Badania bioproteinograficzne 3D mogą doprowadzić do zastąpienia chrząstki w leczeniu zapalenia stawów

W ramach projektu 3D-JOINT, finansowanego przez ramy Komisji Europejskiej "Horyzont 2020", profesor Jos Malda z University Medical Center (UMC) Utrecht w Holandii i jego zespół opracowują tkanki z nadrukiem, które mogą zastąpić uszkodzoną część raz wszczepiony w żywy staw. Te zastępcze tkanki bioprintu ostatecznie dojrzeją do dopasowania do pierwotnej, zdrowej chrząstki.

Podczas gdy możliwe jest drukowanie komórek macierzystych w 3D warstwa po warstwie w celu wytworzenia złożonych tkanek, takich jak chrząstka kolana, nie oznacza to, że natychmiast stają się żywotnymi częściami ciała i organami. Kluczowe znaczenie ma zachowanie odpowiednich warunków dla komórkowego materiału budowlanego, który jest oczywiście trudniejszy w obróbce niż plastik.

"Drukowanie nie jest ostatnim krokiem w biofabrykacji, ponieważ drukowanie czegoś w kształcie serca nie powoduje to serce. Wydrukowany konstruktor potrzebuje czasu i poprawnych chemicznych i biofizycznych sygnałów, które dojrzeją do funkcjonalnej tkanki "- mówi profesor Malda.

Bioink zawiera żywe komórki, a niektórzy naukowcy używają hydrożelów, które składają się z sieci spęcznionych wodą polimerów , aby wspomóc proces.

"W przypadku bioprogramu materiał musi być w stanie utrzymać komórki przy życiu" - wyjaśnia profesor Malda. "Wymaga to warunków wodnych i przetwarzania w stosunkowo niskiej temperaturze, co sprawia, że ​​materiały oparte na hydrożelu są idealnymi kandydatami."

Hydrożele są wystarczająco miękkie, aby dostarczyć komórki, ale nie są w stanie utrzymać się pod takim samym obciążeniem mechanicznym że pewne tkanki działają w ludzkim ciele. Profesor Malda i jego zespół eksperymentowali z materiałami dodatkowymi, które wzmacniają hydrożele, dzięki czemu mogą być skutecznymi chrząstkami zastępczymi.

Profesor Malda powiedział: "Wzmocnienie hydrożelu sprawia, że ​​jest on silniejszy - tak jak stalowe pręty są połączone z miękkim cementem do tworzenia zbrojonego betonu, który tworzy fundamenty naszych domów. "

Zespół UMC w Utrechcie stosuje technikę druku 3D zwaną topieniem elektrolitycznym, która łączy stopioną postać poliestru zwanego polikaprolaktonem z pole elektryczne. Proces ten tworzy niezwykle cienkie mikrowłókna, które następnie są wykorzystywane do tworzenia rusztowań, które są połączone z hydrożelem zawierającym komórki.

Profesor Malda powiedziała: "Połączenie hydrożelu z włóknami działa synergistycznie, zwiększając wytrzymałość kompozytu ponad 50-krotnie, umożliwiając jednocześnie komórkom wytwarzanie macierzy pozakomórkowej i dojrzewanie do chrząstkitkanki. "

Zespół, który ma na celu ostateczne wydrukowanie całościowego połączenia 3D, cieszy się z dobrych wyników i pracuje obecnie nad skalowaniem tego procesu w celu stworzenia większych konstrukcji; ponadto pracują z różnymi materiałami na łączoną wymianę tkanki kostnej i chrząstki.

Ale używanie bioinks do tworzenia komórek zastępczych dla kości i chrząstki to nie jedyna korzyść z trójwymiarowego bioprogramowania w leczeniu zapalenia stawów. Profesor Daniel Kelly z irlandzkiego Trinity College Dublin, który badał wykorzystanie druku 3D do naprawy kości, pracuje nad projektem JointPrinting, aby opracować system, który może naprawić uszkodzone tkanki w ciele.

Profesor Kelly powiedział: "W literaturze istnieje niewiele przykładów pokazujących zdolność tkanek z nadrukiem biologicznym do rzeczywistej regeneracji uszkodzonych tkanek w odpowiednich modelach przedklinicznych (zwierzęcych).

" Myślę, że bioprogram będzie miał dwa główne zastosowania. Po pierwsze, jako źródło nowych tkanek i narządów w medycynie regeneracyjnej. Po drugie, jako narzędzie do lepszego zrozumienia chorób ludzkich i do testowania bezpieczeństwa i skuteczności nowych leków zwalczających takie choroby. "

Profesor Kelly i jego zespół opracowują nadruki 3D do druku, które poprzez zmianę cząsteczek, które wspierają i otaczają drukowane komórki macierzyste, będą zachęcać je do produkcji nowej chrząstki - zasadniczo ucząc ich, jak tworzyć właściwy typ tkanki. Celem jest stworzenie trójwymiarowych komórek macierzystych, które będą w stanie naprawić uszkodzoną tkankę po wszczepieniu jej w ciało osoby.

Profesor Kelly wyjaśnił: "Czasami włączamy VEGF (czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego) do naszych tkanek z nadrukiem biologicznym ... aby zachęcić nowe naczynia krwionośne do tworzenia się w regionach uszkodzonej kości lub stawu, gdzie chcemy, aby kość rosła.

"Wprowadzamy gradianty VEGF do tkanek poddanych bioprogramowaniu, które kierują żywymi naczyniami krwionośnymi ( aby utworzyć) w odpowiednie rejony naszych implantów. "

Wymagania dotyczące stawów ludzkich mogą być bardzo różne, w zależności od tego, w którym miejscu ciała się znajdują. Aby przetestować trójwymiarowe wydrukowane tkanki jego zespołu, profesor Kelly używa modelowania komputerowego, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób kompozycję i strukturę implantów można precyzyjnie dostroić, aby działały w różnych środowiskach. Znajduje również swoją elastyczność i sztywność za pomocą wyspecjalizowanych maszyn do testowania mechanicznego.

Należy mieć nadzieję, że nie potrwa to długo, zanim można zastosować bioprinting 3D w celu znalezienia szybkiego i skutecznego leczenia.bolesne zapalenie stawów.