Czy w laboratorium można hodować tkankę, na przykład w celu zastąpienia uszkodzonej chrząstki? W TU Wien (Wiedeń) wykonano obecnie ważny krok w kierunku stworzenia tkanki zastępczej w laboratorium – przy użyciu techniki znacznie różniącej się od innych metod stosowanych na całym świecie.
W specjalnym procesie druku 3D o wysokiej rozdzielczości powstają maleńkie, porowate kuleczki wykonane z biokompatybilnego i degradowalnego plastiku, które następnie kolonizuje się komórkami. Te sferoidy można następnie ułożyć w dowolną geometrię, a komórki różnych jednostek płynnie łączą się, tworząc jednolitą, żywą tkankę. Tkanka chrzęstna, w przypadku której koncepcja została obecnie zademonstrowana na TU Wien, była wcześniej uważana za szczególnie wymagającą pod tym względem.
Malutkie kuliste klatki jako rusztowanie dla komórek
„Hodowla komórek chrząstki z komórek macierzystych nie jest największym wyzwaniem. Główny problem polega na tym, że zwykle nie mamy kontroli nad kształtem powstałej tkanki” – mówi Oliver Kopinski-Grünwald z Instytutu Inżynierii i Technologii Materiałów TU Wien, jeden autorów obecnego badania. „Wynika to również z faktu, że takie zlepki komórek macierzystych z biegiem czasu zmieniają swój kształt i często się kurczą”.
Aby temu zapobiec, zespół badawczy TU Wien pracuje nad nowym podejściem: specjalnie opracowane laserowe systemy druku 3D o wysokiej rozdzielczości służą do tworzenia maleńkich struktur przypominających klatki, które wyglądają jak mini piłki nożnej i mają średnicę zaledwie jednej trzeciej milimetra. Służą jako konstrukcja wsporcza i tworzą zwarte elementy konstrukcyjne, z których można następnie złożyć dowolny kształt.
Komórki macierzyste są najpierw wprowadzane do tych miniklatek w kształcie piłki nożnej, które szybko całkowicie wypełniają niewielką objętość. „W ten sposób możemy niezawodnie wytwarzać elementy tkanki, w których komórki są równomiernie rozmieszczone, a gęstość komórek jest bardzo duża. W przypadku poprzednich podejść nie byłoby to możliwe” – wyjaśnia prof. Aleksandr Ovsianikov, kierownik Działu Druku 3D i Biofabrykacji grupa badawcza na TU Wien.
Rosną razem doskonale
Zespół wykorzystał zróżnicowane komórki macierzyste, tj. komórki macierzyste, które nie mogą już przekształcić się w żaden rodzaj tkanki, ale są już z góry określone, że utworzą określony rodzaj tkanki, w tym przypadku tkankę chrzęstną. Takie komórki są szczególnie interesujące w zastosowaniach medycznych, ale budowa większej tkanki stanowi wyzwanie w przypadku komórek chrząstki. W tkance chrzęstnej komórki tworzą bardzo wyraźną macierz zewnątrzkomórkową, strukturę przypominającą siatkę pomiędzy komórkami, która często uniemożliwia wspólny wzrost różnych sferoid komórkowych w pożądany sposób.
Jeśli wydrukowane w 3D porowate kulki zostaną skolonizowane komórkami w pożądany sposób, kule można ułożyć w dowolny pożądany kształt. Zasadnicze pytanie brzmi teraz: czy komórki różnych sferoidów również łączą się, tworząc jednolitą, jednorodną tkankę?
„To właśnie udało nam się teraz po raz pierwszy pokazać” – mówi Kopinski-Grünwald. „Pod mikroskopem widać bardzo wyraźnie: sąsiednie sferoidy rosną razem, komórki migrują z jednej sferoidy do drugiej i odwrotnie, łączą się płynnie i tworzą zamkniętą strukturę bez żadnych wnęk – w przeciwieństwie do innych metod, które mają dotychczas stosowane, w przypadku których pomiędzy sąsiednimi skupiskami komórek pozostają widoczne interfejsy.”
Malutkie rusztowania wydrukowane w 3D zapewniają stabilność mechaniczną całej konstrukcji, podczas gdy tkanka nadal dojrzewa. W ciągu kilku miesięcy plastikowe struktury ulegają degradacji, po prostu znikają, pozostawiając gotową tkankę w pożądanym kształcie.
Pierwszy krok w stronę zastosowania medycznego
W zasadzie nowe podejście nie ogranicza się do tkanki chrzęstnej, można je również zastosować do dostosowania różnych rodzajów większych tkanek, takich jak tkanka kostna. Jednak po drodze pozostaje jeszcze kilka zadań do rozwiązania – w końcu, w przeciwieństwie do tkanki chrzęstnej, do tych tkanek powyżej pewnego rozmiaru musiałyby zostać włączone naczynia krwionośne.
„Początkowym celem byłoby wytworzenie małych, dostosowanych do indywidualnych potrzeb kawałków tkanki chrzęstnej, które po urazie można byłoby wstawić do istniejącego materiału chrzęstnego” – mówi Oliver Kopinski-Grünwald. „W każdym razie udało nam się teraz wykazać, że nasza metoda wytwarzania tkanki chrzęstnej przy użyciu kulistych mikrorusztowań działa zasadniczo i ma zdecydowaną przewagę nad innymi technologiami”.