KUVA: Keinotekoisia alkionkappaleita, joilla on erilaisia ominaisuuksia ja jotka on valmistettu 3D-tulostamalla. view more
Credit: SUTD
Kaikki ihmiset saavat alkunsa yhdestä solusta, joka sitten jakautuu muodostaen lopulta alkion. Viereisten solujen lähettämistä signaaleista riippuen nämä jakautuneet solut kehittyvät tai erilaistuvat tietyiksi kudoksiksi tai elimiksi.
Regeneratiivisessa lääketieteessä tuon erilaistumisen hallinta laboratoriossa on ratkaisevan tärkeää, sillä kantasoluja voitaisiin erilaistaa siten, että ne mahdollistaisivat elinten kasvattamisen in vitro ja korvaisivat vahingoittuneita aikuisten soluja, erityisesti niitä, joilla on hyvin rajalliset kyvyt lisääntyä, kuten aivot tai sydän.
Yksi yleiseksi lähestymistavaksi tutkijat omaksuvat, kun he erilaistavat kantasoluja, kemiallisten stimulaattoreiden käytön. Vaikka tämä menetelmä on erittäin tehokas yhden ainoan solutyypin tuottamiseen, sillä ei pystytä jäljittelemään elävien organismien monimutkaisuutta, jossa useat solutyypit elävät rinnakkain ja tekevät yhteistyötä muodostaakseen elimen.
Vaihtoehtoisesti, solujen luonnollisen kehitysprosessin innoittamana, toinen menetelmä käsittää kantasolujen pakkaamisen pieniin soluaggregaatteihin tai palloihin, joita kutsutaan alkiokappaleiksi. Samoin kuin oikeissa alkioissa, solujen ja solujen välinen vuorovaikutus alkioidikappaleissa on tärkein erilaistumista edistävä tekijä. Näiden alkioidikappaleiden tuotannosta havaittiin, että sellaiset parametrit kuin solujen lukumäärä, koko ja pallomaisuus vaikuttavat tuotettujen solujen tyyppeihin.
Mutta koska tutkijat eivät ole pystyneet kontrolloimaan näitä parametreja, heidän on täytynyt tuottaa vaivalloisesti suuria määriä alkioidikappaleita ja valita tietyt, ominaisuuksiltaan sopivat kappaleet tutkittaviksi.
Tämän haasteen ratkaisemiseksi Singaporen teknologia- ja muotoiluyliopiston (SUTD) tutkijat kääntyivät additiivisen valmistuksen puoleen kontrolloidakseen kantasolujen erilaistumista alkionkappaleissa. Heidän tutkimuksensa julkaistiin Bioprinting-lehdessä.
Valitsemalla monitieteisen lähestymistavan yhdistämällä 3D-valmistuksen ja biotieteiden tutkimusalueet tohtoriopiskelija Rupambika Das ja apulaisprofessori Javier G. Fernandez 3D-tulostivat useita mikroskooppisia fyysisiä laitteita, joiden geometria on hienosäädetty. He käyttivät laitteita osoittaakseen ennennäkemättömän tarkkuuden kantasolujen ohjatussa erilaistumisessa alkionmuodostuksen avulla (ks. kuva). Tutkimuksessaan he onnistuivat säätelemään parametreja sydänlihassolujen, eli sydämessä esiintyvien solujen, tuotannon tehostamiseksi.
”Additiivisen valmistuksen ala kehittyy ennennäkemätöntä vauhtia. Näemme tarkkuuden, nopeuden ja kustannusten tasoja, jotka olivat käsittämättömiä vain muutama vuosi sitten. Olemme osoittaneet, että 3D-tulostus on nyt saavuttanut geometrisen tarkkuuden pisteen, jossa sillä voidaan hallita kantasolujen erilaistumisen lopputulosta. Näin edistämme regeneratiivista lääketiedettä entisestään additiivisen valmistusteollisuuden kiihtyvällä vauhdilla”, sanoi päätutkija, apulaisprofessori Javier G. Fernandez SUTD:stä.
”3D-tulostuksen käyttö biologiassa on keskittynyt vahvasti keinotekoisten kudosten tulostamiseen soluilla kuormitetuilla soluilla keinotekoisten elinten rakentamiseksi pala palalta. Nyt olemme osoittaneet, että 3D-tulostuksessa on potentiaalia käyttää sitä bioinspiroituneessa lähestymistavassa, jossa voimme ohjata soluja kasvamaan laboratoriossa aivan kuten ne kasvavat in vivo”, lisäsi ensimmäinen kirjoittaja Rupambika Das, tohtorikoulutettava SUTD:stä.