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

Stel je een toekomst voor waarin artsen levend weefsel kunnen printen om beschadigde organen te repareren of verloren huid te vervangen. Deze visie rust op een techniek genaamd bioprinting, waarbij wetenschappers gespecialiseerde machines gebruiken om minuscule stromen vloeistof uit te persen die levende cellen bevatten gemengd met een ondersteunende gel. Het doel is om structuren te bouwen die de complexe weefsels van het menselijk lichaam nabootsen. Echter, het proces van het door een nauwe nozzle persen van dit mengsel creëert een krachtige fysieke kracht die bekend staat als schuifspanning (shear stress). Denk bij deze kracht aan de druk die je voelt wanneer je een tube tandpasta uitknijpt; hoe sneller en harder je knijpt, hoe meer de inhoud tegen de wanden van de tube wordt gewreven en uitgerekt. Voor levende cellen, die delicaat en fragiel zijn, kan dit wrijven schadelijk zijn, wat potentieel de cellen kan doden of hun vermogen om te functioneren zodra de structuur is gebouwd kan beschadigen. Begrijpen hoeveel kracht deze cellen precies kunnen overleven, is essentieel als wetenschappers betrouwbare, levende weefsels willen creëren.

Een team van onderzoekers zette zich in om te meten en te voorspellen hoe deze knijpkracht twee verschillende soorten menselijke cellen die samenwerken beïnvloedt: bloedvatcellen en borstweefselcellen. Om dit te doen, hebben ze niet simpelweg de cellen geprint en gehoopt op het beste. In plaats daarvan bouwden ze een compleet systeem om te observeren, te berekenen en te testen wat er binnenin de printer gebeurt. Eerst bestudeerden ze de dikke, geleiachtige substantie die wordt gebruikt om de cellen vast te houden, bekend als gelatin methacryloyl. Ze testten dit materiaal bij twee verschillende concentraties en temperaturen om te zien hoe het stroomde. Ze ontdekten dat het gedrag van het materiaal beschreven kon worden door wiskundige modellen die voorspellen hoe dikke vloeistoffen bewegen, waardoor ze het printproces op een computer konden simuleren voordat ze ooit een echte cel aanraakten.

Om te garanderen dat hun computersimulaties nauwkeurig waren, gebruikten de onderzoekers een hogesnelheidscamera om te kijken naar de beweging van minuscule deeltjes binnen de stromende gel, waarmee ze bevestigden dat de digitale voorspellingen overeenkwamen met de beweging in de echte wereld. Met dit betrouwbare model in handen richtten ze hun aandacht op de cellen zelf. Ze printten een mengsel van de twee celtypen in de gel bij verschillende drukken en concentraties. De resultaten onthulden een complexe relatie tussen de printcondities en de gezondheid van de cellen. Wanneer de cellen in een zwakkere gel bij een lagere temperatuur werden geprint, toonde de directe nasleep een stijging in celsterfte. Interessant genoeg vertoonde de sterkere gel hogere schuifspanning-niveaus vergeleken met de zwakkere gel, maar veroorzaakte het toch niet dezelfde onmiddellijke piek in stervende cellen.

Het verhaal eindigde echter niet op het moment dat het printen stopte. De onderzoekers lieten de geprinte structuren een dag lang liggen om te zien hoe de cellen herstelden. Ze ontdekten dat zelfs lage niveaus van stress door het printproces een vertraagd effect hadden. Naarmate de druk die tijdens het printen werd gebruikt toenam, groeide het aantal stervende cellen na slechts één dag van cultuur. Dit suggereert dat de cellen gevoelig zijn voor de fysieke krachten van het printproces op manieren die niet direct duidelijk zijn. De studie biedt een solide methode om deze effecten te voorspellen, en laat zien dat door computermodellering te combineren met zorgvuldige observatie, wetenschappers de verborgen krachten die de toekomst van het printen van levend weefsel vormgeven, beter kunnen begrijpen.