In der translationalen Forschung ist die Erstellung von 3D-In-vitro-Modellen, die die In-vivo-Umgebung genau nachbilden, unerlässlich, um das wissenschaftliche Verständnis und die therapeutische Entwicklung voranzutreiben1. Eine Schlüsselkomponente bei ihrer Herstellung ist die Verwendung von extrazellulären Matrix-Analoga (ECM), wie z. B. lösliche Basalmembranextrakte (SBMes), die die Komplexität des natürlichen Gewebes besser widerspiegeln. SBMes sind in einer Vielzahl von Forschungsbereichen besonders wertvoll, vom Tissue Engineering bis hin zu Wirkstofftests 2,3. Insbesondere sind sie in der Krebsforschung von grundlegender Bedeutung, da sie mechanische und biochemische Eigenschaften der Tumormikroumgebung replizieren und so die Entwicklung von Modellen ermöglichen, die das Tumorwachstum, die Metastasierung und das Ansprechen auf die Behandlung besser widerspiegeln.
Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahrzehnten versagen viele Therapien weiterhin, was zu häufigem Versagen der Behandlung im klinischen Umfeld führt. Dieses Versagen wird häufig auf Arzneimittelresistenzmechanismen zurückgeführt, die durch ein hohes Maß an Zellheterogenität verursacht werden 4,5. Effektive In-vitro-Modelle, die in der Lage sind, die Komplexität menschlicher Tumore genau zu rekapitulieren, sind entscheidend, um die Krebsentwicklung besser zu verstehen und dieses Phänomen zu antizipieren.
Traditionelle 2D-Zellkulturen waren grundlegend in der Krebsforschung, können aber zu irreführenden Informationen über die Wirksamkeit von Medikamenten und das Tumorverhalten führen, da sie die 3D-Struktur und Mikroumgebung tatsächlicher Tumore nicht erfassen 6,7,8. Im Gegensatz dazu haben sich 3D-In-vitro-Modelle als vielversprechende Alternativen herausgestellt, die eine genauere Darstellung der Mikroumgebung und des biologischen Verhaltens von Tumoren bieten, indem sie die 3D-Komplexität nachahmen 9,10.
In der Krebsforschung werden Organoide häufig als 3D-Modelle zur Untersuchung von Krankheiten und der Wirksamkeit von Medikamenten verwendet, da sie genauere und relevantere Modelle von menschlichen Geweben und Organen liefern. Die Verwendung von SBMe, das aus Engelbreth-Holm-Swarm-Maussarkomzellen gewonnen wird, war entscheidend für die Weiterentwicklung der Krebsforschung11,12. Es bietet ein gelartiges Substrat, in dem Zellen wachsen, sich vermehren und sich selbst zu organoiden Strukturen organisieren können, um eine ordnungsgemäße Entwicklung und ein ordnungsgemäßes Wachstum zu gewährleisten13,14.
SBMe stellt jedoch aufgrund seiner einzigartigen und komplexen Eigenschaften eine Reihe von Herausforderungen dar. Als nicht-newtonsches Fluid weist SBMe scherverdünnende Eigenschaften auf, was bedeutet, dass seine Viskosität mit zunehmender Scherspannung abnimmt, was seine Handhabung und Anwendung bei variablen Kräften inkonsistent macht. Darüber hinaus trägt sein thixotropes Verhalten zur Komplexität bei, da es seine Viskosität im Laufe der Zeit wiederherstellen kann, wenn die Scherspannung entfernt wird15,16. Diese Eigenschaften, zusammen mit der geringen mechanischen Festigkeit (mit Werten des Speichermoduls zwischen 10 Pa und 5.000 Pa je nach Proteinkonzentration) und dem wärmesensitiven Verhalten, verschlimmern diese Herausforderungen und erfordern eine sorgfältige Kontrolle während der Herstellung und Verwendung sowie den Biodruck in reiner Form.
Standardmäßige pneumatisch betriebene Bioprinting-Systeme sind nicht in der Lage, die SBMe-Abgabe richtig zu steuern, da die Anwendung von Druck ein unkontrollierbares Verhalten nach dem Auswurf aus der Spritze verursacht. Er wird von einem Phänomen beeinflusst, das dem für polymere Schmelzen beschriebenen "Spurt"-Effekt ähnelt, bei dem die Durchflussrate abrupt über einen bestimmten kritischen Druckwert 17,18,19 ansteigt. Wie in unserer vorherigen Arbeit16 berichtet, ermöglicht die volumetrische Dosierstrategie die Entkopplung der SBMe-Extrusion von dem im Dispenser erzeugten Druck, der von den rheologischen Eigenschaften der Matrix, den Arbeitsbedingungen und der Düsengeometrie abhängt. In den letzten Jahren wurden auf dem Markt mehrere Versuche unternommen, das gleiche Prinzip auszunutzen, wobei der Matribot von Corning den Weg weist. Es ermöglicht die Handhabung und Abscheidung von SBMe und anderen temperaturempfindlichen Biotinten dank kontrollierter Temperaturbedingungen. Es kann jedoch teuer sein, was die Zugänglichkeit für kleinere Labore einschränkt.
In unserer vorherigen Arbeit haben wir eine kostengünstige kundenspezifische Alternative vorgestellt - ein volumetrisch angetriebenes Bioprinting-System16. Diese Version basierte auf einem modifizierten 3D-Drucker der Einstiegsklasse mit einem benutzerdefinierten 3D-gedruckten Extruder. Trotz seiner Wirksamkeit im Bioprinting wies es einige Einschränkungen bei der Wiederholbarkeit des Drucks auf. Da er von einem Einsteiger-3D-Drucker abgeleitet war, hatte er einige Probleme mit den Z-Bewegungen und dem Auto-Homing. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben wir eine weiterentwickelte Version unseres kundenspezifischen, kostengünstigen volumetrischen Dosiersystems und ein spezifisches Protokoll für das Bioprinting von Strukturen mit SBMe entwickelt.
Hier stellen wir Protokolle für den Aufbau und die Nutzung dieses Systems zur Verfügung. Es besteht aus einem kundenspezifischen volumetrisch gesteuerten Extruder, der auf unserer vorherigen Studie16 basiert, einem Bioprinter-Gehäuse und einem Steuerungssystem. Produktion und Montage erfolgen für jedes Modul. Wenn das System mit einer speziellen gcode-Datei zusammengesetzt und programmiert wird, die der Protokollbeschreibung für die Matrixhandhabung folgt, ist es in der Lage, reine oder verdünnte Konstrukte mit dem SBMe mit guter Formtreue sowohl in Einzel- als auch in mehreren Schichten zu drucken.