Bioprinting Cellularized एक ऊतक विशेष हाइड्रोजेल Bioink का उपयोग करते हुए निर्माणों
Summary
हम प्रोटोकॉल है कि एक साथ एक ऊतक नकल उतार हाइड्रोजेल bioink जिसके साथ कार्यात्मक और व्यवहार्य 3-डी ऊतक निर्माणों में इन विट्रो स्क्रीनिंग अनुप्रयोगों में प्रयोग के लिए bioprinted जा सकता है प्रदान का एक सेट का वर्णन है।
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
हाल के वर्षों में, प्रौद्योगिकी की एक किस्म उपलब्ध हो गए हैं कि निर्माण करने के लिए, या biofabricate, उन्हें मांग से कार्यात्मक अंगों और ऊतकों के वैकल्पिक स्रोतों के लिए की जरूरत है पते। Bioprinting इन प्रौद्योगिकियों के सबसे होनहार में से एक के रूप में उभरा है। Bioprinting जैविक भागों के रोबोट additive निर्माण का एक रूप है, कि 3 आयामों में पैटर्न व्यवहार्य अंग की तरह या ऊतक की तरह संरचनाओं का निर्माण या करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है के बारे में सोचा जा सकता है। 1 ज्यादातर मामलों में, bioprinting 3 एक 3 आयामी को रोजगार ( डी) मुद्रण डिवाइस है कि एक कंप्यूटर द्वारा निर्देशित है सटीक स्थिति में कोशिकाओं और biomaterials जमा करने के लिए, जिससे recapitulating शारीरिक आर्किटेक्चर संरचनात्मक रूप से नकल उतार। 2 इन उपकरणों एक "bioink", जो सेल समुच्चय का रूप ले सकता है मुद्रित, हाइड्रोजेल में समझाया कोशिकाओं या चिपचिपा तरल पदार्थ, या सेल वरीयता प्राप्त microcarriers, साथ ही सेल मुक्त पॉलिमर कि सेल मुक्त पीएलए के रूप में यांत्रिक संरचना या अधिनियम प्रदानceholders। 3,4 bioprinting प्रक्रिया के बाद, जिसके परिणामस्वरूप संरचना कार्यात्मक ऊतक या अंग संरचनाओं में परिपक्व किया जा सकता है, और अपने उद्देश्य अंत आवेदन के लिए इस्तेमाल किया। 5,6 तिथि करने के लिए, एक पूरा पूरी तरह कार्यात्मक मानव आकार अंग मुद्रित नहीं किया गया है, लेकिन यह अनुसंधान और विकास bioprinting के प्राथमिक दीर्घकालिक लक्ष्य रहता है। 2 हालांकि, छोटे पैमाने पर "organoid" ऊतक निर्माणों वर्तमान में विकृति मॉडलिंग, दवा के विकास, और विष विज्ञान स्क्रीनिंग सहित आवेदन की एक संख्या में लागू किया जा रहा है।
मुख्य बाधा है कि शोधकर्ताओं bioprinting प्रौद्योगिकी को लागू करने में सामना करना पड़ा है में से एक है कि बहुत कम सामग्री bioprinting के स्पष्ट उद्देश्य के लिए विकसित किया गया है। प्रभावी ढंग से bioprinting में सफल होने के लिए, एक biomaterial 4 बुनियादी आवश्यकताओं को पूरा करना होगा। biomaterial 1) उचित यांत्रिक गुणों बयान अनुमति देने के लिए की जरूरत है (यह एक जेल या एक मैं के रूप में एक नोजल के माध्यम से बाहर निकालना होएक छोटी बूंद के रूप में nkjet), 2) एक 3-डी संरचना बयान के बाद के एक घटक के रूप में अपने आकार धारण करने की क्षमता है, 3) 2 से पहले विशेषताओं के उपयोगकर्ता नियंत्रण, और 4) एक सेल दोस्ताना और सहायक वातावरण सभी पर के लिए क्षमता bioprinting प्रक्रिया के चरणों। 7 ऐतिहासिक, bioprinting काम अक्सर बजाय एक biomaterial डिजाइनिंग bioprinting और बाद के बाद मुद्रण अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक गुण है, उनकी अनुकूलता के लिए विचार किए बिना bioprinting उपकरणों में मौजूदा पारंपरिक biomaterials को रोजगार के लिए कोशिश की है।
bioinks की एक किस्म बयान और निर्माण हार्डवेयर के साथ बेहतर इंटरफ़ेस करने के लिए हाल ही में विकसित किया गया है। स्टैंडर्ड हाइड्रोजेल सिस्टम महत्वपूर्ण समस्या पैदा क्योंकि वे आम तौर पर या तो अग्रदूत के रूप में मौजूद अपर्याप्त यांत्रिक गुणों, या polymerized हाइड्रोजेल कि अगर मुद्रित नलिका रोकना कर सकते हैं या बाहर निकालना प्रक्रिया पर टूट बनने के साथ तरल पदार्थ समाधान। हमारी टीम है, साथ ही othe के रूप मेंरुपये इन bioprinting समस्याओं का समाधान करने के लिए विभिन्न योगों हाइड्रोजेल, हाइड्रोजेल substrates में सेल अंडाकार आकृति मुद्रण, microcapillary ट्यूब से 5.8 सेल और हाइड्रोजेल रेशा बाहर निकालना, 9-11 extrudable hyaluronic एसिड (हेक्टेयर) -Gold nanoparticle गतिशील crosslinking गुणों के साथ हाइड्रोजेल सहित पता लगाया है , photopolymerizable का उपयोग कर हाइड्रोजेल कठोरता के 12 अस्थायी नियंत्रण हा और जिलेटिन, 13 फाइब्रिनोजेन-थ्रोम्बिन आधारित crosslinking, 14,15 आयनिक विनिमय alginate कोलेजन जैल, 16 methacrylated और हाल ही में तेजी से polymerizing पराबैंगनी प्रकाश (यूवी) -initiated crosslinking, 17
इन उदाहरणों सामग्री है कि प्रभावी ढंग से bioprinted से कर सकते हैं पैदा करने की व्यवहार्यता का प्रदर्शन। हालांकि, हार्डवेयर के साथ एकीकरण के अलावा, सफलतापूर्वक व्यवहार्य और कार्यात्मक 3-डी ऊतक निर्माणों उत्पन्न करने के लिए, biomaterials जैव रासायनिक और यांत्रिक संकेतों सेलुलर को बनाए रखने में सहायता शामिल होना चाहिएव्यवहार्यता और समारोह। ये अतिरिक्त कारकों, जैव रासायनिक और यांत्रिक प्रोफाइल, bioprinted ऊतक निर्माणों के सफल समारोह पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है।
दोनों कोशिकाओं और देशी बाह्य मैट्रिक्स (ईसीएम) इस तरह के विकास कारकों और अन्य कोशिकाओं को अन्य साइटोकिन्स के रूप में संकेतन अणुओं की एक विस्तृत श्रृंखला पेश करने के लिए जिम्मेदार हैं। इन संकेतों के संयोजन के ऊतकों को ऊतकों से बदलता है, लेकिन अत्यंत शक्तिशाली और सेल और ऊतक व्यवहार को विनियमित करने में प्रभावशाली हो सकता है। 18 विभिन्न अंगों से ऊतक विशेष ईसीएम घटकों को रोजगार और एक हाइड्रोजेल के रूप में या एक हाइड्रोजेल के हिस्से के रूप में लागू करने के साथ पता लगाया गया है सफलता। 19-21 यह दृष्टिकोण है, जो एक दिया ऊतक decellularizing, यह pulverizing, और यह भंग के शामिल है, किसी भी ऊतक से ऊतक विशेष जैव रासायनिक संकेतों का उत्पादन करने के लिए और 3-डी हाइड्रोजेल निर्माणों में शामिल किया जा सकता है इस्तेमाल किया जा सकता है। 22
इसके अतिरिक्त,यह व्यापक रूप से प्रलेखित है कि शरीर में ऊतकों stiffnesses की एक विस्तृत श्रृंखला पर कब्जा। 23 जैसे, धुन करने की क्षमता ऐसी लोचदार मापांक ई 'या कतरनी लोचदार मापांक जी' के रूप में biomaterials, के यांत्रिक गुणों, ऊतक इंजीनियरिंग में एक उपयोगी उपकरण है । जैसा कि ऊपर वर्णित है, bioink यांत्रिक गुणों पर नियंत्रण है कि लक्ष्य अंग प्रकार की है कि मैच से बाहर निकालना आधारित biofabrication एक नरम जेल, जो फिर आगे एक बाद की बात है, जिस पर लोचदार मापांक का स्तर प्राप्त किया जा सकता है पर माध्यमिक crosslinking से छेड़छाड़ कर सकते हैं प्रयोग करने के लिए अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, biomaterials इन organoids की क्षमता में कार्य करने के लिए बढ़ रही है 23 एक देशी जिगर की तरह 5-10 किलो पास्कल की कठोरता मैच के लिए, या देशी हृदय के ऊतकों की तरह 10-15 किलो पास्कल की कठोरता मैच, सिद्धांत में 24,25 अनुकूलित किया जा सकता उनके पैतृक ऊतक समकक्षों के लिए एक समान तरीके से। सेल phenotype पर पर्यावरण कठोरता के प्रभाव के विस्तार किया गया गया हैहाल के वर्षों में lored, विशेष रूप से स्टेम सेल के संबंध में। Engler एट अल। सब्सट्रेट कि लोच मिलान सब्सट्रेट की है कि ऊतक लोच के साथ प्रजातियों के प्रति mesenchymal स्टेम सेल (एमएससी) ड्राइविंग में सहायता प्राप्त प्रदर्शन किया। 25 इस अवधारणा को आगे मांसपेशी में भेदभाव, हृदय समारोह, जिगर phenotype, hematopoietic स्टेम सेल प्रसार के लिए पता लगाया गया है और स्टेम सेल चिकित्सीय क्षमता के रखरखाव। 24,26-29 धुन करने के लिए सक्षम होने के नाते अलग लोचदार moduli करने के लिए एक हाइड्रोजेल एक biomaterial है कि ऊतक निर्माणों biofabricate करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा की एक महत्वपूर्ण विशेषता है। 30
यहाँ हम एक प्रोटोकॉल है कि एक बहुमुखी हमारी प्रयोगशाला में इस्तेमाल एक हाइड्रोजेल प्रणाली है कि बाहर निकालना bioprinted जा सकती है तैयार करने के लिए दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है, और 1 के लिए अनुकूलित) एक विशेष ऊतक प्रकार के जैव रासायनिक प्रोफ़ाइल होते हैं और 2) है कि ऊतक प्रकार की लोचदार मापांक नकल का वर्णन । इन आवश्यकताओं को संबोधित करके, हम पी के लिए लक्ष्यएक सामग्री है कि इन विवो की physiochemical और जैविक विशेषताओं पुनरावृत्ति कर सकते हैं rovide ऊतक। 31 मॉड्यूलर हाइड्रोजेल समग्र प्रणाली यहाँ बताया लाभ एक बहु तिर्यक दृष्टिकोण के extrudable bioinks उपज के लिए लेता है, और स्थिर करने के लिए एक उच्च माध्यमिक crosslinking अनुमति देता है और कठोरता बढ़ जाती है अंत उत्पादों प्रकार के ऊतकों की एक श्रृंखला के मैच के लिए। बायोकेमिकल अनुकूलन ऊतक विशेष ईसीएम घटकों का उपयोग करके पूरा किया जाता है। एक प्रदर्शन के रूप में, हम कार्यात्मक जिगर organoid निर्माणों bioprint को यह हाइड्रोजेल प्रणाली का एक जिगर-विशिष्ट किस्म को रोजगार। प्रोटोकॉल वर्णित एक कस्टम 3-डी bioprinting डिवाइस का उपयोग करता है। सामान्य में, इस प्रोटोकॉल के सबसे बाहर निकालना आधारित प्रिंटर के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, विशिष्ट मुद्रण मापदंडों उपकरण के प्रत्येक प्रकार के लिए नाटकीय रूप से भिन्न है और उपयोगकर्ता द्वारा परीक्षण की आवश्यकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
वहाँ कई घटक है कि जब मनुष्य में या इन विट्रो स्क्रीनिंग अनुप्रयोगों के लिए, 3-डी ऊतक निर्माणों biofabricate करने के प्रयास में अंतिम उपयोग के लिए विचार करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। उचित सेलुलर घटकों को रोजगा?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों कृतज्ञता डिफेंस थ्रेट रिडक्शन एजेंसी (DTRA) अंतरिक्ष और नौसेना वारफेयर सिस्टम केंद्र प्रशांत (एसएससी प्रशांत) अनुबंध सं N6601-13-C-2027 के तहत द्वारा धन स्वीकार करते हैं। इस सामग्री के प्रकाशन के निष्कर्षों या निष्कर्ष के साथ साथ सरकार द्वारा अनुमोदन का गठन नहीं है।
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 |
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