Vad är Bioprinting?
Har du någonsin hört talas om 3D-printing? Föreställ dig nu att istället för att använda plast använder vi biologiskt material för att skriva ut organ och vävnader. För mig låter det här som något taget från en filmscen i ett futuristiskt labb. Men det här är en teknik som har funnits ganska länge nu.
1984 uppfann en man vid namn Charles Hull stereolitografi (STL) för bioprinting av 3D-objekt från digital data [1]. STL är ett system för att skapa en tredimensionell struktur, uppbyggd lager för lager med hjälp av fotokemiska processer [2]. Denna uppfinning sägs ha symboliserat födelsen av 3D-printing. Sedan dess har in vitro-modeller utvecklats från enkla tvådimensionella strukturer till mer avancerade tredimensionella strukturer som organoider (miniatyrversion av ett organ), mikrovävnader och dynamiska kultursystem [3]. Fyra år efter Charles Hulls uppfinning demonstrerades den första bioprintningen genom att mikropositionera celler i ett tvådimensionellt mönster. Idag används bioprinting-tekniken mest för att modellera en mängd olika vävnader, organ och sjukdomar [3]. Detta gör det möjligt för forskare och läkare att få tillgång till modeller som kan simulera verkliga vävnader och organ och interaktioner mellan material och celler, vilket gör dem lättare att studera.
Hur bioprintar man?
Nu när vi har introducerat vad bioprinting är och förstått varför detta är en revolutionerande teknik inom medicinområdet och potentiellt även inom andra vetenskapsområden, så kan vi gå in mer i detalj. Hur fungerar bioprinting? Eller, hur bioprintar man?
Fyra metoder
För det första kallas det material som används för bioprinting för biobläck (ENG: bioink). Biobläck består av celler omgivna av ett stödmaterial som kallas hydrogel [4]. Detta biobläck används för att bilda tredimensionella strukturer där cellerna kan växa, dela sig och migrera.
Vidare finns det fyra olika metoder som används för bioprinting [5]. Det finns extruderings-bioprinting, bläckstråle-bioprinting, litografi-bioprinting och cell sfäroid-baserad bioprinting. Extruderings-bioprinting är den vanligaste och mest tillgängliga metoden. Denna metod använder en tryckdriven extrudering av biobläck från ett munstycke för att skriva ut filament som har designats av användaren. Bläckstråleskrivare är ganska lika extruderingsskrivarna, den största skillnaden ligger i att biobläcket avsätts i form av droppar istället för i ett kontinuerligt flöde.
Den litografiska bioprintmetoden använder ljus för att mönstra ett cellfyllt hydrogelharts till tredimensionella strukturer. Denna teknik erbjuder en högre upplösning än extruderingstekniken. I den sista metoden cellsfäroidbaserad bioprinting, även känd som biomontering, sätts cellaggregat exakt ihop till celltäta 3D-strukturer, eller strukturer som innehåller organoider.
Tre tillvägagångssätt
Slutligen, när man designar objekt som ska bioprintas, finns det tre olika tillvägagångssätt att överväga: biomimik, minivävnadsbyggstenar och autonom självmontering [6]. Biomimik handlar om konceptet att hämta inspiration från naturen när man söker lösningar på komplexa mänskliga problem. När man tillämpar biomimik på bioprinting innebär det tillverkning av identiska reproduktioner av cellulära och extracellulära komponenter i vävnader och organ. Det kan vara både små delar av en vävnad eller ett organ, som förgrenade mönster av blodkärl, eller hela organ som replikeras.
Autonom självmontering är också ett tillvägagångssätt som efterliknar naturen, men i detta fall för att specifikt replikera biologiska vävnader. Metoden använder embryonal organutveckling som vägledning vid utformningen av de biologiska systemen. Denna teknik kräver dock en intim kunskap om utvecklingsmekanismerna för embryonala vävnader och hur man manipulerar miljön i cellerna för att driva embryonala mekanismer i de bioprintade vävnaderna.
En minivävnad kan definieras som den minsta funktionella komponenten i en vävnad eller ett organ. Detta koncept kan vara relevant för båda strategierna ovan eftersom minivävnader kan tillverkas och sättas ihop till större funktionella delar genom att använda självmontering, rationell design eller en kombination av båda.
För att skriva ut en komplex tredimensionell biologisk struktur med funktionella, mekaniska och strukturella egenskaper krävs sannolikt alla ovanstående strategier. Utöver detta inkluderar ytterligare viktiga steg i bioprintningsprocessen avbildning och design, val av lämpliga material och celler och slutligen utskrift av vävnadskonstruktionen. När vävnaden är konstruerad kan den transplanteras, eller i vissa fall genomgår den mognad i en in vitro-miljö innan transplantationen. Den kan också reserveras för in vitro-undersökning och analys.
Möjliga tillämpningar
Regenerativ medicin och vävnadsteknik för eventuell transplantation [7]
När vi tänker på bioprinting föreställer vi oss direkt att skriva ut hjärtan, lungor, njurar och till och med ögon. Men att skriva ut funktionella organ är en utmanande uppgift, dock är all vävnad som inte kräver kärlsystem, såsom blodkärl eller brosk, redan utmärkta exempel på framgång.
Att skapa hjärtklaffar är en annan viktig tillämpning av vävnadsteknik. Eftersom skadade hjärtklaffar saknar förmågan att regenerera, så måste de måste ersättas med mekaniska eller biologiska substitut. Bioprinting är en användbar metod för att framställa anatomiskt noggrann aortaklaffgeometri för att till exempel hantera aortans koarktation.
Det finns dock fortfarande mycket forskning att göra innan en mekaniskt stabil tredimensionell struktur kopplad till kärlsystemet kan genomföras. I ett liknande perspektiv genomfördes experiment med direktavsättning av stamceller på öppna sår för att möjliggöra regenerering av epidermisskiktet leder till ytterligare en framgång.
Som ett exempel har BIOLIFE4D [8] åstadkommit en bioprint av ett mänskligt hjärta i miniatyr genom att omprogrammera en patients egna vita blodkroppar till inducerade pluripotenta stamceller och sedan differentiera dessa iPS-celler till de olika typer av hjärtceller som behövs för att bioprinta individuella hjärtkomponenter.
Farmaceutisk forskning inom läkemedelsområdet
En 3D-printad mänsklig vävnadsmodell kan användas som en plattform för forskning inom läkemedelsleverans, såväl som läkemedelsscreeningsstudier. Vävnadsmodeller gjorda av 3D-bioprinting kan användas för att testa effektiviteten hos det breda utbudet av molekyler i läkemedelsdesign eftersom de nära efterliknar den inhemska vävnaden och kan skapas på ett sätt med hög genomströmning genom tillverkning i mikronätverk.
Förutom att kunna kontrollera storleken på vävnaderna och deras mikroarkitektur kan bioprintade vävnader tillverkas i stora volymer, odlas samtidigt och utgöra liten risk för korskontaminering. Som ett direkt exempel på tillämpning har det faktiskt varit möjligt att testa läkemedelsmetabolism med hjälp av bioprintade levermodeller.
Forskning på ett större sätt
Tänk på fallet med cancer. På grund av deras brist på tredimensionella interaktioner med närliggande celler och substrat, representerar tvådimensionella tumörmodeller inte en fysiologiskt relevant miljö. Därför ger bioprinting ett sätt att förstå cellulära interaktioner i tre dimensioner och göra kliniskt relevanta observationer.
Vi skulle till och med kunna tänka större: möjligheten att skriva ut en hudvävnad som efterliknar en riktig sådan nästan till perfektion kan vara användbar inom olika områden som kosmetika för att testa produkter innan marknadsföring.
Fördelar och gränser
De senaste teknologierna låter alltid futuristiska och innovativa med flera fördelar, men de har också sina egna nackdelar. Denna möjliga lösning för de hundratusentals patienter som väntar på en transplantation men också på vävnadsreparation skulle vara en revolution mot den nuvarande bristen. Detta tillvägagångssätt skulle till och med förhindra eventuella cellavstötningar. Dessutom är det inte bara en fördel för människor eftersom det också skulle göra det möjligt att minska tester på djur, för att inte tala om den viktiga vetenskapliga mobiliseringen för forskning som den redan genererar.
Men det är en lång väg kvar att gå. Den idealistiska bilden är något fläckad av de mycket höga kostnaderna för denna teknik med ett eventuellt försäkringsskydd som förblir mycket lågt, vilket begränsar tillgängligheten. Att vara i testfasen gör det svårt att projicera eventuella biverkningar på patienter. Det ändå en mycket exakt och noggrann vetenskap som försöker efterlikna den mycket komplexa funktionen hos människokroppen och dess beståndsdelar, vilket inte är en lätt uppgift.
Bioprinting i framtiden
Idag är bioprinting fortfarande i forskningsstadiet. Trots de få gråzonerna i detta koncept förblir det en lovande och revolutionerande lösning för en bättre framtid och erbjuder nya perspektiv till forskare och yrkesverksamma som arbetar hand i hand för att möta denna storskaliga utmaning. Skulle detta vara ett utmärkt steg mot 4D-printing?
Referenser
[1] Zeming Gu, Jianzhong Fu, Hui Lin, Yong He, 2020 https://doi.org/10.1016/j.ajps.2019.11.003
[2] Charles W. Hull, 1986 US4575330A – Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography – Google Patents
[3] Yi Xiang, Kathleen Miller, Jiaao Guan, Wisarut Kiratitanaporn, Min Tang & Shaochen Chen, 2022 https://doi.org/10.1007/s00204-021-03212-y
[4] Immuno Diagnostic, 2020 Bioprinting – the future of research: how to get started – Immuno Diagnostic
[5] Andrew C.Daly, Margaret E.Prendergast, Alex J.Hughes, Jason A.Burdick, 2021 https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002
[6] Sean V Murphy & Anthony Atala, 2014 https://doi.org/10.1038/nbt.2958
[7] Madhuri Dey & Ibrahim T. Ozbolat, 2020 https://www.nature.com/articles/s41598-020-70086-y
[8] BIOLIFE4D, 2022 https://biolife4d.com/about/
