Przełom w nieinwazyjnych technikach medycznych! Nowa metoda druku 3D w żywym organizmie

Naukowcy z Belgii, Chin i Stanów Zjednoczonych opracowali bardzo nietypową technikę drukowania 3D, która umożliwia drukowanie na żywym organizmie. Nieinwazyjne podejście in situ różni się od typowych form biodruku, w których struktury żywych komórek są wytwarzane poza organizmem w laboratorium, a następnie wszczepiane pacjentowi. Głównym celem nowego podejścia w druku 3D jest minimalizacja inwazyjnych technik w celu obniżenia stresu pacjenta oraz przyspieszenia regeneracji po zabiegu. Badacze zaprezentowali tutaj technologię drukowania 3D opartą na cyfrowej fotopolimeryzacji w bliskiej podczerwieni (NIR) przy 980 nm, która umożliwia nieinwazyjne 3D in vivo.

Zespół odkrył, że można zastosować formę światła bliskiej podczerwieni (NIR) przy 980 nm, która mogłaby zostać wykorzystana do fotopolimeryzacji (DNP) przy użyciu odpowiedniego rodzaju biokompatybilnej żywicy. W rzeczywistości żywica zawiera wyspecjalizowane fotoinicjatory, które przekształcają światło 980 nm w światło 365 nm, które umożliwia zajście procesu polimeryzacji.

Rysunek 1. Schemat chemiczny nieinwazyjnego biodruku opartego na DNP. Informacje o zaprojektowanym modelu w CAD zostają wysłane do układu DMD. Promieniowanie NIR 980 nm zostaje przeprowadzone przez soczewki trafiając w biotusz, który został wstrzyknięty do żywego organizmu w celu nieinwazyjnego wytworzenia tkanki. Biotusz zawiera nanocząstki UCNP @ LAP, które mogą przekształcić promieniowanie w bliskiej podczerwieni NIR w promieniowanie UV o długości 365 nm, wywołując polimeryzację monomerów.

Powszechnie stosowanym źródłem światła przy fotopolimeryzacji jest światło UV. Jednakże, światło UV zawsze uszkadza komórki, a jego zdolność do penetracji tkanek jest ograniczona, co prowadzi do ograniczenia w drukowaniu biologicznym.  Materiał, jakim jest UCNP, może przekształcić NIR w UV w celu indukcji fotopolimeryzacji.

W tym badaniu zaprojektowano powlekaną LAP nanocząstkę UCNP jako nanoinicjator polimeryzacji indukowanej przez NIR. LAP może skutecznie absorbować fotony UV emitowane z UCNP pod wpływem promieniowania NIR. Szkodliwego wpływu emisji UV na komórki można uniknąć dzięki UCNP @ LAP, który emituje głównie światło widzialne.

Stwierdzono, że metoda DNP może szybko wydrukować pochodzące z GelMA struktury hydrożelowe metodą warstwa po warstwie, a czas drukowania warstwy o grubości 200 mm wynosi około 15 sekund. W celu weryfikacji precyzji wykonano biodruk różnych złożonych struktur 3D takich, jak kratownica, ciasto lub „kształty przypominające kwiaty”.

Rysunek 2. Obrazy skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) wytworzonych struktur, w tym trzy pierścieniowe o malejących szerokościach, ciastko oraz kratownice.

Powstawanie warstw polega na nakładaniu warstwy o grubości 200 μm, a następnie naświetlaniu jej światłem NIR. Po całkowitym wydrukowaniu pierwszej warstwy, platforma została przesunięta w dół o 200 μm. Ponownie nałożono kolejną porcję biotuszu i wystawiono na działanie światła NIR, tworząc wydruk zgodny ze wzorem drugiej warstwy. Tę procedurę powtarzano aż do uzyskania konstrukcji wielowarstwowej.

Zastosowania w regeneracji tkanek

Precyzja dotychczasowych wydruków umożliwiła dalsze badania pod kątem drukowania na żywym organizmie. Zajęto się rekonstrukcją ucha u myszy, ponieważ wada uszka spowodowana wadą wrodzoną lub urazami jest jedną z najbardziej powszechnych deformacji. Tego typu deformacje u ludzi mogą krytycznie wpływać na psychiczne i fizjologiczne samopoczucie pacjentów. Proces nieinwazyjny jest bardzo pożądany zarówno przez pacjentów, jak i lekarzy. W badaniach naukowcy przeprowadzili próbę wykorzystania procesu DNP do nieinwazyjnego przygotowania in vivo dostosowanego żywego konstruktu przypominającego ucho, które przedstawione zostało na rysunku 3.

Rysunek 3. Wydruk ucha na myszy, po prawej wydruk ucha po 1 miesiącu.

W dalszych badaniach przeprowadzono nieinwazyjny biodruk 3D in vivo. Biotusz zawierający chondrocyty wstrzyknięto podskórnie myszom i oświetlono NIR, tworząc dedykowany kształt ucha. Dwadzieścia sekund później konstrukcja w kształcie ucha została nieinwazyjnie wydrukowana in vivo, co zostało przedstawione na rysunku 3 po lewej stronie. Dodatkowo, po miesiącu kształt ucha konstruktu został zachowany.

W dalszej części badań w publikacji pochylono się nad zastosowaniem rozwiązania w naprawie wadliwych tkanek. Wady tkankowe lub urazy często powodują niepełnosprawność lub śmierć. Lokalne dostarczanie komórek macierzystych takich, jak komórki macierzyste pochodzące z tkanki tłuszczowej (ASC), może sprzyjać regeneracji tkanek.

Rysunek 4. Bio - wydruki pod skórą (po lewej grupa kontrolna, po prawej grupa leczona).

Na przedstawionym rysunku przedstawiono proces tworzenia tkanki mięśniowej. Wypełnione ASC rusztowanie o trójkątnym kształcie 8 mm zostało nieinwazyjnie wydrukowane metodą DNP in situ. Po 10 dniach grupa leczona wykazała znaczną poprawę w zamykaniu ran w porównaniu z grupą kontrolną. Wskazuje to na to, że wypełnione ASC rusztowanie konformalne może przyspieszyć gojenie się ran. Zbadano również, że leczenie nie spowodowało znacznej toksyczności ogólnoustrojowej in vivo. Dlatego nieinwazyjny biodruk 3D in vivo oraz wypełnione komórkami rusztowania in situ mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w naprawie tkanek w leczeniu urazów zamkniętych.

Stosując wyżej opisaną technikę, wystarczy seria mało inwazyjnych wstrzyknięć materiału dla każdej warstwy. Przeprowadzono eksperyment poprzez zastosowanie tej metody na ośmiotygodniowych myszach. Bez implantacji chirurgicznej z powodzeniem wytworzono niestandardowe konstrukty żywej tkanki w ciele. Ta praca otwiera nowe możliwości badań nad drukiem 3D i posuwa naprzód dziedzinę medycyny nieinwazyjnej.

Nowy system opracowany przez naukowców jest podstawą do dalszych badań w celu m. in. ustalenia z jakich materiałów możemy drukować i w jakich miejscach podskórnych możemy tej metody używać.

Film przedstawiający nieinwazyjną  metode biodruku 3D  in vivo:

[Źródło / obrazy: „Noninvasive in vivo 3D bioprinting”  /video:  Professor Maling Gou, State Key Laboratory of Biotherapy and Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University.