IMAGE: Kunstmatige embryoïde lichamen met verschillende kenmerken die zijn gemaakt met behulp van 3D-printen. view more
Credit: SUTD
Alle mensen beginnen uit een enkele cel die zich vervolgens deelt om uiteindelijk het embryo te vormen. Afhankelijk van de signalen die door de aangrenzende cellen worden uitgezonden, worden deze verdeelde cellen vervolgens ontwikkeld of gedifferentieerd tot specifieke weefsels of organen.
In de regeneratieve geneeskunde is het beheersen van die differentiatie in het lab van cruciaal belang, omdat stamcellen kunnen worden gedifferentieerd om de groei van organen in vitro mogelijk te maken en beschadigde volwassen cellen te vervangen, met name cellen met een zeer beperkt vermogen tot replicatie, zoals de hersenen of het hart.
Een gebruikelijke aanpak die wetenschappers hanteren bij het differentiëren van stamcellen is het gebruik van chemische stimulatoren. Hoewel deze methode zeer efficiënt is om een enkel celtype te maken, mist zij het vermogen om de complexiteit van levende organismen te reproduceren, waar verschillende celtypen naast elkaar bestaan en samenwerken om een orgaan te vormen.
Een andere methode, geïnspireerd door het natuurlijke proces van celontwikkeling, behelst de verpakking van stamcellen in kleine cellulaire aggregaten, of bollen die embryoïde lichamen worden genoemd. Net als in echte embryo’s is de interactie tussen cellen en cellen in embryoïdale lichamen de belangrijkste motor van differentiatie. Uit de productie van deze embryoïde lichamen bleek dat parameters zoals het aantal cellen, de grootte en de sfericiteit van het embryoïde lichaam van invloed zijn op de soorten cellen die worden geproduceerd.
Wetenschappers hebben deze parameters echter niet kunnen controleren, zodat zij moeizaam grote aantallen embryoïdale lichamen moesten produceren en specifieke lichamen met geschikte kenmerken moesten selecteren om te bestuderen.
Om deze uitdaging aan te pakken, wendden onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) zich tot additieve vervaardiging om stamceldifferentiatie in embryoïde lichamen te controleren. Hun onderzoek werd gepubliceerd in Bioprinting.
Door een multidisciplinaire aanpak te kiezen door de onderzoeksdomeinen van 3D-productie en biowetenschappen te combineren, 3D-printten promovendus Rupambika Das en assistent-professor Javier G. Fernandez verschillende fysieke apparaten op microschaal met nauwkeurig afgestemde geometrieën. Ze gebruikten de apparaten om een ongekende precisie aan te tonen in de gerichte differentiatie van stamcellen door de vorming van embryoïde lichamen (zie afbeelding). In hun studie regelden zij met succes de parameters voor het verbeteren van de productie van cardiomyocyten, cellen die worden aangetroffen in het hart.
“Het gebied van additive manufacturing ontwikkelt zich in een ongeëvenaard tempo. We zien niveaus van precisie, snelheid en kosten die nog maar een paar jaar geleden ondenkbaar waren. Wat we hebben aangetoond is dat 3D-printen nu het punt van geometrische nauwkeurigheid heeft bereikt waarop het in staat is om de uitkomst van stamceldifferentiatie te controleren. En daarmee stimuleren we de regeneratieve geneeskunde om verder te groeien met het versnelde tempo van de additieve productie-industrie,” aldus hoofdonderzoeker assistent-professor Javier G. Fernandez van SUTD.
“Het gebruik van 3D-printen in de biologie is sterk gericht geweest op het printen van kunstmatige weefsels met behulp van cellen geladen cellen, om kunstmatige organen ‘stuk voor stuk’ te bouwen. Nu hebben we aangetoond dat 3D-printen het potentieel heeft om te worden gebruikt in een bio-geïnspireerde benadering waarin we cellen kunnen controleren om te groeien in een lab net zoals ze in vivo groeien,” voegde eerste auteur Rupambika Das, PhD-student van SUTD.