Organ-bioprinting wird ein Hauch frischer Luft: Biotechnologen Kenntnisse klar große Hürde auf dem Weg zum 3D-Druck Ersatz-Organe

Biotechnologen Kenntnisse gelöscht haben eine wichtige Hürde auf dem Weg zum 3D-Druck Ersatz-Organe mit einer bahnbrechenden Technik für bioprinting Gewebe.

Die neue innovation ermöglicht es Wissenschaftlern exquisit verstrickt vaskulären Netzwerken, imitieren die körpereigenen natürlichen Durchgänge für Blut -, Luft -, lymph-und anderen lebenswichtigen Flüssigkeiten.

Die Forschung, gekennzeichnet auf der Abdeckung der dieswöchigen Ausgabe von Science. Es umfasst eine visuell beeindruckende Beweis-von-Prinzip-ein-hydrogel-Modell der Lunge-Nachahmung Luftsäcke in die Atemwege zu liefern Sauerstoff an die umliegenden Blutgefäße. Auch berichteten, sind Experimente zur Implantation bioprinted Konstrukte mit Leber-Zellen in Mäusen.

Die Arbeit wurde geleitet von Biotechnologen Kenntnisse Jordan Miller von der Rice University und Kelly Stevens von der University of Washington (UW) und 15 Mitarbeiter aus Reis -, UW -, Duke-Universität, Rowan University und des Nervensystems, eine design-Firma in Somerville, Massachusetts.

„Eine der größten Straßensperren zur Generierung von funktionellen Gewebe-Ersatz wurde unsere Unfähigkeit zu drucken, das komplexe gefäßnetzwerk, das kann Nährstoffen zu versorgen, um die dicht besiedelten Gewebe,“ sagte Miller, assistant professor für bioengineering an der Rice ‚ s Brown School of Engineering. „Weiter, unsere Organe tatsächlich enthalten unabhängige vaskuläre Netzwerke-wie die Atemwege und die Blutgefäße der Lunge oder der Gallenwege und der Blutgefäße in der Leber. Diese durchdringende Netzwerke sind physikalisch und biochemisch verstrickt, und die Architektur selbst ist eng mit Gewebe-Funktion. Unsere ist die erste bioprinting-Technologie, die Adressen der Herausforderung, multivascularization in eine direkte und umfassende Art und Weise.“

Stevens, assistant professor für bioengineering in der UW-Hochschule für Technik, assistant professor für Pathologie in der UW School of Medicine, und ein Privatdetektiv bei der UW-Medizin-Institut für Stammzellforschung und Regenerative Medizin, sagte multivascularization ist wichtig, weil form und Funktion gehen oft hand in hand.

„Tissue engineering“ hat sich mit diesem für eine generation,“ sagte Stevens. „Mit dieser Arbeit können wir nun besser Fragen, ‚Wenn wir drucken Gewebe, die das Aussehen und jetzt noch atmen mehr wie das gesunde Gewebe in unserem Körper, wird Sie auch dann funktional Verhalten sich mehr wie die Gewebe?‘ Dies ist eine wichtige Frage, weil, wie gut ein bioprinted Gewebe Funktionen beeinflussen, wie erfolgreich es sein wird, wie eine Therapie.“

Das Ziel der bioprinting gesunde, funktionsfähige Organe ist getrieben von der Notwendigkeit für Organtransplantationen. Mehr als 100.000 Menschen sind auf der Transplantations-Warteliste in den Vereinigten Staaten allein, und jene, die Sie schließlich erhalten Spender-Organe nach wie vor eine Lebensdauer von immun-unterdrückende Medikamente zur Verhinderung von Abstoßungsreaktionen. Bioprinting angezogen hat sich intensiv in den vergangenen zehn Jahren, weil es könnte theoretisch sprechen beide Probleme, indem ärzte zu drucken, Ersatz-Organe aus eigenen Zellen eines Patienten. Einen Vorrat an funktionsfähige Organe könnte eines Tages eingesetzt werden zur Behandlung von Millionen von Patienten weltweit.

„Wir erwarten, bioprinting, zu einer wichtigen Komponente der Medizin innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte,“ sagte Miller.

„Die Leber ist besonders interessant, denn es führt ein irrsinnig 500 Funktionen, die wahrscheinlich nur Sekunden, um das Gehirn,“ sagte Stevens. „Die Leber ist der Komplexität bedeutet derzeit gibt es keine Maschine oder Therapie ersetzen kann, dass alle seine Funktionen, wenn es scheitert. Bioprinted menschliche Organe könnte eines Tages liefern, dass die Therapie.“

Um dieser Herausforderung zu begegnen, erstellte das team ein neues open-source-bioprinting-Technologie, genannt die „Stereolithographie apparatus for tissue engineering“, oder SCHIEFER. Das system verwendet die additive Fertigung, um weiche Hydrogele eine Schicht zu einer Zeit.

Schichten gedruckt sind, von einer Flüssigkeit pre-hydrogel-Lösung das wird ein fest, wenn es ausgesetzt blaues Licht. Ein digital light processing-Projektor strahlt Licht von unten, Anzeige von sequenziellen 2D-Scheiben der Struktur mit hoher Auflösung, mit pixel Größen von 10-50 Mikrometer. Mit jeder Schicht verfestigt, die wiederum einen overhead-arm wirft den wachsenden 3D-gel gerade genug, um zu setzen die Flüssigkeit auf das nächste Bild aus dem Projektor. Die zentrale Erkenntnis von Miller und Bagrat Grigoryan, Reis, Studentin und führt co-Autor der Studie, war die Ergänzung der Lebensmittel-Farbstoffe, absorbieren blaues Licht. Diese photoabsorbers darauf beschränken, die Erstarrung zu einer sehr feinen Schicht. In dieser Weise kann das system Weichkäse, Wasser-basierenden, biokompatiblen Gele mit komplizierten internen Architektur in einer Angelegenheit von Minuten.

Tests der Lungen-ähnlichen Struktur zeigte, dass die Gewebe waren robust genug, um zu vermeiden platzen, während die Durchblutung und pulsatile „Atmung“, eine rhythmische Zufuhr und Abfluss von Luft simuliert, dass der Druck und die Frequenzen der menschlichen Atmung. Tests haben festgestellt, dass die roten Blutkörperchen nehmen könnte, Sauerstoff, als Sie Flossen durch ein Netz von Blutgefäßen um die „Atmung“ Luft-sac. Diese Bewegung von Sauerstoff ist ähnlich wie das gas exchange, das Auftritt, in der Lunge ist die alveoläre Luft-sacs.

Zum design der Studie die meisten komplizierten Lungen-ähnlichen Struktur, die vorgestellten auf dem cover von Science, Miller zusammen mit der Studie co-Autoren Jessica Rosenkrantz und Jesse Louis-Rosenberg, co-Gründer des Nervensystems.

„Als wir uns gegründet Nervensystem es wurde mit dem Ziel der Anpassung der algorithmen aus der Natur in neue Möglichkeiten, Produkte zu entwerfen,“ Rosenkrantz sagte. „Wir nie gedacht, wir würden die Gelegenheit haben, das wieder zurückzubringen und design lebendes Gewebe.“

In den tests der therapeutische Implantate für Erkrankungen der Leber, der team 3D-gedruckte Gewebe, geladen mit primären Leberzellen und implantiert Sie in Mäuse. Das Gewebe hatte separate Fächer für die Blutgefäße und die Leber Zellen und wurden in Mäuse implantiert, die mit chronischer Schädigung der Leber. Tests zeigten, dass die Leber-Zellen überlebten die implantation.

Miller sagte, die neue bioprinting-system kann auch produzieren intravaskulären features, wie tetrakuspid Ventile, die es ermöglichen, fluid-Strömung in nur einer Richtung. Bei Menschen, intravaskulärer Ventile finden sich in der Herz -, Bein-Venen und komplementäre Netzwerke wie das lymphatische system, ohne Pumpe zu fahren, fließen.

„Mit der Ergänzung von multivascular und intravaskulären Struktur führen wir ein umfangreiches set an design-Freiheit für engineering lebendes Gewebe,“ sagte Miller. „Wir haben jetzt die Freiheit zu bauen, viele der komplizierten Strukturen im Körper gefunden.“

Miller und Grigorjan werden die Kommerzialisierung der wichtigsten Aspekte der Forschung durch eine Houston-basierte startup-Firma namens Volumenstrom. Das Unternehmen, das Grigoryan hat sich voll Zeit, ist der Entwurf und die Herstellung bioprinters und bioinks.

Miller, einem langjährigen champion der open-source-3D-Druck, sagte, dass alle source-Daten von den Experimenten, die in der veröffentlichten Science – Studie frei verfügbar sind. Darüber hinaus alle 3D-druckbare Dateien benötigt zur Erstellung des Stereolithografie-Druck-Apparat sind verfügbar, wie sind die design-Dateien für den Druck jeder der Hydrogele verwendet in der Studie.

„Die Herstellung der hydrogel-design-Dateien zur Verfügung, ermöglicht es anderen, erkunden Sie unsere Bemühungen hier, auch wenn Sie nutzen irgendwann in der Zukunft 3D-Druck-Technologie, die existiert heute nicht,“ sagte Miller.

Miller sagte, sein Labor ist bereits mit dem neuen design und bioprinting-Techniken zu erkunden, auch komplexere Strukturen.

„Wir sind erst am Anfang unserer Erkundung der Architekturen, die im menschlichen Körper gefunden“, sagte er. „Wir haben noch so viel mehr zu lernen.“

Zusätzliche Studie co-Autoren gehören Reis ist Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat und Anderson Ta; UW Daniel Corbett, Chelsea Fortin und Fredrik Johansson; Duke John Gounley und Amanda Randles; und Rowan ist Peter Galie.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Robert J. Kleberg, Jr und Helen C. Kleberg Foundation, die John H. Tietze-Stiftung, der National Science Foundation (1728239, 1450681 und 1250104), die Nationalen Institute der Gesundheit (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 und DP5OD019876) und die Küste des Golfs von Konsortien.

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