Bioprinting Cellularized Создаёт Использование Тканеспецифическая гидрогелевых Bioink

Summary

Мы опишем набор протоколов , которые вместе обеспечивают ткани имитирующие гидрогеля bioink , с которой функциональные и жизнеспособные конструкции 3-D ткани могут быть bioprinted для использования в приложениях скрининга в пробирке.

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

В последние годы целый ряд технологий, стали доступны, что устраняет необходимость в альтернативных источниках функциональных органов и тканей, стремясь к производству, или biofabricate, их. Bioprinting стала одним из наиболее перспективных из этих технологий. Bioprinting можно рассматривать как форму роботизированного производства присадок биологических частей, которые могут быть использованы для создания или образец жизнеспособными органный или подобные ткани структуры в 3 -х измерениях. ¹ В большинстве случаев bioprinting использует 3-мерный (3 -D) печатающее устройство, которое направлено на компьютер для осаждения клеток и биоматериалов в точные позиции, тем самым обобщал анатомически имитирующие физиологические архитектуры. ² Эти устройства печати "bioink", который может принимать форму агрегатов клеток, клетки , инкапсулированные в гидрогели или вязких жидкостей, а также клеточные посеяны микроносителей, а также свободные от клеток полимеры, которые обеспечивают механическую структуру или выступают в качестве бесклеточной PLAceholders. ^3,4 После процесса bioprinting, в результате структура может быть созревший в функциональные ткани или органа структур, а также используется для предполагаемого конечного применения. ^5,6 На сегодняшний день полный полностью функциональный размером с человека орган не был напечатан, но она остается основным долгосрочным цель bioprinting исследований и разработок. ² Тем не менее, мелкие "Органоид" конструкты ткани в настоящее время реализуются в ряде приложений, включая моделирование патологии, разработки лекарственных средств и токсикологии скрининга.

Одним из главных препятствий, которые исследователи столкнулись при применении технологии bioprinting является то, что очень немногие материалы были разработаны для явной целью bioprinting. Для эффективного успеха в bioprinting, биоматериал должен соответствовать 4 основным требованиям. Биоматериал должен иметь 1) соответствующие механические свойства, чтобы позволить осаждение (будь то экструзии через сопло в виде геля или двутавровойnkjet как капли), 2) способность удерживать свою форму в качестве компонента структуры 3-D после осаждения, 3) возможность для управления пользователем из 2-х предыдущих характеристик, и 4) клеток дружественной и благоприятной окружающей среды на всех этапы процедуры bioprinting. ⁷ Исторически bioprinting работы часто пытались использовать существующие традиционные биоматериалов в bioprinting устройств без учета их совместимости, а не проектирования биоматериал , чтобы иметь свойства , необходимые для bioprinting и последующих заявок после печати.

Разнообразие bioinks Недавно были разработаны для лучшего взаимодействия с аппаратными средствами осаждения и изготовления. Стандартные системы гидрогелевые создают серьезные проблемы, поскольку они обычно существуют либо как предшественника жидкости решения с недостаточными механическими свойствами, или полимеризуется гидрогели, что если напечатанных может засорить сопла или стать распались на процессе экструзии. Наша команда, а также флористикуР.С., исследовали различные гидрогелевые составы для решения этих проблем bioprinting, в том числе клеток сфероида печати в гидрогелевых субстратов, ^5,8 клеток и гидрогель нити экструзии из микрокапиллярных труб, ^9-11 экструдируемых гиалуроновая кислота (HA) -золото наночастиц гидрогели с динамическими свойствами поперечной сшивки , ¹² временной контроль гидрогеля жесткости с использованием фотополимеризующегося метакрилированные HA и желатин, ^{13-фибриногена} тромбином на основе поперечной сшивки, ^14,15 ионного обмена альгинат-коллагеновый гель, ¹⁶ и в последнее время быстрого полимеризации ультрафиолетового света (УФ) -initiated сшивка, ¹⁷

Эти примеры демонстрируют возможность генерации материалов, которые могут с помощью bioprinted эффективно. Тем не менее, в дополнение к интеграции с аппаратными средствами, чтобы успешно генерировать жизнеспособные и функциональные конструкции 3-D ткани, биоматериалы должны содержать биохимические и механические сигналы, которые помогают в поддержании клеточногожизнеспособность и функции. Эти дополнительные факторы, биохимические и механические профили, могут оказать существенное влияние на успешную функцию bioprinted конструкций ткани.

Обе клетки и родной внеклеточного матрикса (ЕСМ) несут ответственность за представление широкого спектра сигнальных молекул, таких как факторы роста и другие цитокины к другим клеткам. Сочетание этих сигналов зависит от ткани к ткани, но может быть чрезвычайно мощным и влиятельным в регуляции клеток и тканей поведение. ¹⁸ Применение тканеспецифических компоненты ЕСМ из разных органов и реализации как гидрогель или как часть гидрогель был исследован с успех. ^19-21 Этот подход, который состоит из decellularizing данной ткани, измельчением его, и его растворения, может быть использован для получения тканеспецифичную биохимические сигналы из любой ткани , и могут быть включены в 3-D – гидрогелевых конструктов. ²²

Дополнительно,он широко документально подтверждено , что ткани в организме занимают широкий диапазон жесткостей. ²³ , как таковой, возможность настраивать механические свойства биоматериалов, таких как модуль упругости Е 'или сдвига модуля упругости G', является полезным инструментом в тканевой инженерии , Как было описано выше, контроль над bioink механическими свойствами позволяет экструзии на основе biofabrication с использованием мягкого геля, который затем может дополнительно манипулируют вторичному сшиванию на более позднем этапе, при котором упругие уровни модуль упругости может быть достигнуто, что совпадающее типа органа-мишени. Например, биоматериалы могут быть настроены в соответствии с жесткостью 5-10 кПа , как родной печени, ²³ или соответствовать жесткость 10-15 кПа , как родной сердечной ткани, ^24,25 в теории повышения способности этих органелл функционировать в таким же образом, чтобы их родной коллегами ткани. Влияние жесткости окружающей среды на фенотип клеток был ехрlored в последние годы, особенно в отношении стволовых клеток. Энглер и др. Показали , что эластичность подложки помогают в движении мезенхимальных стволовых клеток (MSC) в направлении линий с эластичность ткани совпадающее подложки. ²⁵ Эта концепция дальнейшего изучения для дифференцировки в мышцу, сердечную функцию, фенотипу печени, пролиферации гемопоэтических стволовых клеток и поддержание стволовых клеток терапевтический потенциал. ^24,26-29 Будучи в состоянии настроить гидрогель к различным модуля упругости является важной особенностью биоматериала , который будет использоваться для biofabricate конструкции ткани. ³⁰

Здесь мы опишем протокол, который представляет собой универсальный подход, используемый в нашей лаборатории, чтобы сформулировать систему гидрогеля, который может быть bioprinted экструзии, и адаптированную к 1) содержат биохимического профиля конкретного типа ткани и 2) имитировать модуль упругости этого типа ткани , Обращаясь к этим требованиям, мы стремимся к рrovide материал , который может резюмировать физико – химических и биологических характеристик в естественных условиях ткани. ³¹ Модульная комбинированная система гидрогель описанный здесь использует многосоставного сшивание подхода с получением экструдируемой bioinks, и позволяет вторичное сшивание для стабилизации и увеличивает жесткость конечные продукты, чтобы соответствовать различные типы тканей. Биохимический настройка выполняется с помощью ткане-специфических компонентов ECM. В качестве демонстрации, мы используем различные печени специфические этого гидрогеля системы bioprint функциональной печени Органоид конструкции. Протокол, описанный использует пользовательский 3-D bioprinting устройство. В общем, этот протокол может быть адаптирован для большинства экструзии на основе принтеров, конкретные параметры печати резко изменяются для каждого типа устройства и требует тестирования пользователем.

Protocol

1. гидрогеля Bioink рецептур и подготовка Для того , чтобы обеспечить тканеспецифичную биохимические профили, подготовить тканеспецифическая ЕСМ переваривают решений , как было описано выше для печени. 20 Примечание: В общем случае, это ЕСМ дайджеста составит 40% от конечного…

Representative Results

Когда процедуры , описанные выше, выполнены правильно, гидрогели должны содержать биохимический профиль , специфичные для типа ткани – мишени, 20 обеспечивают высокую степень контроля над bioprinting и окончательным модулем упругости, 34 и поддерживать жизнеспос?…

Discussion

Есть несколько компонентов , которые имеют решающее значение для рассмотрения при попытке biofabricate 3-D конструкции ткани, для возможного использования в организме человека или для применения скрининга в пробирке. Используя соответствующие клеточные компоненты определяет потенциа?…

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