UC San Diego crea tessuti realistici con materiali naturali

I bioingegneri dell’Università della California di San Diego hanno sviluppato una tecnica di biostampa 3D facile da usare per produrre modelli di tessuti organici realistici con materiali naturali. Come prova del concetto, il team UC San Diego ha stampato le reti di vasi sanguigni in 3D in grado di mantenere vivo un tumore al seno, fuori dal corpo e un modello di un intestino umano vascolarizzato.

(LR): lo studente laureato in Bioingegneria Michael Hu e lo studente universitario Xin Yi (Linda) Lei costruiscono un modello di budello vascolarizzato usando la nuova tecnica di biostampa 3D della loro squadra. Foto di David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

L’obiettivo non è quello di creare organi artificiali che possano essere impiantati nel corpo, hanno detto i ricercatori, ma di realizzare modelli di organi umani facili da coltivare che possono essere studiati al di fuori del corpo o utilizzati per lo screening di farmaci.

“Vogliamo rendere più semplice per gli scienziati di tutti i giorni – che potrebbero non avere la specializzazione richiesta per altre tecniche di stampa 3D – per realizzare modelli 3D di qualunque tessuto umano stiano studiando”, ha detto il primo autore Michael Hu, un dottore in bioingegneria. studente presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. “I modelli sarebbero più avanzati rispetto alle colture cellulari standard 2D o 3D, e più rilevanti per gli esseri umani quando si tratta di testare nuovi farmaci, che viene attualmente eseguito su modelli animali”.

Per creare una rete vivente di vasi sanguigni, i ricercatori devono prima progettare digitalmente un’impalcatura utilizzando Autodesk. Utilizzando una stampante 3D commerciale, i ricercatori stampano l’impalcatura di un materiale idrosolubile chiamato alcol polivinilico. Poi versano uno spesso rivestimento fatto di materiali naturali sopra lo scaffold, lo lasciano polimerizzare e solidificare, e poi sciacquano il materiale dell’impalcatura all’interno per creare canali cavi dei vasi sanguigni. Successivamente, rivestono gli interni dei canali con cellule endoteliali, che sono le cellule che rivestono l’interno dei vasi sanguigni. L’ultimo passaggio consiste nel far scorrere i terreni di coltura cellulare attraverso i vasi per mantenere le cellule vive e in crescita.

I vasi sono fatti di materiali naturali trovati nel corpo come il fibrinogeno, un composto trovato nei coaguli di sangue, e Matrigel, una forma disponibile in commercio di matrice extracellulare reale dei mammiferi.

Tuttavia, trovare i materiali giusti è stata una delle maggiori sfide, ha detto la studentessa di bioingegneria Xin Yi (Linda) Lei, una co-autrice dello studio. “Volevamo utilizzare materiali più naturali che sintetici, in modo da poter realizzare qualcosa che fosse il più vicino possibile a ciò che è nel corpo, oltre a poter lavorare con il nostro metodo di stampa 3D”.

Amir Dailamy, uno studente laureato in bioingegneria nel laboratorio del Mali, progetta un’impalcatura per la stampa 3D.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno usato i vasi sanguigni stampati per mantenere vivi i tessuti tumorali del tumore al seno all’esterno del corpo. “La nostra speranza è che possiamo applicare il nostro sistema per realizzare modelli tumorali che possano essere utilizzati per testare farmaci antitumorali al di fuori del corpo”, ha detto Hu. Hanno estratto pezzi di tumori dai topi e poi hanno incorporato alcuni dei pezzi nelle reti di vasi sanguigni stampati. Altri pezzi sono stati tenuti in una cultura cellulare 3D standard. Dopo tre settimane, i tessuti tumorali incapsulati nelle impronte dei vasi sanguigni erano rimasti in vita. Nel frattempo, quelli della cultura cellulare 3D standard erano per lo più morti.

In un’altra serie di esperimenti, i ricercatori hanno creato un modello intestinale vascolarizzato. La struttura consisteva in due canali. Uno era un tubo dritto rivestito con cellule epiteliali intestinali per imitare l’intestino. L’altro era un canale dei vasi sanguigni (rivestito con cellule endoteliali) che si sviluppava a spirale attorno al canale intestinale. L’obiettivo era ricreare un budello circondato da una rete di vasi sanguigni. Ogni canale è stato quindi alimentato con i media ottimizzati per le sue celle. Entro due settimane, i canali hanno iniziato ad assumere morfologie più realistiche. Ad esempio, il canale intestinale aveva iniziato a germogliare villi, che sono le piccole proiezioni a forma di dito che rivestono l’interno della parete intestinale.

“Con questo tipo di strategia, possiamo iniziare a realizzare sistemi complessi e longevi in ​​un ambiente ex vivo, in cui forse in futuro potrebbe soppiantare l’uso di animali per realizzare questi sistemi, che è ciò che viene fatto in questo momento”, ha detto Mali.

“Questa è stata una dimostrazione del concetto che mostra che siamo in grado di coltivare diversi tipi di cellule, il che è importante se vogliamo modellare le interazioni multiorgano nel corpo. In una singola stampa, possiamo creare due distinti ambienti locali, ognuno con una diversa tipo di cellula viva, e posizionata abbastanza vicino insieme in modo che possano interagire “, ha detto Hu.

Il lavoro è stato pubblicato di recente su Advanced Healthcare Materials . Il lavoro futuro si concentrerà sull’ottimizzazione dei vasi sanguigni stampati e sullo sviluppo di modelli di tumore vascolarizzato che imitano più da vicino quelli del corpo.

. Come prova del concetto, il team UC San Diego ha stampato le reti di vasi sanguigni in 3D in grado di mantenere vivo un tumore al seno, fuori dal corpo e un modello di un intestino umano vascolarizzato.

(LR): lo studente laureato in Bioingegneria Michael Hu e lo studente universitario Xin Yi (Linda) Lei costruiscono un modello di budello vascolarizzato usando la nuova tecnica di biostampa 3D della loro squadra. Foto di David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

L’obiettivo non è quello di creare organi artificiali che possano essere impiantati nel corpo, hanno detto i ricercatori, ma di realizzare modelli di organi umani facili da coltivare che possono essere studiati al di fuori del corpo o utilizzati per lo screening di farmaci.

“Vogliamo rendere più semplice per gli scienziati di tutti i giorni – che potrebbero non avere la specializzazione richiesta per altre tecniche di stampa 3D – per realizzare modelli 3D di qualunque tessuto umano stiano studiando”, ha detto il primo autore Michael Hu, un dottore in bioingegneria. studente presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. “I modelli sarebbero più avanzati rispetto alle colture cellulari standard 2D o 3D, e più rilevanti per gli esseri umani quando si tratta di testare nuovi farmaci, che viene attualmente eseguito su modelli animali”.

Per creare una rete vivente di vasi sanguigni, i ricercatori devono prima progettare digitalmente un’impalcatura utilizzando Autodesk. Utilizzando una stampante 3D commerciale, i ricercatori stampano l’impalcatura di un materiale idrosolubile chiamato alcol polivinilico. Poi versano uno spesso rivestimento fatto di materiali naturali sopra lo scaffold, lo lasciano polimerizzare e solidificare, e poi sciacquano il materiale dell’impalcatura all’interno per creare canali cavi dei vasi sanguigni. Successivamente, rivestono gli interni dei canali con cellule endoteliali, che sono le cellule che rivestono l’interno dei vasi sanguigni. L’ultimo passaggio consiste nel far scorrere i terreni di coltura cellulare attraverso i vasi per mantenere le cellule vive e in crescita.

I vasi sono fatti di materiali naturali trovati nel corpo come il fibrinogeno, un composto trovato nei coaguli di sangue, e Matrigel, una forma disponibile in commercio di matrice extracellulare reale dei mammiferi.

Tuttavia, trovare i materiali giusti è stata una delle maggiori sfide, ha detto la studentessa di bioingegneria Xin Yi (Linda) Lei, una co-autrice dello studio. “Volevamo utilizzare materiali più naturali che sintetici, in modo da poter realizzare qualcosa che fosse il più vicino possibile a ciò che è nel corpo, oltre a poter lavorare con il nostro metodo di stampa 3D”.

Amir Dailamy, uno studente laureato in bioingegneria nel laboratorio del Mali, progetta un’impalcatura per la stampa 3D.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno usato i vasi sanguigni stampati per mantenere vivi i tessuti tumorali del tumore al seno all’esterno del corpo. “La nostra speranza è che possiamo applicare il nostro sistema per realizzare modelli tumorali che possano essere utilizzati per testare farmaci antitumorali al di fuori del corpo”, ha detto Hu. Hanno estratto pezzi di tumori dai topi e poi hanno incorporato alcuni dei pezzi nelle reti di vasi sanguigni stampati. Altri pezzi sono stati tenuti in una cultura cellulare 3D standard. Dopo tre settimane, i tessuti tumorali incapsulati nelle impronte dei vasi sanguigni erano rimasti in vita. Nel frattempo, quelli della cultura cellulare 3D standard erano per lo più morti.

In un’altra serie di esperimenti, i ricercatori hanno creato un modello intestinale vascolarizzato. La struttura consisteva in due canali. Uno era un tubo dritto rivestito con cellule epiteliali intestinali per imitare l’intestino. L’altro era un canale dei vasi sanguigni (rivestito con cellule endoteliali) che si sviluppava a spirale attorno al canale intestinale. L’obiettivo era ricreare un budello circondato da una rete di vasi sanguigni. Ogni canale è stato quindi alimentato con i media ottimizzati per le sue celle. Entro due settimane, i canali hanno iniziato ad assumere morfologie più realistiche. Ad esempio, il canale intestinale aveva iniziato a germogliare villi, che sono le piccole proiezioni a forma di dito che rivestono l’interno della parete intestinale.

“Con questo tipo di strategia, possiamo iniziare a realizzare sistemi complessi e longevi in ​​un ambiente ex vivo, in cui forse in futuro potrebbe soppiantare l’uso di animali per realizzare questi sistemi, che è ciò che viene fatto in questo momento”, ha detto Mali.

“Questa è stata una dimostrazione del concetto che mostra che siamo in grado di coltivare diversi tipi di cellule, il che è importante se vogliamo modellare le interazioni multiorgano nel corpo. In una singola stampa, possiamo creare due distinti ambienti locali, ognuno con una diversa tipo di cellula viva, e posizionata abbastanza vicino insieme in modo che possano interagire “, ha detto Hu.

Il lavoro è stato pubblicato di recente su Advanced Healthcare Materials . Il lavoro futuro si concentrerà sull’ottimizzazione dei vasi sanguigni stampati e sullo sviluppo di modelli di tumore vascolarizzato che imitano più da vicino quelli del corpo.