Tutkijat kehittivät uuden biomusteen kudosmallien 3D-tulostukseen

Turun yliopiston Biotekniikan osastolla toimiva Osteoimmunologian työryhmä ja Åbo Akademin Farmaseuttisten tieteiden laboratorion Biomateriaalien ja lääkevalmistuksen työryhmä ovat kehittäneet uudenlaista biotulostustekniikkaa luun kudosmallien tuottamiseksi.

Biotulostuksessa kantasoluja sisältävät kudosmallit voidaan tulostaa haluttuun kolmiulotteiseen muotoon.
 

Tutkijoiden kehittämä biotulostusmuste on kantasoluja sisältävää geeliä, josta voidaan 3D-tulostuksella valmistaa halutun muotoisia ja luonnollisen kaltaisia kudosmalleja.

Kyseessä on ensimmäinen emulsioperiaatteella toimiva biomuste, jolla on pystytty valmistamaan luukudosta. Tutkijoiden kehittämän biomusteen rakenne on luonnollisen huokoinen, materiaali sopivan jäykkä tulostukseen ja sen sisältämät aineet tarjoavat soluille rakennusmateriaalia, joista luuta voi muodostaa.

– Tekniikkamme on merkittävä edistysaskel, sillä vastaavia biomusteita ei ole ennen onnistuttu käyttämään tämänkaltaisten luurakenteiden tuotantoon, mutta kehittämämme materiaali toimii erinomaisesti tähän tarkoitukseen. Biomusteella voidaan tulostaa luonnollisen kaltaisia kudosmalleja farmakologiseen ja diagnostiseen testikäyttöön, mutta tulevaisuudessa on kiinnostavaa selvittää materiaalin soveltuvuutta myös regeneratiiviseen lääketieteeseen, kertoo Osteoimmunologian työryhmän johtaja dosentti Tuomas Näreoja.

Biotulostusmusteessa yhdistyvät tulostamisen mahdollistavat ominaisuudet ja ominaisuudet, jotka suojaavat ja ohjaavat herkkiä kantasoluja. Vaikka samoja biomateriaaleja voitaisiin soveltaa ihmisen kehon vioittuneiden osien korjaamiseen, kudosmalleissa niillä voidaan tutkia esimerkiksi sairauksien ja lääkeaineiden tai muiden hoitomuotojen vaikutuksia luustoon. Tässä täysin uudentyyppisessä biomusteessa on luotu kantasoluille ympäristö, jossa ne alkavat toimia samaan tapaan kuin sikiönkehityksen aikana.

─ Kudosmallien hyöty korostuu lääkekehityksen alkuvaiheissa, jolloin näissä malleissa voidaan tuottaa tietoa lääkkeen vaikutuksista ihmisen kudoksiin. Näin pystytään vähentämään eläinkokeisiin etenevien lääkeaihioiden määrää ja siten vähentämään tarvittavien eläinkokeiden määrää, kertoo Biomateriaalien ja lääkevalmistuksen työryhmän johtaja akatemiatutkija Xiaoju Wang.

─ Diagnostiikan kehityksessä kudosmalleja voidaan käyttää, kun selvitetään millaisia merkkiaineita luusolut erittävät reagoidessaan esimerkiksi keinonivelmateriaalien kanssa. Luun tuhoutumisesta kertovilla merkkiaineilla voidaan tunnistaa kehittyviä keinonivelkomplikaatiota jo ennen elämänlaatua haittaavien oireiden ilmenemistä, visioi dosentti Näreoja.

Biomuste ohjaa kantasoluja kehittymään rustoksi ja luukudokseksi

Arvostetussa Advanced Functional Materials -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa työryhmät valmistivat gelatiinista, pitkäketjuisesta sokerista ja nanoselluloosasta emulsion, johon voitiin sekoittaa kantasoluja ja tulostaa haluttuja rakenteita.

Turussa kehitetty luonnollisista biomateriaaleista koostuva kudosmallirakenne pystyi fyysisillä ja kemiallisilla ominaisuuksillaan ohjaamaan kantasolujen erilaistumista rustosoluiksi ja toiminnallisiksi luuta tuottaviksi soluiksi.

Erityisesti fosforyloidun nanoselluloosan pitoisuus oli tärkeää solujen toiminnan ohjaamisessa. Toinen merkittävä löydös tutkimuksessa oli rakennekomponenttien kyky sitoa luun muodostumisessa tarvittavaa kalsiumia. Tutkijat onnistuivat hallitsemaan luun muodostusta estävää ilmiötä kyllästämällä rakenteen kalsiumilla biotulostuksen yhteydessä.  

Tulosteen kovetuttua pitkäketjuiset sokerit liukenivat pois muodostaen tulosteelle huokoisen hienorakenteen. Hienorakenne mahdollisti solujen ravinteiden saannin, kasvun ja niiden liikkumisen toiminnallisiksi tiivistymiksi, jolloin luutumakkeiden syntyminen mahdollistui. Rakenne on verrattavissa luun kehityksen alussa havaittaviin rakenteisiin, joissa kantasolut kerääntyvät tiiviiksi palloksi ja alkavat ensin muodostaa rustoa, ja myöhemmin erilaistuvat luusolut muokkaavat seuraavassa vaiheessa ruston mineralisoituneeksi luuksi.

Vastaavia rakenteita on ennen pystytty muodostamaan vain eläinmalleissa kasvatetuissa siirteissä.

Värjätyissä luutumistumakkeissa ulkokerros on tummempaa tiheämpää luuta, jonka sisälle jää tilaa soluille, jotka muodostavat luuytimen.
 

Tutkimus “Bioprinting Macroporous Hydrogel with Aqueous Two-Phase Emulsion-Based Bioink: In Vitro Mineralization and Differentiation Empowered by Phosphorylated Cellulose Nanofibrils”  julkaistiin maaliskuussa arvostetussa Advanced Functional Materials -lehdessä.

Linkki artikkeliin