Tutkijat luovat 3D-tulostettua elävää keuhkokudosta

UBC Okanaganin tutkijat ovat kehittäneet 3D-biotulostetun mallin, joka jäljittelee tarkasti luonnollisen keuhkokudoksen monimutkaisuutta – innovaatio, joka voisi mullistaa tapaa, jolla tiedemiehet tutkivat keuhkosairauksia ja kehittävät uusia hoitoja.

Irving K. Barberin luonnontieteellisen tiedekunnan apulaisprofessori, tohtori Emmanuel Osei, sanoo, että malli tuottaa kudosta, joka muistuttaa läheisesti ihmisen keuhkojen monimutkaisuutta, mikä voisi parantaa hengityselinsairauksien testausta ja lääkekehitystä.

”Jotta voimme tehdä tutkimustamme ja testejä, joissa tutkimme monimutkaisten keuhkosairauksien mekanismeja löytääksemme lopulta uusia lääkekohteita, meidän on kyettävä luomaan malleja, jotka ovat verrattavissa ihmiskudokseen”, hän sanoo.

Tutkijaryhmä käytti valoherkästä polymeerimodifioidusta gelatiinista ja polyetyleeniglykolidiakrylaatti-nimisestä polymeeristä valmistettua biomustetta 3D-tulostaakseen useita solutyyppejä ja kanavia sisältävän hydrogeelin ihmisen hengitysteiden verisuonirakenteen uudelleen luomiseksi.

Tulostettuaan hydrogeeli käyttäytyy paljolti samalla tavalla kuin keuhkokudoksen monimutkainen mekaaninen rakenne, mikä parantaa tapaa, jolla tutkimme solujen reagointia ärsykkeisiin.

”Tavoitteenamme oli luoda fysiologisesti relevanttisempi in vitro -malli ihmisen hengitysteistä”, sanoo tohtori Osei, joka työskentelee myös UBC:n sydän- ja keuhkoinnovaatiokeskuksessa. ”Integroimalla verisuonikomponentteja voimme mallintaa paremmin keuhkoympäristöä, mikä on ratkaisevan tärkeää tautien tutkimisessa ja lääkkeiden testaamisessa.”

Tohtori Osei selitti, että kun henkilöllä diagnosoidaan keuhkosyöpä, kirurgi voi – potilaan suostumuksella – poistaa sairastumisalueen sekä osan normaalista keuhkokudoksesta ja lahjoittaa nämä näytteet tutkijoille.

”Tutkijalla ei kuitenkaan ole kontrollia siitä, kuinka paljon kudosta hän saa”, hän selittää. ”Joskus laboratorioon tuodaan vain pieni kudospala, jota käsitellään erilaisilla kemikaaleilla testausta varten. Nyt 3D-biotulostuksen avulla voimme eristää soluja näistä luovuttajakudoksista ja mahdollisesti luoda lisää kudosta ja testinäytteitä laboratorioissamme tehtävää tutkimusta varten ilman, että tarvitsemme uusia luovuttajanäytteitä.”

Monet keuhkosairaudet ovat tällä hetkellä parantumattomia, mukaan lukien krooninen obstruktiivinen keuhkosairaus (COPD), astma, idiopaattinen keuhkofibroosi ja syöpä, tohtori Osei sanoi. Mahdollisuus luoda malleja testausta varten on merkittävä askel eteenpäin hengityselinsairauksien tutkimuksessa ja lääkekehityksessä.

Tutkimus, joka julkaistiin Biotechnology and Bioengineering -lehdessä yhteistyössä Mitacsin kanssa ja jota Providence Health Care tukee, on askel kohti keuhkosairauksien, kuten arpeutumisen ja tulehduksen, näkökohtien ymmärtämistä ja voi johtaa tuleviin hoitoihin useille sairauksille.

Artikkelissa kuvattiin testejä, joissa bioprintattu 3D-malli altistettiin tupakansavuutteelle, minkä ansiosta tutkijat havaitsivat tulehdusta edistävien sytokiinien lisääntymistä. Sytokiinit ovat keuhkokudoksen nikotiinivasteen markkereita.

”Se, että pystyimme luomaan tämän mallin ja sitten käyttämään tiettyjä laukaisevia tekijöitä, kuten tupakansavua, osoittaaksemme, miten malli reagoi keuhkosairauksien eri osa-alueisiin ja jäljittelee niitä, on merkittävä askel eteenpäin keuhkosairauksien monimutkaisten mekanismien ymmärtämisessä ja auttaa meitä ymmärtämään, miten niitä hoidetaan”, sanoo tohtori Osei.

”Mallimme on monimutkainen, mutta biotulostuksen toistettavuuden ja optimaalisen luonteen ansiosta sitä voidaan mukauttaa lisäämällä siihen muita solutyyppejä tai tietyiltä potilailta peräisin olevia soluja, mikä tekee siitä tehokkaan työkalun yksilölliseen lääketieteeseen ja tautien mallintamiseen.”

Tohtori Osei huomauttaa, että tämän työn jatkaminen asettaa hänen tutkimusryhmänsä ainutlaatuiseen asemaan tehdä yhteistyötä kollegoiden kanssa esimerkiksi UBC:n Immunobiology Eminence Research Excellence Clusterista, biotekniikkayrityksistä ja kaikista biokeinotekoisten mallien kehittämisestä kiinnostuneista.