IMAGE: Konstgjorda embryokroppar med olika egenskaper som tillverkades med hjälp av 3D-utskrift. visa mer
Kredit: SUTD
Alla människor börjar från en enda cell som sedan delar sig för att slutligen bilda embryot. Beroende på de signaler som sänds från de intilliggande cellerna utvecklas eller differentieras dessa delade celler sedan till specifika vävnader eller organ.
I den regenerativa medicinen är det avgörande att kontrollera denna differentiering i laboratoriet, eftersom stamceller kan differentieras för att möjliggöra odling av organ in vitro och ersätta skadade vuxna celler, särskilt sådana med mycket begränsad förmåga att replikera sig, till exempel hjärnan eller hjärtat.
Ett vanligt tillvägagångssätt som forskarna använder sig av när de differentierar stamceller är genom att använda kemiska stimulatorer. Även om denna metod är mycket effektiv för att skapa en enda typ av celler saknar den förmåga att reproducera komplexiteten hos levande organismer, där flera celltyper samexisterar och samarbetar för att bilda ett organ.
Alternativt, inspirerad av den naturliga processen för cellutveckling, innebär en annan metod att stamceller packas ihop till små cellaggregat, eller sfärer som kallas embryokroppar. I likhet med riktiga embryon är interaktionen mellan celler och celler i embryokroppar den viktigaste drivkraften för differentiering. Från produktionen av dessa embryokroppar fann man att parametrar som cellantal, storlek och sfäriskhet hos embryokroppen påverkade vilka typer av celler som produceras.
Men eftersom forskarna inte har kunnat kontrollera dessa parametrar har de varit tvungna att mödosamt producera ett stort antal embryokroppar och välja ut specifika med lämpliga egenskaper som ska studeras.
För att ta itu med denna utmaning vände sig forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) till additiv tillverkning för att kontrollera stamcellsdifferentieringen i embryokroppar. Deras forskningsstudie har publicerats i Bioprinting.
Med ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt genom att kombinera forskningsområdena 3D-tillverkning och biovetenskap har doktoranden Rupambika Das och biträdande professorn Javier G. Fernandez 3D-printade flera fysiska enheter i mikroskala med finjusterade geometrier. De använde enheterna för att demonstrera oöverträffad precision i den riktade differentieringen av stamceller genom bildandet av embryokroppar (se bild). I sin studie lyckades de framgångsrikt reglera parametrarna för att öka produktionen av kardiomyocyter, celler som finns i hjärtat.
”Området additiv tillverkning utvecklas i en oöverträffad takt. Vi ser nivåer av precision, snabbhet och kostnad som var otänkbara för bara några år sedan. Det vi har visat är att 3D-utskrift nu har nått den punkt av geometrisk noggrannhet där den kan styra resultatet av stamcellsdifferentiering. På så sätt driver vi den regenerativa medicinen framåt i samma snabba takt som den additiva tillverkningsindustrin”, säger huvudforskaren, biträdande professor Javier G. Fernandez från SUTD.
”Användningen av 3D-utskrift inom biologin har varit starkt fokuserad på utskrift av konstgjorda vävnader med hjälp av cellfyllda celler för att bygga konstgjorda organ ”bit för bit”. Nu har vi visat att 3D-utskrift har potential att användas i ett bioinspirerat tillvägagångssätt där vi kan styra celler så att de växer i ett labb precis som de växer in vivo”, tillägger den första författaren Rupambika Das, doktorand vid SUTD.