IMAGE: Sztuczne ciała embrionalne o różnych cechach, które zostały wykonane przy użyciu druku 3D. zobacz więcej
Credit: SUTD
Wszyscy ludzie zaczynają od pojedynczej komórki, która następnie dzieli się, aby ostatecznie utworzyć embrion. W zależności od sygnałów wysyłanych przez sąsiednie komórki, te podzielone komórki są następnie rozwijane lub różnicowane w określone tkanki lub narządy.
W medycynie regeneracyjnej, kontrolowanie tego różnicowania w laboratorium jest kluczowe, ponieważ komórki macierzyste mogą być różnicowane w celu umożliwienia wzrostu narządów in vitro i zastąpienia uszkodzonych dorosłych komórek, szczególnie tych o bardzo ograniczonych zdolnościach do replikacji, takich jak mózg lub serce.
Jednym z powszechnych podejść, jakie przyjmują naukowcy podczas różnicowania komórek macierzystych, jest stosowanie chemicznych stymulatorów. Podczas gdy ta metoda jest bardzo skuteczna w tworzeniu jednego typu komórek, brakuje jej zdolności do odtworzenia złożoności żywych organizmów, gdzie kilka typów komórek współistnieje i współpracuje w celu utworzenia organu.
Alternatywnie, zainspirowana naturalnym procesem rozwoju komórek, inna metoda obejmuje pakowanie komórek macierzystych w małe agregaty komórkowe lub kule zwane ciałami embrionalnymi. Podobnie jak w prawdziwych embrionach, interakcja komórka-komórka w ciałach embrionalnych jest głównym motorem różnicowania. Na podstawie produkcji tych ciał embrionalnych stwierdzono, że parametry takie jak liczba komórek, rozmiar i kulistość ciała embrionalnego wpływają na typy komórek, które są produkowane.
Jednakże, ponieważ naukowcy nie byli w stanie kontrolować tych parametrów, musieli mozolnie produkować duże ilości ciał embrionalnych i wybierać konkretne z odpowiednimi cechami do badań.
Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy z Singapore University of Technology and Design (SUTD) zwrócili się do produkcji addytywnej, aby kontrolować różnicowanie komórek macierzystych w ciałach embrionalnych. Ich badania zostały opublikowane w Bioprinting.
Przyjmując multidyscyplinarne podejście poprzez połączenie dziedzin badawczych wytwarzania 3D i nauk przyrodniczych, doktorantka Rupambika Das i adiunkt Javier G. Fernandez wydrukowali 3D kilka mikroskalowych urządzeń fizycznych o precyzyjnie dostrojonej geometrii. Wykorzystali te urządzenia do zademonstrowania bezprecedensowej precyzji w ukierunkowanym różnicowaniu komórek macierzystych poprzez tworzenie ciał embrionalnych (patrz zdjęcie). W swoim badaniu z powodzeniem regulowali parametry zwiększające produkcję kardiomiocytów, komórek, które znajdują się w sercu.
„Dziedzina produkcji addytywnej rozwija się w niezrównanym tempie. Widzimy poziomy precyzji, szybkości i kosztów, które były niewyobrażalne zaledwie kilka lat temu. To, co pokazaliśmy, to fakt, że druk 3D osiągnął punkt geometrycznej dokładności, w którym jest w stanie kontrolować wynik różnicowania komórek macierzystych. I w ten sposób napędzamy medycynę regeneracyjną do dalszego postępu wraz z przyspieszonym tempem przemysłu produkcji addytywnej,” powiedział główny badacz, adiunkt Javier G. Fernandez z SUTD.
„Zastosowanie druku 3D w biologii było silnie skoncentrowane na drukowaniu sztucznych tkanek przy użyciu komórek, aby zbudować sztuczne organy 'kawałek po kawałku’. Teraz pokazaliśmy, że druk 3D ma potencjał, aby być wykorzystywany w podejściu inspirowanym biologią, w którym możemy kontrolować komórki, aby rosły w laboratorium tak, jak rosną in vivo,” dodał pierwszy autor Rupambika Das, doktorant z SUTD.
.