W badaniach translacyjnych tworzenie modeli 3D in vitro, które ściśle odwzorowują środowisko in vivo, jest niezbędne do pogłębiania wiedzy naukowej i rozwoju terapeutycznego1. Kluczowym elementem w ich budowie jest zastosowanie analogów macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), takich jak rozpuszczalne ekstrakty z błony podstawnej (SBM), które lepiej odzwierciedlają złożoność naturalnych tkanek. SBM są szczególnie cenne w różnych dziedzinach badawczych, od inżynierii tkankowej po testowanie leków2,3. W szczególności stały się one fundamentalne w badaniach nad rakiem, ponieważ odtwarzają mechaniczne i biochemiczne cechy mikrośrodowiska guza, umożliwiając opracowanie modeli, które lepiej odzwierciedlają wzrost guza, przerzuty i reakcje na leczenie.
Rzeczywiście, pomimo znacznego postępu w ciągu ostatnich kilku dekad, wiele terapii nadal zawodzi, co prowadzi do częstych niepowodzeń leczenia w warunkach klinicznych. Niepowodzenie to jest często przypisywane mechanizmom oporności na leki spowodowanym wysokim poziomem heterogeniczności komórek4,5. Skuteczne modele in vitro, zdolne do dokładnego odtworzenia złożoności ludzkich nowotworów, mają kluczowe znaczenie dla lepszego zrozumienia ewolucji nowotworów i przewidywania tego zjawiska.
Tradycyjne hodowle komórkowe 2D były podstawą badań nad rakiem, ale mogą prowadzić do mylących informacji na temat skuteczności leków i zachowania guza, ponieważ nie są w stanie uchwycić struktury 3D i mikrośrodowiska rzeczywistych guzów6,7,8. W przeciwieństwie do tego, modele 3D in vitro okazały się obiecującą alternatywą, oferując dokładniejsze odwzorowanie mikrośrodowiska guza i zachowań biologicznych poprzez naśladowanie złożoności 3D9,10.
W badaniach nad rakiem, organoidy są powszechnie używane jako modele 3D do badania chorób i skuteczności leków, ponieważ dostarczają dokładniejszych i bardziej odpowiednich modeli ludzkich tkanek i organów. Zastosowanie SBMe, pochodzącego z komórek mięsaka myszy Engelbreth-Holm-Swarm, miało kluczowe znaczenie dla postępu w badaniach nad rakiem11,12. Zapewnia żelowy substrat, w którym komórki mogą rosnąć, namnażać się i samoorganizować w struktury organoidowe, zapewniając prawidłowy rozwój i wzrost13,14.
Jednak SBMe stawia wiele wyzwań ze względu na swoje unikalne i złożone cechy. Jako płyn nienewtonowski, SBMe wykazuje właściwości rozrzedzania przy ścinaniu, co oznacza, że jego lepkość maleje wraz ze wzrostem naprężeń ścinających, co sprawia, że jego obsługa i zastosowanie są niespójne pod wpływem zmiennych sił. Dodatkowo, jego tiksotropowe zachowanie zwiększa złożoność, ponieważ może odzyskać swoją lepkość z czasem, gdy naprężenia ścinające zostaną usunięte15,16. Właściwości te, w połączeniu z niską wytrzymałością mechaniczną (przy wartościach modułu przechowywania w zakresie od 10 Pa do 5 000 Pa w zależności od stężenia białka) i zachowaniem termowrażliwym, pogarszają te wyzwania, wymagając skrupulatnej kontroli podczas przygotowania i użytkowania, a także biodruku w czystej postaci.
Standardowe systemy biodruku sterowane pneumatycznie nie są w stanie prawidłowo kontrolować dozowania SBMe, ponieważ zastosowanie ciśnienia powoduje niekontrolowane zachowanie po jego wyrzuceniu ze strzykawki. Wpływa na to zjawisko podobne do efektu "zrywu" opisanego dla stopów polimerowych, w którym natężenie przepływu gwałtownie wzrasta powyżej pewnej wartości ciśnienia krytycznego17,18,19. Jak podaliśmy w naszym poprzednim work16, strategia dozowania z kontrolą objętości pozwala na odłączenie ekstruzji SBMe od ciśnienia wytwarzanego w dozowniku, które jest zależne od właściwości reologicznych matrycy, warunków pracy i geometrii dyszy. W ostatnich latach na rynku podjęto kilka prób wykorzystania tej samej zasady, z Matribotem firmy Corning na czele. Umożliwia obsługę i osadzanie SBMe i innych biotuszy wrażliwych na temperaturę dzięki kontrolowanym warunkom temperaturowym. Może to być jednak kosztowne, co ogranicza dostępność dla mniejszych laboratoriów.
W naszym poprzednim artykule przedstawiliśmy tanią, niestandardową alternatywę - wolumetryczny system biodruku16. Ta wersja została oparta na zmodyfikowanej drukarce 3D klasy podstawowej z niestandardowym ekstruderem wydrukowanym w 3D. Pomimo swojej skuteczności w biodruku, stwarzał pewne ograniczenia w powtarzalności druku. Wywodzi się z drukarki 3D klasy podstawowej, miał pewne problemy z ruchami Z i automatycznym naprowadzaniem. Aby sprostać tym potrzebom, opracowaliśmy zaawansowaną wersję naszego niestandardowego, taniego systemu dozowania wolumetrycznego oraz specjalny protokół do biodruku struktur za pomocą SBMe.
Tutaj udostępniamy protokoły budowy i użytkowania tego systemu. Składa się z niestandardowej wytłaczarki sterowanej objętościowo, opartej na naszym poprzednim badaniu16, obudowy biodrukarki i systemu sterowania. Produkcja i montaż wykonywane są dla każdego modułu. Po złożeniu i zaprogramowaniu za pomocą określonego pliku gcode, zgodnie z opisem protokołu obsługi matrycy, system jest w stanie drukować czyste lub rozcieńczone konstrukcje przy użyciu SBMe z dobrą wiernością kształtu zarówno w jednej, jak i wielu warstwach.