Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures

医師が損傷した臓器を修復したり、失われた皮膚を補ったりするために、生きた組織をプリントできる未来を想像してみてください。このビジョンは、バイオプリンティングと呼ばれる技術に基づいています。これは、科学者が特殊な機械を使用して、生きた細胞を支持体となるゲルと混ぜた微細な液体の流れを絞り出す手法です。目標は、人体の複雑な組織を模倣した構造物を構築することです。しかし、この混合物を細いノズルから押し出すプロセスでは、「せん断応力」として知られる強力な物理的力が生じます。この力を、歯磨き粉のチューブを絞る時に感じる圧力に例えてみてください。強く、速く絞れば絞るほど、中身はチューブの壁に対してこすられ、引き伸ばされます。繊細で脆弱な生きた細胞にとって、この摩擦は有害である可能性があり、細胞を死に至らせたり、構造物が完成した後の機能能力を損なわせたりする可能性があります。これらの細胞がどの程度の力まで耐えられるのかを正確に理解することは、科学者が信頼できる生きた組織を作りたいと願う上で不可ло不可欠です。

ある研究チームは、血管細胞と乳腺組織細胞という、共に働く2種類のヒト細胞に対して、この絞り出す力がどのように影響するかを測定し、予測することに着手しました。これを行うために、彼らは単に細胞をプリントして結果を待つのではなく、プリンター内部で何が起きているかを観察し、計算し、テストするための完全なシステムを構築しました。まず、彼らは細胞を保持するために使用されるゼラチンメタクロイルと呼ばれる、ゼリー状の厚みのある物質を研究しました。彼らはこの材料を2種類の異なる濃度と温度でテストし、それがどのように流れるかを確認しました。その結果、材料の挙動は、厚みのある液体がどのように動くかを予測する数学的モデルによって記述できることが分かり、これにより、実際の細胞に触れる前に、コンピュータ上でプリンティング・プロセスをシミュレーションすることが可能になりました。

コンピュータによるシミュレーションの正確性を確保するため、研究者たちは高速カメラを使用して、流れるゲル内の微粒子がどのように動いているかを観察し、デジタルによる予測が現実世界の動きと一致していることを確認しました。この信頼できるモデルを手に、彼らは細胞そのものに注意を向けました。彼らは、2種類の細胞の混合物を異なる圧力と濃度でゲルの中にプリントしました。その結果、プリンティングの条件と細胞の健康状態との間には、複雑な関係があることが明らかになりました。細胞をより弱いゲルの中に、より低い温度でプリントした際、直後の経過において細胞死の上昇が見られました。興味深いことに、より強いゲルは、より弱いゲルと比較して高いせん断応力のレベルを示しましたが、それによって細胞が即座に死滅するという事態は引き起こしませんでした。

しかし、物語はプリンティングが停止した瞬間に終わったわけではありません。研究者たちは、プリントされた構造物を1日間放置し、細胞がどのように回復するかを観察しました。彼らは、プリンティングによる低レベルのストレスであっても、遅延的な影響があることを発見しました。プリンティング中に使用される圧力が上昇するにつれて、わずか1日後の細胞死の数は増加しました。このことは、細胞がプリンティングの物理的な力に対して、すぐには目に見えない方法で敏感であることを示唆しています。この研究は、これらの影響を予測するための確かな手法を提供しており、コンピュータ・モデリングと注意深い観察を組み合わせることで、科学者が生きた組織プリントの未来を形作る「隠れた力」をより良く理解できることを示しています。