우리는 함께 기능적 가능한 3 차원 조직의 구조체는 시험 관내 스크리닝의 용도 bioprinted 될 수있는 조직 흉내 낸 bioink 하이드로 겔을 제공하는 일련의 프로토콜을 설명한다.
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우리는 함께 기능적 가능한 3 차원 조직의 구조체는 시험 관내 스크리닝의 용도 bioprinted 될 수있는 조직 흉내 낸 bioink 하이드로 겔을 제공하는 일련의 프로토콜을 설명한다.
바이오프린팅은 조직 공학 장기 구조물을 만들기 위한 다목적 바이오프린팅 접근 방식으로 부상했습니다. 이러한 구조체는 환자에게 이식하기 위한 장기 대체물로 잠재적으로 사용될 수 있으며, 약물 및 독성학 스크리닝을 위한 체외 시스템에서 사용할 수 있는 모델 "오가노이드"로 더 작은 크기로 만들 때도 사용할 수 있습니다.
다양한 바이오프린팅 장치의 개발에도 불구하고, 바이오프린팅 절차의 신속화와 조직 특이적 단서를 제공하여 세포의 생존력과 기능을 지원하는 물질의 가용성으로 인해 바이오프린팅 기술의 적용이 제한될 수 있습니다. 여기에서는 조직 특이적 생화학적 신호를 제공하고 생체 내 조직의 기계적 특성을 모방할 수 있는 다중 가교제, 2단계 가교 프로토콜로 구성된 다목적 히알루론산(HA) 및 젤라틴 기반 하이드로겔 시스템에 대해 설명합니다.
생화학적 인자는 강력한 성장 인자를 포함하는 조직 유래 세포외 기질 물질을 통합함으로써 제공됩니다. 조직의 기계적 특성은 다양한 분자량, 기하학(선형 또는 다중군) 및 작용기를 가진 PEG 기반 교차결합제의 제어된 조합으로 넓은 범위(100 Pa - 20 kPa)에 걸쳐 압출 가능한 바이오잉크와 최종 구조 전단 강성 값을 생성합니다. 이러한 파라미터를 사용하여 하이드로겔 바이오잉크를 사용하여 간 특이적 바이오잉크에 1차 간 스페로이드를 바이오프린팅하여 높은 세포 생존율과 측정 가능한 기능성 알부민 및 요소 출력을 가진 체외 간 구조체를 생성했습니다. 이 방법론은 광범위한 조직 구성 유형의 바이오 제조를 위한 하이드로겔의 향후 맞춤화에 적용할 수 있는 일반적인 프레임워크를 제공합니다.
최근, 다양한 기술이이를 제조 또는 biofabricate 모색하여 기능 기관 및 조직의 대체 소스에 대한 필요성을 해결이 가능하게되었다. Bioprinting는이 기술의 가장 유망한 중 하나로 떠오르고있다. Bioprinting은 3 차원 패턴 가능한 기관 형상 또는 조직과 같은 구조를 구축하거나 사용할 수있는 생물학적 부품 로봇 첨가제 제조의 형태로 생각 될 수있다. 대부분의 경우 1 bioprinting 3 (3 차원을 채용 -D)함으로써 recapitulating 정확한 위치로 세포 및 생체 물질을 증착하기 위해 컴퓨터에 의해 지시되는 인쇄 장치 생리 아키텍처 해부학을 흉내 낸.이 이러한 장치 세포 집합체의 형태를 취할 수있는 "bioink"를 인쇄 하이드로 캡슐화 세포 점성 유체, 또는 셀 시드 미세 전달체뿐만 아니라 무 세포 PLA 기계적 구조 또는 행위를 제공하는 무 세포 중합체ceholders. 3,4- bioprinting 처리 후는, 결과 구조는 기능적 조직 또는 기관 구조로 성숙하고 의도 된 최종 애플리케이션에 사용될 수있다. -5,6- 현재까지 완전한 완전히 기능 인간 크기 기관이 인쇄되지 않은, 하지만이 연구 개발 bioprinting의 주요 장기 목표가 남아있다. (2) 그러나, "organoid"티슈 구조물은 병리 모델링, 약물 개발 및 독성 검사를 포함하여 응용 프로그램으로 구현되는 소규모.
연구자 bioprinting 기술을 적용 발생한 주요 장애물 중 하나는 매우 적은 재료 bioprinting의 명시적인 목적으로 개발 된 것이있다. 효과적으로 bioprinting에서 성공하기 위해, 생체 재료 (4) 기본 요구 사항을 충족해야합니다. 바이오 물질이 증착을 허용하도록 1) 적절한 기계적 특성을 가질 필요가 (이것은 겔 또는 I와 같은 노즐을 통해 압출 될액적으로서 nkjet) 증착 후의 3 차원 구조의 구성 요소로 그 형상을 유지하기 위해, 2) 기능, 3)이 종래의 특성에 대한 사용자 제어 및 4) 셀 친절한 지원 환경에서 모든 기능 bioprinting 절차의 단계. 7 역사적으로, 작업을 bioprinting는 종종 대신 bioprinting 및 후속 후 인쇄 응용 프로그램에 필요한 특성을 가지고 생체 재료의 설계, 자신의 호환성을 고려하지 않고 bioprinting 장치에서 기존의 전통적인 생체 재료를 사용하기 위해 노력하고 있습니다.
bioinks의 다양한 증착 및 제조 하드웨어와 더 나은 인터페이스에 최근에 개발되었다. 그들은 일반적으로 어느 전구체로서 충분한 기계적 특성, 또는 경우 노즐을 막히게 할 수있는 인쇄 또는 압출 공정에 망가가 중합 하이드로 유체 솔루션이 존재하기 때문에 표준 겔 시스템은 심각한 문제를 제기. 우리 팀뿐만 아니라 인접로rs는 하이드로 겔 기판에 세포 회전 타원체 인쇄, 마이크로 캐 필러 튜브에서 5,8 세포와 하이드로 겔 필라멘트 압출, 동적 가교 특성을 가진 9-11 압출 히알루 론산 (HA) - 금 나노 입자 하이드로 겔을 포함하여 이러한 bioprinting 문제를 해결하기 위해 다양한 하이드로 겔 제형을 살펴 보았다 광중합을 사용하여 하이드로 겔 강도의 12 시간 제어, 17 HA 및 젤라틴, 13 피브리노겐 - 트롬빈 계 가교제, 14, 15의 이온 교환 알긴산 콜라겐 겔 (16) 메타 크릴 레이트 최근 급격한 중합 자외선 (UV) -initiated 가교
이러한 예는 효과적으로 bioprinted에 의해 수 생성 물질의 가능성을 보여줍니다. 그러나, 하드웨어의 통합에 추가하여, 성공적 가능한 기능적 3-D 조직 구조를 생성하기 위해, 생체 물질은 세포 유지를 지원하는 생화학 적 및 기계적 신호를 포함해야생존과 기능. 이러한 추가 요인, 생화학 적 및 기계적 프로필, bioprinted 조직 구조의 성공적인 기능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
두 세포 및 원시 세포 외 기질 (ECM)는 이러한 성장 인자 및 다른 세포에 다른 사이토킨 신호 분자로서 폭넓게 제시 할 책임이있다. 이들 신호의 결합 조직의 조직에서 다르지만, 세포 및 조직의 행동을 조절하는 매우 강력한 영향력 수있다. (18) 탐색 된 다른 기관으로부터 조직 특이 ECM 부품을 채용하고, 하이드로 겔 또는 하이드로 겔의 일부로서 구현 성공. 19-21, 주어진 조직 decellularizing을 분쇄하고, 용해 구성되는이 방법, 임의의 조직으로부터 조직 - 특이 적 생화학 적 신호를 생성하기 위해 3-D 하이드로 겔 구조에 혼입 될 수있는 이용 될 수있다. (22)
또한,그것이 널리 체내 조직을 강성의 넓은 범위를 차지하는 것이 설명되어있다. 이와 같이 23 튜닝 능력 등 탄성률 E '또는 전단 탄성률 G'와 같은 생체 재료의 기계적 특성, 조직 공학에서 유용한 도구 . 전술 한 바와 같이, bioink 기계적 특성 제어 대상 기관 유형과 일치하는 다음 상기 탄성률 레벨이 달성 될 수있는 나중 지점에서 이차 가교에 의해 조작 할 수있는 연질 겔을 사용하여 압출 기반 biofabrication 허용한다. 예를 들어, 생체 재료는에서 작동하는이 organoids의 능력 증가, 이론 (24, 25)을, 네이티브 간처럼 23 ~ 10 kPa로의 강성을 일치 또는 기본 심장 조직처럼 10 ~ 15 kPa로의 강성에 맞게 사용자 정의 할 수 그 나라 티슈 대응 유사한 방식. 세포 표현형에 환경 강성의 영향은 특급있다특히 줄기 세포에 대하여, 최근 lored. 잉글 러 외는. 조직 탄성 기판의 그것과 일치하는 계통으로 중간 엽 줄기 세포 (MSC)를 구동에서 도움이 기판 탄성을 보였다. (25) 이러한 개념은 상기 근육으로 분화, 심장 기능, 간 표현형, 조혈 줄기 세포의 증식에 대한 탐구 한 및 줄기 세포 치료 가능성의 유지. 24,26-29 조정할 수있는 서로 다른 탄성률을 하이드로 겔은 조직 구조를 biofabricate 데 사용되는 생체 재료의 중요한 특징이다. (30)
여기에서는 압출 bioprinted 수있는 하이드로 겔 시스템을 공식화하기 위해 실험실에서 사용 다기능 방식을 나타내고, 특정의 조직 유형의 생화학 적 프로파일을 포함하고 2) 그 조직 유형의 탄성률을 모방) (1)에 정의 된 프로토콜을 설명 . 이러한 요구 사항을 해결함으로써, 우리는 페이지에 목표생체의 물리 화학적 및 생물학적 특성 요점을 되풀이 할 수있는 물질을 rovide 조직.도 31은 여기에 기술 된 모듈러 하이드로 복합 시스템은 압출의 bioinks을 수득 다중 가교 방식을 활용하고 안정화시키는 보조 가교 결합을 허용하고의 강성을 증가 최종 제품은 조직 유형의 범위와 일치한다. 생화학 커스터마이즈 조직 특이 ECM 성분을 사용하여 만족된다. 데모, 우리는 기능 간 organoid 구조를 bioprint이 하이드로 겔 시스템의 간 고유의 다양한 사용합니다. 기술 된 프로토콜은 사용자 3 차원 bioprinting 장치를 사용한다. 일반적으로,이 프로토콜은 대부분 압출 기반 프린터에 적용 할 수 있고, 특정 인쇄 파라미터는 장치의 각 유형에 대해 극적으로 변화하고, 사용자에 의해 검사를 필요로한다.
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1. 하이드로 겔 Bioink 제형 및 준비
2. 프린터 호환성 테스트
주 간를 구축과 Bioprinting 3. 검증
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전술 한 과정이 올바르게 준수 할 때 하이드로 겔은 표적 조직 유형 특정 생화학 적 프로파일을 포함한다 (20) bioprinting 최종 탄성률 (34)을 통해 고도의 제어를 허용 및 조직 구조물은 가능한 기능 셀을 지원한다.
히드로 겔 지정
가장 모방 네이티브간에, 하이드로 겔 bioink이 간 ECM 솔루션과 성장 인자 어레이에 의해 보충하고, 20 ECM 솔루션 (PG / ㎖,도 1a에 도시 됨) 성장 인자 및 사이토 카인의 다양한 포함한다. 이들은 뇌 유래 신경영 양인자 (BDNF), bFGF를, 뼈 형태 형성 단백질 5 (BMP-5), FGF-4, 인슐린 유사 성장 인자 결합 단백질 2 (IG...
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인간 또는 시험 관내 스크리닝 응용 프로그램에 대한 최종 사용, 3 차원 조직 구조를 biofabricate 할 때 고려해야 할 중요한 몇 가지 구성 요소가 있습니다. biofabrication 장치 자체는 최종 구조에 도달하기위한 일반적인 방법을 결정하는 동안 적절한 세포 성분을 이용하는 것은 최종 잠재적 기능을 결정한다. 이 이중 역할을 역할로 세 번째 구성 요소, 바이오 물질은 똑같이 중요하다. 특히, 생체 재료의 구성 요소는 biofabrication 하드웨어 (즉, bioprinters) 또한 잠재적으로 취약한 생물학적 세포 구성 요소를 지원 모두 호환 가능해야합니다. 이러한 요구 사항을 모두 최적화 bioprintable 물질은 몇 가지 중요한 변수를 충족시킬 필요에 따라 어려울 수있다 : 1)을 효율적이고 방해 인쇄를 용이하게하기 위해 적절한 화학, 기계 및 시간적 특성을 갖는다; 제조 단계 및 bioprin 중에 2)지지 세포 생존팅 절차; 3) 최적의 세포 생존과 bioprint...
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저자는 공개 아무것도 없어.
저자는 기꺼이 공간과 해군 전쟁 시스템 센터 태평양 (SSC PACIFIC) 계약 번호 N6601-13-C-2027에서 국방 위협 감소기구 (DTRA)에 의해 자금을 인정합니다. 이 자료의 공개는 본 연구 결과 나 결론 정부의 승인을 구성하지 않습니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 히알루론산 | Sigma | 53747 | |
| 젤라틴 | Sigma | G6144 | |
| 2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | Sigma | 410896 | |
| 히알루론산 및 젤라틴 하이드로겔 키트(HyStem-HP) | ESI-BIO | GS315 | 키트에는 Heprasil(티올 및 헤파린 화 히알루론산), Gelin-S(티올화 히알루론산) 구성 요소가 포함되어 있습니다. 젤라틴) 및 Extralink(PEGDA) |
| PEG 8-Arm Alkyne, 10 kDa | Creative PEGWorks | PSB-887 | |
| 1차 인간 간세포 | 삼각 연구소 | HUCPM6 | |
| 1차 인간 간 성상 세포 | ScienCell | 5300 | |
| 1차 인간 쿠퍼 세포 | Life Technologies | HUKCCS | |
| 간세포 기저 매체(HBM) | Lonza | CC-3199 | |
| 간세포 배지 보충 키트 | Lonza | CC-3198 | HCM SingleQuot 키트 (아스코르브산, 0.5 밀리리터; 소 혈청 알부민 [지방산 무함유], 10 밀리리터; 겐타마이신 설페이트/암포테리신 B, 0.5 밀리리터; 하이드로 코르티손 21- 헤미숙시 네이트, 0.5 밀리리터; 인슐린, 0.5 밀리리터; 인간 재조합 표피 성장 인자, 0.5 밀리리터; 전송, 0.5 ml) |
| 트리톤 X-100 | 시그마 | T9284 | 다른 제조업체는 괜찮습니다. |
| 수산화 암모늄 | Fischer Scientific | A669 | 다른 제조업체는 괜찮습니다. |
| 신선한 돼지 사체 조직 | n/a | /a | |
| 동결건조기 | any | n/a | |
| Freezer mill | any | n/a | |
| Bioprinter | n/a | n/a | 여기에 설명된 바이오프린터는 사내에서 맞춤 제작되었습니다. 일반적으로 다른 장치는 하이드로겔 재료의 컴퓨터 제어 압출 기반 인쇄를 지원하는 경우 적절합니다. |
| 행잉 드롭 셀 배양 플레이트 | InSphero | CS-06-001 | InSphero GravityPlus 3D 배양 플랫폼 |
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