Dzięki biodrukowi 3D możliwe jest opracowywanie innowacyjnych rozwiązań i terapii w zakresie leczenia nowotworów, czego przykładem jest publikacja „A 3D-Bioprinted Vascularized Glioblastoma-on-a-Chip for Studying the Impact of Simulated Microgravity as a Novel Pre-Clinical Approach in Brain Tumor Therapy”. Naukowcy z zespołu Giulii Silvani stworzyli bardzo dokładny model glejaka wielopostaciowego na chipie mikroprzepływowym [1] przy użyciu biodruku 3D, a następnie poddali go działaniu mikrograwitacji [2], by wykazać szkodliwy wpływ stanu nieważkości na formowanie się guzów.

[1] Układ kanałów o przekroju rzędu mikrometrów umożliwiające precyzyjną kontrolę przepływu cieczy oraz miniaturyzację protokołów doświadczeń.
[2] Zjawisko stanu przestrzeni, w której panuje znikomo małe przyspieszenie grawitacyjne.

Od 2D do 3D

Biodruk 3D jako dziedzina nauki łącząca w sobie różne obszary medycyny i biotechnologii od kilku dziesięcioleci rewolucjonizuje inżynierię tkankową oraz implantologię. Jej ogromny potencjał leży w przeniesieniu analiz z poziomu hodowli komórek w monowarstwie (2D) do badań na strukturach przestrzennych podobnych pod względem fizjologicznym do żywych i funkcjonalnych tkanek oraz narządów. Dziś poznajemy kolejną odsłonę niesamowitego potencjału biodruku 3D w badaniach medycznych, które realnie zmieniają świat!

Mózg wydrukowany na szkle? Dlaczego nie?

Autorzy publikacji zmierzyli się z problemem utrudnionej biodostępności chemioterapeutyków do komórek glejaka, na którą wpływa integralność i przepuszczalność naczyń krwionośnych tworzących barierę krew-mózg. Biodruk 3D posłużył im do uzyskania złożonej struktury guza oraz auto-organizacji komórek w jego fizjologiczną architekturę, a system mikrofluidyczny umożliwił kontrolę nad siłami hydrodynamicznymi oraz lokalnymi właściwościami mechanicznymi nowotworu. Dzięki integracji tych dwóch technologii badaczom udało się  wiernie odwzorować mikrośrodowisko systemu naczyń krwionośnych mózgu pod względem chemicznym i mechanicznym.

Chip wykonany z PDMS’u [3] dzielił się na 3 przedziały: tkankowy, na który nadrukowano bezpośrednio guz składający się z komórek glejaka wielopostaciowego oraz komórek śródbłonka linii hCMEC/D3, naczyniowy, którego zadaniem miało być odtworzenie naturalnej bariery biologicznej [4] mózgu oraz dwa niezależne kanały mikroprzepływowe, które w przyszłości mogłyby posłużyć jako drogi doprowadzające medium hodowlane lub substancje terapeutyczne do guza. Po 24 godzinach inkubacji wykazano, że komórki glejaka zaczęły organizować się w sferoidy wokół rdzenia, co jest jak najbardziej pożądanym zjawiskiem w przypadku tego nowotworu, a także utrzymały swoją żywotność po 72 godzinach. Dodatkowo w każdej dobie powiększała się liczba sferoidów oraz ich rozmiary, a dalsze badania wykazały wytworzenie przez komórki linii hCMEC/D3 białka ZO-1 odpowiedzialnego za formację połączeń ścisłych, a zatem utworzenie nieprzepuszczalnej bariery krew-mózg, co tylko potwierdziło potencjał stworzonego modelu.

[3] Inaczej dimetykon, organiczny polimer z grupy silikonów stosowany m.in. do tworzenia mikrosystemów chemicznych (lab-on-a-chip).
[4] Naturalnie występująca bariera krew-mózg chroniąca tkanki mózgu przed potencjalnie szkodliwymi czynnikami chemicznymi i biologicznymi i utrzymująca homeostazę tkankową.

Glejak w kosmosie nie ma szans

Tak przygotowany chip poddano działaniu mikrograwitacji poprzez umieszczenie go w maszynie RPM (Random Positioning Machine) i inkubowano model w warunkach zmiennej orientacji w celu zbadania wpływu stanu nieważkości na nowotwór. Naukowcy wykazali, że mikrograwitacja co prawda nie wpłynęła negatywnie na żywotność komórek glejaka wielopostaciowego, jednakże wyraźnie obniżyła ich zdolność do agregacji oraz rozprzestrzeniania się poza obszar rdzenia guza. Udowodniono tym samym, że brak grawitacji zaburza podstawowe mechanizmy komórkowe glejaka. Wykazano również ograniczoną proliferację komórek glejaka wielopostaciowego, linii endotelialnej [5] oraz zmiany w ich morfologii, co świadczy o tym, że grawitacja determinuje fenotyp guza. Ponadto analiza na poziomie molekularnym potwierdziła obniżenie integralności bariery krew-mózg przez spadek ekspresji [6] białka ZO-1, upośledzając tym samym mechanizm powstawania połączeń ścisłych pomiędzy komórkami.

[5] Linia komórek śródbłonka naczyń krwionośnych.
[6] Analiza ilościowa i jakościowa białek wyprodukowanych przez komórki.

Perspektywa na przyszłość

Powyższy eksperyment pokazuje, że włączanie biodruku 3D do badań na nowotworach daje nadzieję na lepsze poznanie ich natury i fizjologii. Jego popularyzacja w środowiskach naukowych może przyczynić się do opracowania skutecznych spersonalizowanych terapii, a także do ograniczenia użycia modeli zwierzęcych w doświadczeniach, co ze względów etycznych jest jego ogromną zaletą. W przyszłości prawdopodobnie umożliwi drukowanie całych tkanek i narządów nie odbiegających funkcjonalnością od tych prawdziwych. Ta przyszłość nie wydaje się być tak odległa, gdy uświadomimy sobie, że biodruk 3D jest aktualnie używany do odtwarzania uszkodzonych elementów ciała pacjentów (np. rogówki), co diametralnie poprawia jakość ich życia.

Autor: Aysia Khan
Źródło: A 3D-Bioprinted Vascularized Glioblastoma-on-a-Chip for Studying the Impact of Simulated Microgravity as a Novel Pre-Clinical Approach in Brain Tumor Therapy