Wyobraź sobie, że lekarze mogliby precyzyjnie wydrukować miniaturowe kapsułki zdolne do dostarczania komórek potrzebnych do naprawy tkanki dokładnie tam, gdzie są potrzebne w bitym sercu. Zespół naukowców pod przewodnictwem Caltech zrobił znaczący krok w kierunku tego ostatecznego celu, opracując metodę dla polimerów drukowania 3D w określonych lokalizacjach głęboko żywych zwierząt. Ta technika opiera się na dźwięku do lokalizacji i była już używana do drukowania kapsułek polimerowych do selektywnego dostarczania leków, a także polimerów podobnych do kleju w celu uszczelnienia ran wewnętrznych.
Wcześniej naukowcy wykorzystali światło w podczerwieni do wyzwolenia polimeryzacji, łączenia podstawowych jednostek lub monomerów polimerów w żywych zwierzętach. „Ale penetracja w podczerwieni jest bardzo ograniczona. Sięgnie tylko tuż pod skórą”, mówi Wei Gao, profesor inżynierii medycznej w Caltech i śledczy Heritage Medical Research Institute. „Nasza nowa technika dociera do głębokiej tkanki i może wydrukować różnorodne materiały do szerokiej gamy zastosowań, jednocześnie zachowując doskonałą biokompatybilność”.
Gao i jego koledzy zgłaszają swoją nową technikę drukowania 3D in vivo w czasopiśmie Science. Wraz z bioadhezyjnymi żelami i polimerami do dostarczania leków i komórek, artykuł opisuje również zastosowanie techniki drukowania hydrożeli bioelektrycznych, które są polimerami z osadzonymi materiałami przewodzącymi do stosowania w wewnętrznym monitorowaniu fizjologicznych objawów życiowych jak w elektrokardiogramach (EKG). Głównym autorem badania jest Elham Davoodi, asystent profesora inżynierii mechanicznej na University of Utah, który ukończył pracę podczas postoktoranckiego uczonego w Caltech.
Pochodzenie nowatorskiego pomysłu
Chcąc wymyślić sposób, aby zrealizować głęboką tkankę drukowania in vivo, Gao i jego koledzy zwrócili się do ultradźwięków, platformy szeroko stosowanej w biomedycynie do głębokiej penetracji tkanki. Ale potrzebowali sposobu na wyzwolenie sieciowania lub wiązanie monomerów, w określonym miejscu i tylko wtedy.
Wymyślili nowe podejście: Połącz ultradźwięki z liposomami wrażliwymi na niską temperaturę. Takie liposomy, sferyczne pęcherzyki komórkowe z ochronnymi warstwami tłuszczu są często stosowane do dostarczania leków. W nowej pracy naukowcy załadowali liposomy środkiem sieciującym i osadzili je w roztworze polimerowym zawierającym monomery polimeru, które chcieli wydrukować, na przykład środek kontrastowy obrazowania, który ujawniłby, kiedy nastąpiło sieciowanie, oraz ładunek, który mieli nadzieję dostarczyć – leku terapeutycznego. Można uwzględnić dodatkowe elementy, takie jak komórki i materiały przewodzące, takie jak nanorurki węglowe lub srebro. Złożony bioink został następnie wstrzyknięty bezpośrednio do ciała.
Podnieś temperaturę tylko odrobinę, aby wywołać drukowanie
Cząstki liposomu są wrażliwe na niską temperaturę, co oznacza, że dzięki skupionemu ultradźwiękowi w celu podniesienia temperatury małego ukierunkowanego regionu o około 5 stopni Celsjusza naukowcy mogą uruchomić uwalnianie ich ładunku i zainicjować drukowanie polimerów.
„Zwiększenie temperatury o kilka stopni Celsjusza wystarcza, aby cząstka liposomu uwolniła nasze środki sieciujące”, mówi Gao. „Tam, gdzie są uwalniane agenci, to właśnie wydarzy się zlokalizowana polimeryzacja lub drukowanie”.
Zespół wykorzystuje pęcherzyki gazowe pochodzące z bakterii jako środka kontrastowego obrazowania. Pęcherzyki, kapsułki białka wypełnione powietrzem silnie pojawiają się w obrazowaniu ultradźwiękowym i są wrażliwe na zmiany chemiczne, które zachodzą, gdy płynne środki roztworu monomeru w celu utworzenia sieci żelowej. Pęcherzyki faktycznie zmieniają kontrast, wykryty przez obrazowanie ultradźwiękowe, gdy ma miejsce transformacja, umożliwiając naukowcom łatwe określenie, kiedy i dokładnie tam, gdzie nastąpiło sieciowanie polimeryzacji, umożliwiając im dostosowanie wzorów drukowanych na żywych zwierzętach.
Zespół nazywa nową technikę platformą głębokiej tkanki in vivo (DISP).
Kiedy zespół używał platformy DISP do drukowania polimerów obciążonych doksorubicyną, lekiem chemioterapeutycznym, w pobliżu guza pęcherza u myszy, stwierdzili znacznie więcej śmierci komórek nowotworowych przez kilka dni w porównaniu ze zwierzętami, które otrzymały lek poprzez bezpośrednie wstrzyknięcie roztworów narkotykowych.
„Wykazaliśmy już u małego zwierzęcia, że możemy wydrukować hydrożele obciążone lekiem do leczenia nowotworów”, mówi Gao. „Naszym następnym etapem jest wydrukowanie w większym modelu zwierząt i mam nadzieję, że w najbliższej przyszłości możemy to ocenić u ludzi”.
Zespół uważa również, że uczenie maszynowe może zwiększyć zdolność platformy DISP do precyzyjnego zlokalizowania i stosowania ukierunkowanego ultradźwięków. „W przyszłości, z pomocą sztucznej inteligencji, chcielibyśmy być w stanie autonomicznie wyzwolić bardzo precyzyjne drukowanie w ruchomych organach, takich jak bicie serca”-mówi Gao.
Prace wspierały finansowanie z National Institutes of Health, American Cancer Society, Heritage Medical Research Institute i inicjatywy wyzwań w UCLA. Mikroskopię fluorescencyjną przeprowadzono w zaawansowanej mikroskopii świetlnej/laboratorium spektroskopii i Leica Center of Excellence w California Nanosystems Institute w UCLA.