Growing Macroscopic Functional Human Tissues on 3D Printed Peptide Hydrogels
Deze studie toont aan dat 3D-geprinte peptidehydrogelen dienen als macroscopische kaders om de groei en functionele organisatie van centimeters-grote menselijke cardiale en neurale weefsels te sturen, inclusclusief directioneel gebiaste hippocampale circuits, terwijl hun intrinsieke zelforganiserende vermogen behouden blijft.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Menselijke organen zijn niet louter zakken met cellen; het zijn complexe, driedimensionale steden waar gespecialiseerde buurten met elkaar moeten verbinden en communiceren om het hele systeem in leven te houden. In een laboratoriumsetting zijn wetenschappers al lang in staat om clusters van menselijke cellen te kweken die deze organen nabootsen, ook wel organoïden genoemd. Deze kleine structuren zijn opmerkelijk omdat ze zichzelf kunnen organiseren, waarbij ze lagen en patronen vormen die veel lijken op een zich ontwikkelende embryo. Er is echter een aanzienlijke limiet aan hoe groot deze zelforganiserende klonten kunnen worden. Naarmate ze groter worden, raken de cellen in het centrum vaak zonder zuurstof en voedingsstoffen, wat leidt tot dood en instorting. Deze omvangbeperking heeft het moeilijk gemaakt om te bestuderen hoe verschillende delen van een orgaan over lange afstanden met elkaar communiceren, of om weefselmodellen te bouwen die groot genoeg zijn om echt op het menselijk lichaam te lijken.
Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op een nieuwe strategie die de kracht van zelforganisatie combineert met de precisie van 3D-printen. In plaats van te proberen cellen in een rigide vorm te dwingen, bouwen ze een tijdelijk, ondersteunend skelet waar de cellen omheen en doorheen kunnen groeien. Deze aanpak stelt wetenschappers in staat om de algehele architectuur van het weefsel te sturen zonder het natuurlijke vermogen van de cellen om zichzelf te arrangeren te verstikken. Door een raamwerk te creëren dat zowel sterk genoeg is om een vorm vast te houden als zacht genoeg om cellen te laten gedijen, kunnen wetenschappers nu menselijk weefsel kweken dat niet alleen functioneel is, maar ook groot genoeg is om de kloof tussen een microscopisch schaaltje en een macroscopisch orgaan te overbruggen.
Een team van onderzoekers heeft dit succesvol gedemonstreerd door functionele menselijke hart- en hersenweefsels te kweken op een op maat gemaakte scaffold (steiger). Ze gebruikten een speciaal type gel gemaakt van kleine eiwitketens die peptiden worden genoemd. Deze ketens draaien en vergrendelen zich van nature in elkaar om een netwerk te vormen dat aanvoelt als een zachte gelei, maar sterk genoeg is om zijn vorm te behouden. De onderzoekers ontwikkelden een methode om deze gel in complexe, driedimensionale structuren te printen met een techniek die lijkt op 3D-printen, maar dan met een twist: de gel wordt geëxtrudeerd in een ondersteunend bad dat het op zijn plaats houdt terwijl het uithardt. Dit stelde hen in staat om scaffolds te maken met precieze vormen, inclusioneel gebogen bruggen en gelaagde roosters, met een resolutie die fijn genoeg is om individuele cellen te begeleiden.
De eerste test van dit systeem betrof menselijke hartspiercellen. In de natuur moeten hartcellen in een specifieke richting uitgelijnd zijn om in unisono te slaan en effectief bloed te pompen. Wanneer de onderzoekers deze cellen op hun geprinte peptide-scaffolds plaatsten, voelden de cellen direct de richting van de vezels van de gel en lijn ze daarop uit. Binnen enkele dagen begonnen de cellen samen te slaan in een gesynchroniseerd ritme, een prestatie die zelden voorkomt wanneer cellen op platte plastic oppervlakken worden gekweekt. De onderzoekers konden zelfs de elektrische signalen registreren die door het weefsel reisden, waarmee werd bevestigd dat het geprinte raamwerk de cellen succesvol had geleid tot een functioneel, kloppend hartspierweefsel dat als één eenheid kon rekken en samentrekken.
Het team paste dezezelfde methode vervolgens toe op de hersenen, een taak die nog complexer is omdat hersencellen uitgebreide netwerken over lange afstanden moeten vormen. Ze kweekten eerst grote, platte bedden van neuraal weefsel op de geprinte scaffolds. In tegen tegenstelling tot traditionele organoïden, die in ronde bollen groeien en uiteindelijk in het midden sterven door een gebrek aan zuurstof, groeiden deze door scaffold ondersteunde weefsels uit tot brede, dunne vellen. Deze vorm zorgde ervoor dat voedingsstoffen elke cel konden bereiken, waardoor het weefsel kon groeien naar een omvang die vergelijkbaar is met het brein van een kleine primaat, zoals een marmoset, zonder dat de centrale cellen afsterven. Het resulterende weefsel bevatte een gezonde mix van neuronen en ondersteunende cellen en behield zijn structuur en gezondheid gedurende maanden.
De meest significante prestatie kwam toen de onderzoekers deze geprinte gels gebruikten om twee verschillende delen van de hersenen met elkaar te verbinden: de gyrus dentatus en de CA3-regio, welke cruciale componenten zijn van de hippocampus, het gebied dat verantwoordelijk is voor het geheugen. Ze creëerden een op maat gemaakte scaffold met twee zakken om kleine bollen hersenweefsel in te houden, verbonden door een smalle brug van gel. Over een periode van meerdere weken groeiden de neuronen van de ene bol lange, dunne uitlopers, axonen genoemd, over de brug om de andere bol te bereiken. Deze verbindingen waren niet willekeurig; ze vormden een dicht netwerk dat de twee regio's in staat stelde om te communiceren.
Wanneer de onderzoekers deze verbindingen testten, ontdekten ze dat de signalen in de juiste richting reisden, wat de natuurlijke informatiestroom in het menselijk brein nabootst. Signalen verzonden vanuit de gyrus dentatus veroorzaakten succesvol reacties in de CA3-regio, terwijl signalen in de omgekeerde richting niet hetzelfde effect hadden. Deze directionele communicatie is een kenmerk van een gezond, functionerend hersencircuit. Het experiment bewees dat de geprinte scaffold de weefsels niet alleen op hun plaats hield; het begeleidde actief de groei van langetermijnverbindingen en ondersteunde de complexe, eenrichtingscommunicatie die vereist is voor geheugenverwerking.
Dit werk suggereert dat de toekomst van het kweken van menselijke weefsels in een laboratorium niet vereist dat cellen in onnatuurlijke vormen worden gedwongen. In plaats daarvan, door een zorgvuldig ontworpen, macroscopisch raamwerk te bieden, kunnen wetenschappers weefsels laten groeien tot hun volledige potentieel, waarbij hun natuurlijke vermogen om zelf te organiseren behouden blijft terwijl de fysieke beperkingen die hen voorheen klein hielden, worden overwonnen. Het vermogen om centimeters grote, functionele menselijke weefsels met specifieke architecturen te kweken, opent de deur naar het bestuderen van complexe hersenziekten en het testen van nieuwe behandelingen op een manier die voorheen onmogelijk was, waardoor de studie van de menselijke biologie een stap dichter bij de realiteit van het levende lichaam komt.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.