Echipa Penn State dezvoltă tehnologia de imprimare 3D a sferoizilor pentru regenerarea țesutului osos
O echipă interdisciplinară de ingineri și chimiști de la Penn State a pus bazele unei tehnologii de imprimare 3D a sferoizilor – grupuri mici de celule vii – capabili să regenereze țesutul osos în urma unor traume severe sau infecții.
Pentru a realiza acest lucru, echipa a introdus diferite fragmente de informație genetică în celule stem nediferențiate, provenite din surse comerciale. Aceștia au demonstrat că bioprintarea, care implică stratificarea elementelor fundamentale ale unui țesut de organ, poate crea grupuri de celule optimizate pentru a susține regenerarea țesutului osos. Sferoizii bioprintați nu doar că ajută la vindecarea țesutului osos, ci facilitează și formarea cu succes a noilor vase de sânge în țesutul generat. Descoperirile echipei, disponibile acum online în Chemical Engineering Journal, au fost verificate prin experimente de laborator și în modele de șoareci.
Bioprintarea sferoizilor poate fi utilizată pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv crearea de modele biologice precise pentru testarea efectelor medicamentelor experimentale. Cu toate acestea, Daniel Hayes, coautor al lucrării și șef al Departamentului de Inginerie Biomedicală de la Penn State, a explicat că utilizarea acestor celule în medicina regenerativă nu este un proces simplu. Cercetătorii trebuie să creeze rețele de celule care pot avea funcții extrem de diferite dintr-o bază fundamentală comună.
„Totul în corpul tău este format dintr-o combinație de tipuri diferite de celule, ceea ce înseamnă că trebuie să găsim o modalitate de a diferenția celulele între ele pe măsură ce se maturizează în formarea acestor țesuturi”, a declarat Hayes. „Acest proiect este o încercare de a construi sferoizi care ar putea fi folosiți pentru a ajuta la reconstrucția acestor structuri celulare complexe.”
Bioprintarea implică, de obicei, encapsularea celulelor vii într-un cadru, care este, în mod tradițional, un material gelatinos cunoscut sub numele de hidrogel. Acest cadru acționează practic ca o matrice 3D în care celulele vii se maturizează și cresc în țesuturi complexe. Totuși, facilitarea vascularizării – procesul de formare a noilor vase de sânge într-un țesut – s-a dovedit a fi dificilă atunci când se folosesc sferoizi pentru a genera țesut osos.
„Fără vascularizare, tehnicile convenționale de generare a țesuturilor nu pot regenera adecvat osul”, a explicat Ibrahim Ozbolat, coautor al lucrării și profesor de științe inginerie și mecanică. „Avem nevoie de vascularizare pentru a susține legăturile groase găsite în țesutul osos.”
Ozbolat a subliniat că construirea țesuturilor necesită rețele celulare extrem de precise și coordonate, ceea ce face dificilă organizarea sferoizilor în modelele necesare pentru a stimula generarea cu succes a țesutului. Bioprintarea asistată prin aspirație este o abordare avansată, dezvoltată de Ozbolat și echipa sa de cercetare, care ridică sferoizi individuali și îi plasează în locații specifice din cadrul unui cadru.
„Vrem ca sferoizii să fie la aceeași distanță unul de altul pentru a avea regenerare uniformă”, a explicat Ozbolat. „Bioprintarea asistată prin aspirație ne permite să poziționăm cu precizie sferoizii într-un cadru, ceea ce înseamnă că putem controla exact locația acestor sferoizi pentru a printa o varietate de tipuri de țesuturi complexe, inclusiv celule pulmonare sau pancreatice.”
Folosind această tehnică, echipa poate crea cadre care nu doar că susțin vindecarea naturală, dar ajută și țesutul generat artificial să se integreze mai eficient în organism.
„Există două componente: Printăm celule progenitoare care vor ajuta la formarea osului vascularizat și sperăm că aceste celule vor ajuta, de asemenea, să conducă acel proces natural de regenerare”, a spus Hayes. „Nu ai urma acest tratament pentru o fractură normală de os. Acesta este pentru cineva care a suferit traume substanțiale sau pierderi de os din cauza cancerului sau unei infecții.”
Începând cu celule stem nediferențiate, echipa a transfectat sau introdus informație genetică străină provenită din două fragmente specifice de microRNA – molecule mici de informație genetică care pot acționa ca un comutator pentru a activa sau dezactiva o anumită caracteristică a unei celule. Cele două fragmente utilizate, miR-148b și miR-210, pot stimula creșterea osului și vascularizarea, respectiv. După ce au lăsat celulele să se cultive câteva zile, cercetătorii au asamblat grupurile de celule în sferoizi. Folosind acești sferoizi, au produs mai multe tipuri de cadre – unele conținând doar sferoizi transfectați cu un singur fragment de microRNA, iar altele conținând o combinație de sferoizi transfectați cu ambele fragmente, aranjați într-un model alternativ.
„Luăm aceste celule stem nediferențiate și folosim aceste molecule de microRNA pentru a le împinge pe o cale de diferențiere optimizată pentru creșterea țesutului sau, în acest caz, vascularizare, înainte de a avea ocazia să se matureze pe deplin”, a explicat Hayes. „Le introducem în sferoizi și apoi sunt tipărite în gel, astfel încât pe măsură ce se maturizează, se diferențiază și încep să formeze un țesut regulat, sustenabil.”
După imprimarea sferoizilor în cadru, echipa a lăsat grupurile de celule să se cultive și să se diferențieze timp de 28 de zile. Apoi, au analizat markerii genetici expuși de fiecare grup pentru a observa cum fiecare fragment de microRNA a influențat caracteristicile sferoidului. În paralel, echipa a testat sferoizii pe o perioadă de șase săptămâni pe un eșantion de șoareci imunodeficienți cu daune la țesutul osos.
În cazul șoarecilor care nu au primit tratament, țesutul osos s-a regenerat pentru a acoperi aproximativ 35% din zona afectată după șase săptămâni, în timp ce șoarecii tratați cu un sferoid de control care conținea doar cadru au prezentat o regenerare a țesutului ce acoperea 93% din zona afectată, indicând că procedura de bioprintare a echipei poate avea un rol semnificativ în stimularea regenerării țesutului, a spus Ozbolat.
După adăugarea sferoizilor, echipa a observat că utilizarea unei combinații de fragmente de microRNA în cadru a dus la o dezvoltare mai eficientă a țesutului osos și vascularizării, cu o acoperire generală mai mare a osului raportată la sfârșitul celor șase săptămâni. Interesant este că grupul combinat a arătat expresii mai mari de CD31 – o proteină care marchează căptușeala interioară a vaselor de sânge – în comparație cu grupurile non-transfectate și cele specializate. Deși cercetătorii au observat că relația nu este încă pe deplin înțeleasă, această acoperire crescută sugerează că sferoizii cu caracteristici celulare diferite pot colabora mai bine între
