Kolmiulotteisen soluviljelyn kehitys luo pohjaa uusille ja innovatiivisille tutkimusasetelmille. Parhaassa tapauksessa 3D kudosmallit voisivat jopa korvata eläinmallit joillakin tutkimusalueilla. Nämä tekniikat voivat olla myös avainasemassa sekä henkilökohtaisen että regeneratiivisen lääketieteen kehityksessä. Uusien, innovatiivisten ja entistä edullisempien kudostulostinten kehitys madaltaa raja-aitoja entistä monimutkaisempien ja luonnollisia kudoksia muistuttavien rakenteiden luomiseksi.
Kudosten tulostaminen eli ”biotulostus”
Tulostusta varten käytettävät solut yhdistetään sopivaan tukimateriaaliin eli ns. biomusteeseen. Sopiva materiaali valitaan sekä solutyypin että halutun kudoksen ja sen toivottujen ominaisuuksien mukaan. Solujen täytyy kyetä kasvamaan, jakautumaan ja liikkumaan k.o. tukiaineessa. Tyypillisessä biotulostustekniikassa solut ja biomuste yhdistetään steriilissä ruiskussa ja puristetaan sitten ulos kapean suulakkeen tai neulan läpi. Tulostusprosessia ohjaa kolmiulotteinen ”pohjapiirros” (.stl tai .gcode tiedosto), joka antaa ohjeet tulostukseen kerros kerrokselta. Yksinkertaisimmillaan mallit voivat olla esimerkiksi pisaramaisia ”dropletteja”, jolloin suulakkeesta puristeaan ulos vain sopivan kokoinen annos solu-biomuste -seosta. Tällaiset mallit ovatkin erittäin näppäriä, kun halutaan tutkia esimerkiksi solujen välisiä vuorovaikutuksia tai migraatiota tukiaineessa, tai halutaan luoda suuria toistosarjoja ”kudosmallia”.
Kuva 1. HepG2 -solut alginaatissa tulostettuna 5×5 mm neliönmuotoiselle alueelle 24-kuoppalevylle. Seitsemäntenä päivänä otetuista kirkaskenttäkuvista voidaan havaita solujen hyvä elinkyky: solut lisääntyivät muodostaen pyöreitä tunnelimaisia joukkoja. Lisäksi tyypillisien hepatosyytteihin liittyvien piirteiden kuten sappikanalikulien muodostumista on havaittavissa. ABCC2 (MRP2) immunomarkkeria käytettiin havainnollistamaan näitä rakenteita (Vihreä=ABCC2 ja sininen=tuma). Cellinkin alginaattipohjainen biomuste on niin läpinäkyvää, että immunovärjäykset ja solujen visualisointi koko k.o. rakenteesta on mahdollista. (Kuvat ovat Cellinkin sivuilta )
Tulostetut ja kolmiulotteisesti kasvatettujen solujen morfologia on usein hyvin samankaltainen kuin natiivien solujen luontainen morfologia (Kuva 1.). Samoin myös geenien ilmentymisprofiilit muistuttavat enemmän luontaista tilaa kuin 2-ulotteisesti kasvatetuilla vastineillaan. Tämä voi johtua siitä, että solut voivat sekä kasvaa, liikkua että vuorovaikuttaa kolmiulotteisesti kaikkiin suuntiin saaden samalla tuen kasvulleen sopivasta tukimateriaalista. Lisäksi itse biomuste voi edesauttaa solujen kasvua ja toimintaa sisältäen esimerkiksi kyseiselle solutyypille sopiva soluväliaineen molekyylejä. Kolmiulotteinen kudostulostaminen antaa tutkijalle mahdollisuuden esimerkiksi luoda omia uniikkeja malleja, tehdä lääkeaineseulontoja 3D kasvatuksilla ja kasvattaa esimerkiksi organoideja, tumoroideja ym. luotettavasti toistettavalla tavalla.
Kuinka päästä alkuun?
Tavallisia 3D tulostimia ei voi käyttää kudostulostukseen, sillä ne on suunniteltu aivan toisentyyppisten materiaalien tulostamiseen (esimerkiksi eri muovilaadut) eivätkä ne myöskään olisi riittävän steriilejä elävien solujen tulostamiseen. Siispä tarvitaan juuri tätä käyttötarkoitusta varten suunniteltu laite. Lisäksi tarvitaan kiinnostuksen kohteena olevalle solutyypille sopiva tukimateriaali eli biomuste. Helppo tapa kokeilla biomusteen soveltuvuutta omille soluille on tilata sopivaa ainetta valmistajalta ja kokeilla solujen kasvatusta siinä. Yleensä solut sietävät hyvin itse tulostusprosessin, joten jos solut ”viihtyvät” biomusteessa hyvin jo alkutestissä voi levollisin mielin siirtyä tulostamaan.
Tuoreimman sukupolven kudostulostimet ovat hyvin käyttäjäystävällisiä: sisäänrakennettu tietokone, kosketusnäyttö, helposti lähestyttävä käyttöliittymä, valmiit tulostuskaavat ja hyvä tuki tarjoavat miellyttävän ja helpon käyttökokemuksen. Myös biotulostusyhteisön tukea on saatavilla verkosta: esimerkiksi Bioverse -sivustolla voi jakaa omia tai ladata toisten tekemiä tulostemalleja, kysyä kysymyksiä ja jakaa julkaisuja (THE 3D BIOPRINTING COMMUNITY). Mallien luomisessakin pääse helposti alkuun ”matalan kynnyksen” CAD -ohjelmilla, kuten vaikkapa TinkerCAD:lla.
Biomusteen valinta
Periaatteessa voit tulostaa mitä vain, joka vain voidaan pusertaa ulos ruiskun suulakkeesta. Useimmiten valitaan jokin hydrogeeli, jossa solut viihtyvät. Biomusteen kemialliset ominaisuudet, tulostuspaine, lämpötila, suulakkeen koko ym. tekijät vaikuttavat kuitenkin tulostettavuuteen, ja nämä tekijät on hyvä huomioida tulostettaessa erilaisia rakenteita. Usein helpoin tapa aloittaa onkin valita jo joku kaupallinen ja hyvin testattu biomuste. Näille on yleensä olemassa jo valmiita käyttöohjeita, joilla pääsee hyvin liikenteeseen (Lisää biomusteista). Eri solu- & kudostyypeille on olemassa erilaisia juuri niille suunnattuja vaihtoehtoja (iho, kasvaimet, verisuonitus, luu, maksa, hermosolut, suolisto jne.)
Kudoksiin voi tulostaa verisuonitusta
Suuremmat kudokset vaativat käytännössä verisuoniston tai ainakin jonkinlaiset kanavat, jotta solujen riittävä ravintoaineiden saanti, kaasujen vaihto ja metaboliajätteiden poisto voidaan taata. Tulostettaviin kudoksiin voidaan luoda verisuonimaisia kanavia käyttämällä ns. ”uhrattavia” tai ehkä paremmin sanottuna pois huuhdeltavia biomusteita. Alla olevassa videossa käytetään esimerkiksi Cellinkin VasKit:iä, jossa itse kudos tulostetaan normaalilla biomusteella ja kanavien luomiseen käytetään Pluronics -materiaalia. Pluronics muuttuu jähdytettäessä nestemäiseksi, jolloin se voidaan huuhdella pois, ja itse kudoksen sisälle jäävät verisuonimaiset kanavat esimerkiksi perfuusiota varten.
Kiinnostuitko? Ota meihin yhteyttä ja varaa aika Cellink Bio X demoon kokeillaksesi omin käsin!