer ikke til å overleve ventetiden. Selv når et donororgan blir tilgjengelig, er risikoen for immunavstøting fortsatt høy. For å overvinne disse begrensningene jobber forskere innen regenerativ medisin med å lage organer som hjerter, nyrer og lever ved hjelp av pasientens egne celler.
En kritisk utfordring i denne prosessen er å gjenskape kroppens intrikate karsystem. Blod strømmer fra store arterier til mindre kar som leverer oksygen og næringsstoffer til celler, som må være svært nær disse karene for å overleve – spesielt i krevende organer som hjertet. Karnettverk varierer mye mellom organer og individer, noe som gjør det vanskelig og tidkrevende å lage nøyaktige modeller. Mange forskere er avhengige av standardiserte strukturer som fungerer for små vev, men som ikke skalerer godt for større, komplekse organer.
– Muligheten til å skalere opp bioprintet vev er for tiden begrenset av evnen til å generere vaskulatur for dem – du kan ikke skalere opp disse vevene uten å sørge for blodtilførsel, sa Alison Marsden, professor i pediatri og bioingeniørfag ved Stanford ved Schools of Engineering and Medicine og medforfatter av artikkelen.
Akselererer realistisk vaskulær nettverksgenerering
Stanford-teamet utviklet en algoritme som raskt genererer vaskulære kartrær som ligner ekte menneskelige blodkarnettverk, og konverterer dem til instruksjoner for 3D-printing. Algoritmen deres kjører omtrent 200 ganger raskere enn tidligere metoder og kan modellere komplekse organ-geometrier.
For å sikre jevn blodfordeling og strukturell gjennomførbarhet integrerer algoritmen fluiddynamikksimuleringer. Designene unngår karkollisjoner og opprettholder et lukket system med én inngang og utgang. Teamet har gjort verktøyet offentlig tilgjengelig gjennom SimVascular-prosjektet med åpen kildekode.
– Det tok omtrent fem timer å generere en datamodell av et tre for å vaskularisere et menneskehjerte. Vi klarte å komme til en tetthet der enhver celle i modellen ville ha vært omtrent 100 til 150 mikron unna nærmeste blodkar, noe som er ganske bra, sa Zachary Sexton, en postdoktor i Marsdens laboratorium.
– Den oppgaven hadde ikke blitt gjort før, og ville sannsynligvis ha tatt måneder med tidligere algoritmer.
Mot fullt funksjonelle organer: Overvinne de gjenværende hindringene
Selv om nåværende 3D-printere ennå ikke er i stand til å skrive ut alle funksjonene i disse tette nettverkene, demonstrerte teamet bevis på konseptet ved å skrive ut en forenklet versjon med 500 grener. De testet også en bioprintet vevsring innebygd med menneskelige embryonale nyreceller og 25 kar. Når de ble pumpet med en næringsrik væske, forble cellene i nærheten av det trykte nettverket i live.
– Vi viser at disse karene kan designes, skrives ut og kan holde celler i live, sa Mark Skylar-Scott, assisterende professor i bioingeniørfag og medforfatter.
– Vi vet at det er arbeid som må gjøres for å øke hastigheten på utskriften, men vi har nå denne rørledningen for å generere forskjellige kartrær veldig effektivt og lage et sett med instruksjoner for å skrive dem ut.
Forskerne bemerket at disse trykte nettverkene ennå ikke er funksjonelle blodkar – de er strukturelle kanaler som mangler muskel-, endotel- og andre celletyper som er nødvendige for biologisk funksjon.
– Dette er det første skrittet mot å generere virkelig komplekse vaskulære nettverk, sa Dominic Rütsche, postdoktor i Skylar-Scotts laboratorium og medforfatter.
– Vi kan printe dem med en kompleksitet som aldri før, men de er ennå ikke fullt fysiologiske kar. Vi jobber med det.
Forskere undersøker også måter å stimulere veksten av de minste blodårene – de som er for små eller tettpakket til å printes direkte – samtidig som de jobber med å forbedre hastigheten og presisjonen til 3D-bioprintere. I tillegg fokuserer de på å dyrke det store antallet celler som kreves for å printe et komplett hjerte.
Kilde: 3DPrintingIndustry.com
