Yenilikçi yüksek verimli biyobaskı tekniği, yüksek hücre yoğunluğuna sahip dokuların geniş ölçekte üretiminin önünü açıyor.
Üç boyutlu (3D) biyobaskı, tıp bilimlerinde önemli bir ilerleme kaydederek yalnızca nakil için değil, aynı zamanda hastalık modelleme ve ilaç taraması için de fonksiyonel dokuların üretilmesini kolaylaştırma potansiyeli sunmaktadır. Hücrelerin mekânsal olarak hassas bir şekilde yerleştirilmesi, doku onarımı ve rejenerasyonu yönlendirmek için çok önemlidir. Ancak, hücrelerin bir hidrojel bioink içinde kapsüllenmesini içeren standart biyobaskı yaklaşımı, büyük sınırlamalarla karşı karşıyadır. Önemli bir zorluk, etkili doku onarımı ve yenilenmesi için gerekli olan fizyolojik olarak ilgili hücre yoğunluklarına (100-500 milyon hücre/mL) ulaşmaktır. Mevcut biyobaskı teknikleri, yerel dokularda görülen yüksek hücre yoğunluklarına ulaşmakta zorlanmaktadır.
Örneğin, ekstrüzyon tabanlı biyobaskı (EBB) daha yüksek yoğunlukları destekler, ancak genellikle kesme stresi nedeniyle hücre canlılığını olumsuz etkiler. Mürekkep püskürtmeli biyobaskı, düşük viskoziteli bioinkler nedeniyle hücre yoğunluğunu sınırlar. Lazer destekli biyobaskı yavaş olup diğer yöntemlere göre daha düşük hücre canlılığı sunar ve genellikle daha büyük dokular için uygun değildir. Işık tabanlı biyobaskı, fotokürlenebilir bioinklerin etkili kürlenmesi için genellikle daha düşük hücre yoğunlukları gerektirir. Mikrovalf biyobaskı, dar bir viskozite ve hücre yoğunluğu aralığıyla sınırlıdır ve tıkanma riskini artırır. Bu sınırlamalar, işlevsel dokuların geliştirilmesinde başarıyı engeller.
Bu zorluklara yanıt olarak, doku sferoidleri umut verici bir alternatif olarak görülmektedir. Sferoidler, doku biyofabrikasyonunda doğal benzeri hücre yoğunluğu, hücreler arası etkili iletişim ve önemli seviyelerde ekstrasellüler matris (ECM) bileşenleri salgılama yetenekleri gibi avantajlar nedeniyle kullanılmaktadır. Ancak, mevcut biyobaskı tekniklerinin çoğu, sferoidlerin ölçeklenebilir üretimini sınırlayan zorluklarla karşı karşıyadır.
Bu çalışmada, 3D sferoid biyobaskısında uzun süredir devam eden bir soruna çözüm getiriyor ve “HITS-Bio” (Yüksek Verimli Entegre Doku Üretim Sistemi) adı verilen bir teknolojiyi tanıtıyoruz. HITS-Bio, sferoidlerin hızlı ve ölçeklenebilir doku üretimi için biyobaskısında önemli bir ilerleme sunmaktadır. Bu teknik, bir dijital kontrollü nozül dizisi (DCNA) kullanarak birkaç sferoidin aynı anda desenlenmesi ve mekânsal olarak dağıtılması yoluyla yüksek throughput ile ölçeklenebilir dokuların üretimine olanak tanır.
Penn State’den bir araştırma ekibi, hücre kümeleri olan sferoidleri kullanarak karmaşık doku oluşturabilen yenilikçi bir biyobaskı tekniği geliştirdi. Bu yeni teknik, doku üretiminin hassasiyetini ve ölçeklenebilirliğini artırarak mevcut yöntemlerden 10 kat daha hızlı doku üretimi sağlıyor. Araştırmacılar, bu tekniğin fonksiyonel doku ve organ geliştirme ile rejeneratif tıp alanında ilerlemeye kapı açtığını belirtti.
Araştırma bulguları Nature Communications dergisinde yayımlandı.
İbrahim T. Özbolat, bu tekniğin sferoidlerin hızlı biyobaskısında önemli bir ilerleme temsil ettiğini ve mevcut yöntemlere kıyasla çok daha hızlı bir şekilde yüksek hücre canlılığı ile dokuların yüksek verimli bir şekilde biyobaskısını mümkün kıldığını dile getirdi.
Biyobaskı, araştırmacıların canlı hücreler ve diğer biyomalzemelerden 3D yapılar inşa etmesini sağlıyor. Canlı hücreler, hidrojel gibi bir alt tabaka içinde biyomürekkep haline getirilir ve özel bir yazıcı kullanılarak katmanlar halinde basılır. Bu hücreler büyür ve çoğalır, birkaç hafta içinde 3D dokuya dönüşür. Özbolat, bunu hücrelerin tuğla ve biyomürekkebin çimento ya da harç olduğu bir tuğla duvar inşa etmeye benzeterek açıkladı.
Ancak, standart yöntemle insan vücudunda bulunan hücre yoğunluğuna ulaşmak zordur. Bu hücre yoğunluğu, hem işlevsel hem de klinik ortamlarda kullanılabilecek dokular geliştirmek için gereklidir. Öte yandan, sferoidler, insan dokusuna benzer bir hücre yoğunluğuna sahip oldukları için doku biyobaskısı için umut verici bir alternatif sunar.
3D baskı sferoidleri, gerekli yoğunluğu sağlamak için uygun bir çözüm sunsa da, araştırmacılar ölçeklenebilir tekniklerin eksikliği nedeniyle sınırlı kalmıştır. Mevcut biyobaskı yöntemleri, baskı sürecinde genellikle hassas hücresel yapılara zarar vererek bazı hücrelerin ölümüne yol açar. Diğer teknolojiler ise karmaşıktır ve insan dokusunun replikalarını oluşturmak için gerekli olan sferoidlerin hareketini ve yerleşimini hassas bir şekilde kontrol etme imkanı sunmaz ve süreçler yavaştır. Daha önce yayımlanan araştırmalarda, Özbolat ve meslektaşları, aspirasyon destekli bir biyobaskı sistemi geliştirdi. Araştırmacılar, bir pipet ucu kullanarak küçük hücre toplarını alıp, kendiliğinden bir araya gelip katı bir doku oluşturabilecekleri yerlere hassas bir şekilde yerleştirebildi. Ancak bu teknik, sferoidleri birer birer hareket ettirdiği için bir santimetreküp yapı oluşturmak günler alabiliyordu.
Bu sorunları çözmek için ekip, Yüksek Verimli Entegre Doku Üretim Sistemi (HITS-Bio) adını verdikleri yeni bir teknik geliştirdi. HITS-Bio, birden fazla nozülün üç boyutta hareket ettiği dijital kontrollü bir nozül dizisi kullanır ve araştırmacıların aynı anda birden fazla sferoidi manipüle etmesine olanak tanır. Ekip, nozülleri 4×4 bir dizi halinde düzenleyerek 16 sferoidi aynı anda alıp, biyomürekkep alt tabakasına hızlı ve hassas bir şekilde yerleştirebildi. Nozül dizisi ayrıca, karmaşık doku yapılarında bulunan mimariyi oluşturmak için özelleştirilmiş desenlerde sferoidler alabilir ve bu desenler tekrarlanabilir.
“Bu sayede ölçeklenebilir yapılar çok hızlı bir şekilde oluşturabiliyoruz,” dedi Özbolat. “Bu yöntem, mevcut tekniklerden 10 kat daha hızlıdır ve %90’dan fazla hücre canlılığını korur.”
Platformu test etmek için ekip, kıkırdak dokusu üretmeye odaklandı. Kıkırdak oluşturabilen yaklaşık 600 sferoidden oluşan bir santimetreküp yapı ürettiler. Süreç, mevcut biyobaskı teknolojilerinin kapasitesini aşan bir hızla, 40 dakikadan az sürdü.
Ekip, ardından bu biyobaskı tekniğinin cerrahi bir ortamda talebe bağlı doku onarımı için kullanılabileceğini gösterdi. Sferoidleri bir ameliyat sırasında kafatasındaki bir yara bölgesine doğrudan bastılar. Bu, sferoidlerin intraoperatif olarak basıldığı ilk seferdi. Araştırmacılar, sferoidlerin kemik dokusuna dönüşmesini sağlamak için mikroRNA teknolojisini kullandılar. MikroRNA, hücrelerdeki gen ifadesini kontrol etmeye yardımcı olur ve hücrelerin belirli türlere dönüşmesini sağlar.
“Bu teknikle hücreleri yüksek dozlarda verdiğimiz için kemik onarımı hızlandı,” dedi Özbolat. Üç hafta sonra yara %91 oranında iyileşti ve sadece altı hafta sonra bu oran %96’ya ulaştı.
HITS-Bio tekniği, karmaşık ve işlevsel dokuların ölçeklenebilir bir şekilde üretilmesi için bir fırsat sunuyor, dedi Özbolat. Nozül sayısının artırılması, karaciğer gibi organlar ve organ dokuları gibi daha büyük ve karmaşık dokuların üretimine olanak tanıyabilir.
Özbolat, ekibin ayrıca kan damarlarını üretilen dokulara entegre etmek için teknikler üzerinde çalıştığını belirtti. Bu, klinik olarak kullanılabilecek veya nakil için uygun daha fazla doku türü üretilmesi için gerekli bir adımdır. Bu çalışmada gösterilen iki uygulama için bu bir sorun teşkil etmedi çünkü kıkırdak kan damarı içermez ve cerrahi ortamda çevredeki kan damarları biyobaskılı kemik dokusuna kan akışını sağlayabilir.
Diğer Penn State yazarları arasında: biyomedikal mühendislik doktora öğrencisi Myoung Hwan Kim; mühendislik bilimi ve mekanikleri alanında doktora sonrası araştırmacılar Yogendra Pratap Singh ve Miji Yeo; Nanoterapötikler ve Rejeneratif Tıp alanında Dorothy Foehr Huck ve J. Lloyd Huck Kürsüsü sahibi Daniel Hayes; ve Penn State Tıp Fakültesi’nde beyin cerrahisi profesörü Elias Rizk yer almaktadır. Çalışma sırasında mühendislik bilimi ve mekanikleri alanında doktora öğrencisi olan yazar Nazmiye Çelik, şu anda Johns Hopkins Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapmaktadır.
Bu çalışma, Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomühendislik Enstitüsü ve Ulusal Diş ve Kraniofasiyal Araştırma Enstitüsü tarafından finanse edilmiştir.
Referans
High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication