Bioprinting Cellularized Konstruerer Ved hjelp av en Tissue-spesifikke hydrogel Bioink

Summary

Vi beskriver et sett med protokoller som til sammen gir en vev-mimicking hydrogel bioink som funksjonelle og levedyktige 3-D vev konstruksjoner kan bioprinted for bruk i in vitro screening-programmer.

Abstract

Bioprinting has emerged as a versatile biofabrication approach for creating tissue engineered organ constructs. These constructs have potential use as organ replacements for implantation in patients, and also, when created on a smaller size scale as model “organoids” that can be used in in vitro systems for drug and toxicology screening.

Despite development of a wide variety of bioprinting devices, application of bioprinting technology can be limited by the availability of materials that both expedite bioprinting procedures and support cell viability and function by providing tissue-specific cues. Here we describe a versatile hyaluronic acid (HA) and gelatin-based hydrogel system comprised of a multi-crosslinker, 2-stage crosslinking protocol, which can provide tissue specific biochemical signals and mimic the mechanical properties of in vivo tissues.

Biochemical factors are provided by incorporating tissue-derived extracellular matrix materials, which include potent growth factors. Tissue mechanical properties are controlled combinations of PEG-based crosslinkers with varying molecular weights, geometries (linear or multi-arm), and functional groups to yield extrudable bioinks and final construct shear stiffness values over a wide range (100 Pa to 20 kPa). Using these parameters, hydrogel bioinks were used to bioprint primary liver spheroids in a liver-specific bioink to create in vitro liver constructs with high cell viability and measurable functional albumin and urea output. This methodology provides a general framework that can be adapted for future customization of hydrogels for biofabrication of a wide range of tissue construct types.

Introduction

De siste årene har en rekke teknologier blir tilgjengelige som løser behovet for alternative kilder til funksjonelle organer og vev ved å søke å produsere, eller biofabricate, dem. Bioprinting har dukket opp som en av de mest lovende av disse teknologiene. Bioprinting kan betraktes som en form for robot additiv fremstilling av biologiske deler, som kan brukes til å bygge eller mønster levedyktig organ lignende eller vev-lignende strukturer i 3 dimensjoner. ^1. I de fleste tilfeller bioprinting anvender en tre-dimensjonal (3- D) utskriftsenheten som er regissert av en datamaskin for å sette inn celler og biomaterialer inn nøyaktige posisjoner, og dermed rekapitulere anatomisk ligne fysiologiske arkitekturer. ² Disse enhetene skrive ut en "bioink", som kan ta form av celleaggregater, celler innkapslet i hydrogeler eller viskøse væsker, eller celle foret mikrobærerne, samt cellefrie polymerer som gir mekanisk struktur, eller fungere som cellefritt placeholders. ^3,4 Etter den bioprinting prosessen, kan den resulterende struktur være modnet til funksjonelt vev eller organ strukturer, og som brukes for dens tiltenkte anvendelse ende. ^5,6 Hittil en fullstendig fullt funksjonell human størrelse organ ikke har blitt trykt, men det er fortsatt den primære langsiktige mål om bioprinting forskning og utvikling. ² men småskala "organoid" tissue konstruksjoner blir nå implementert i en rekke programmer, inkludert patologi modellering, narkotika utvikling, og toksikologi screening.

En av de viktigste hindrene som forskere har møtt i bruk bioprinting teknologien er at svært få materialer har blitt utviklet for eksplisitt formål bioprinting. For effektivt å lykkes i bioprinting, må en biomateriale møte 4 grunnleggende krav. Biomaterialet må ha 1) de nødvendige mekaniske egenskaper for å tillate avsetning (det være seg ekstrudering gjennom en dyse som en gel eller en jegnkjet som en dråpe), 2) evnen til å holde sin form som en komponent av en 3-D struktur etter avsetning, 3) mulighet for brukerkontroll av de 2 tidligere egenskaper, og 4) en celle vennlig og støttende miljø i det hele tatt faser av bioprinting prosedyren. ⁷ Historisk bioprinting arbeid har ofte forsøkt å ansette eksisterende tradisjonelle biomaterialer i bioprinting enheter uten hensyn til deres kompatibilitet, i stedet for å designe et biomateriale å ha de egenskapene som er nødvendige for bioprinting og påfølgende post-utskrift applikasjoner.

En rekke bioinks har nylig blitt utviklet for å bedre grenseflate mot avsetning og fabrikasjon maskinvare. Standard hydrogel systemer utgjøre betydelige problemer fordi de vanligvis eksistere som enten forløper væskeløsninger med utilstrekkelige mekaniske egenskaper, eller polymeriserte hydrogeler at hvis trykket kan tette dyser eller blir brutt opp ved ekstruderingsprosessen. Vårt team, samt others, utforsket ulike hydrogel formuleringer for å løse disse bioprinting problemer, inkludert celle spheroid utskrift inn hydrogel underlag, ^5,8 celle og hydrogel filament ekstrudering fra microcapillary rør, ^9-11 ekstruderbare hyaluronsyre (HA) -Gold nanopartikkel hydrogeler med dynamiske kryssbindende egenskaper ¹² temporal kontroll av hydrogel stivhet ved hjelp fotopolymeriserbar methacrylated HA og gelatin, ¹³ fibrinogen-trombin-basert kryssbinding, ^14,15 ionisk utveksling alginat-kollagen gels, ¹⁶ og nylig hurtig polymerisering ultrafiolett lys (UV) -klargjort kryssbinding, ¹⁷

Disse eksempler viser muligheten for å generere materialer som kan ved bioprinted effektivt. Men i tillegg til integrasjon med maskinvare, for å kunne generere levedyktige funksjonelle og 3-D vev konstruksjonene, må biomaterialer inneholde biokjemiske og mekaniske signaler som kan benyttes til å opprettholde cellulærlevedyktighet og funksjon. Disse ekstra faktorer, biokjemiske og mekaniske profiler, kan ha en betydelig innflytelse på den vellykkede funksjon bioprinted vev konstruksjoner.

Både celler og det native ekstracellulære matriks (ECM) er ansvaret for å levere et bredt spekter av signalmolekyler, slik som vekstfaktorer og andre cytokiner til andre celler. Kombinasjonen av disse signalene varierer fra vev til vev, men kan være svært potente og innflytelsesrik ved regulering av celle og vev oppførsel. ¹⁸ ansette vevsspesifikke ECM-komponenter fra forskjellige organer og implementering som en hydrogel eller som del av en hydrogel er blitt utforsket med suksess. ^19-21 Denne tilnærmingen, som består av decellularizing et gitt vev, pulverisere den, og den ble oppløst, kan anvendes for å fremstille vevs-spesifikke biokjemiske signaler fra en hvilken som helst vev og kan inkorporeres i en 3-D-hydrogel konstruksjoner. ²²

I tilleggDet er allment dokumentert at vev i kroppen oppta et bredt spekter av stivheter. ²³ Som eksempel, evnen til å stille inn de mekaniske egenskapene til biomaterialer, såsom elastisitetsmodul E 'eller skjærelastisitetsmodul G', er et nyttig redskap for å vevsteknologi . Som beskrevet ovenfor, kontroll over bioink mekaniske egenskaper gjør det mulig for ekstrudering basert biofabrication ved hjelp av en myk gel, som deretter kan ytterligere manipuleres ved sekundær tverrbinding på et senere tidspunkt, ved hvilket elastisitetsmodul nivåer kan oppnås som samsvarer med den for målorganet type. For eksempel kan biomaterialer være tilpasset for å samsvare med en stivhet på 5-10 kPa som en innfødt lever, ²³ eller samsvarer med en stivhet på 10-15 kPa som opprinnelig hjertevev, ^24,25 teoretisk øke evnen til disse organoids til å fungere i en lignende måte som i sine opprinnelige vev motstykker. Påvirkningen av miljø stivhet på celle-fenotype har vært explored i de senere år, særlig med hensyn på stamceller. Engler et al., Demonstrerte at substratet elastisitet hjulpet i å drive stamceller (MSC) langs linjer med vev elastisitet som er tilpasset underlaget. ²⁵ Dette konseptet har blitt ytterligere undersøkt for differensiering i muskel, hjertefunksjon, lever fenotype, hematopoetisk stamcelleproliferasjon og vedlikehold av stamcelle terapeutisk potensiale. ^24,26-29 å være i stand til å stille en hydrogel til forskjellige elastisitetsmoduler er et viktig trekk ved et biomateriale som vil bli brukt til å biofabricate vev konstruksjoner. ³⁰

Her beskriver vi en protokoll som representerer en allsidig fremgangsmåte som kan benyttes i vårt laboratorium for å formulere en hydrogel system som kan ekstrudering bioprinted, og tilpasset til 1) inneholde den biokjemiske profil av en spesiell vevstype og 2) etterligne den elastisitetsmodul som vevstypen . Ved å ta opp disse kravene, har vi som mål å pROVIDE et materiale som kan repetere de fysiokjemiske og biologiske egenskaper in vivo vev. ³¹ Det modulære hydrogel sammensatt system som er beskrevet her utnytter en multitverrbinding tilnærming til dannelse av ekstruderbare bioinks, og gjør det mulig for en sekundær kryssbinding for å stabilisere og øker stivheten av end produkter for å matche en rekke vevstyper. Biokjemisk tilpasning er oppfylt ved hjelp vevsspesifikke ECM-komponenter. Som en demonstrasjon, ansetter vi en leverspesifikk variant av denne hydrogel systemet til bioprint funksjonelle lever organoid konstruksjoner. Protokollen er beskrevet bruker et egendefinert 3-D bioprinting enhet. Generelt kan denne protokollen tilpasses de fleste profilbaserte skrivere, spesifikke utskriftsparametere variere dramatisk for hver type enhet og krever testing av brukeren.

Protocol

1. Hydrogel Bioink Formuleringer og klargjøring For å tilveiebringe vevs-spesifikke biokjemiske profiler, forberede vevsspesifikt ECM fordøye løsninger som tidligere beskrevet for leveren. 20 Merk: Generelt vil dette ECM digest utgjør 40% av den endelige hydrogel bioink volum som er ansatt. Flere hundre ml av ECM-sammendrag oppløsning kan fremstilles, alikvotert og frosset ved -80 ° C for fremtidig bruk. Før hydrogelformulering, oppløse en fotoinitiator, 2-hydroksy-4 '…

Representative Results

Ved fremgangsmåtene beskrevet ovenfor blir fulgt riktig, bør hydrogeler inneholde en biokjemisk profil bestemt til målet vevstype, 20 muliggjør en høy grad av kontroll over bioprinting og endelig elastisitetsmodul, 34 og støtte levedyktige funksjonelle celler i vev konstruksjoner. hydrogel Customization For å best etterligner naturlig leveren, ble hydrogelen bioink supplert …

Discussion

Det er flere komponenter som er avgjørende for å vurdere når du forsøker å biofabricate 3-D vev konstruerer, for eventuell bruk i mennesker eller for in vitro screening-programmer. Ansette de riktige cellulære komponenter bestemmer slutten potensial funksjonalitet, mens biofabrication enheten selv avgjør generell metodikk for å nå slutten konstruere. Den tredje komponenten, biomateriale, er like viktig som det tjener dobbeltroller. Spesielt må biomateriale komponent være kompatibel med både biofabri…

Materials

Hyaluronic acid	Sigma	53747
Gelatin	Sigma	G6144
2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone	Sigma	410896
Hyaluronic acid and gelatin hydrogel kit (HyStem-HP)	ESI-BIO	GS315	Kit contains the components Heprasil (thiolated and heparinized hyaluronic acid), Gelin-S (thiolated gelatin), and Extralink (PEGDA)
PEG 8-Arm Alkyne, 10 kDa	Creative PEGWorks	PSB-887
Primary human hepatocytes	Triangle Research Labs	HUCPM6
Primary human liver stellate cells	ScienCell	5300
Primary human Kupffer cells	Life Technologies	HUKCCS
Hepatocyte Basal Media (HBM)	Lonza	CC-3199
Hepatocyte Media Supplement Kit	Lonza	CC-3198	HCM SingleQuot Kits (contains ascorbic acid, 0.5mL; bovine serum albumin [fatty acid free], 10 mL; gentamicin sulfate/amphotericin B, 0.5mL; hydrocortisone 21-hemisuccinate, 0.5 mL; insulin, 0.5 mL; human recombinant epidermal growth factor, 0.5 mL; transferring, 0.5 mL)
Triton X-100	Sigma	T9284	Other manufacturers are ok.
Ammonium hydroxide	Fischer Scientific	A669	Other manufacturers are ok.
Fresh porcine cadaver tissue	n/a	n/a
Lyophilizer	any	n/a
Freezer mill	any	n/a
Bioprinter	n/a	n/a	The bioprinter described herein was custom built in-house. In general, other devices are adequate provided they support computer controlled extrusion-based printing of hydrogel materials.
Hanging drop cell culture plate	InSphero	CS-06-001	InSphero GravityPlus 3D Culture Platform