3D 바이오프린팅으로 모방 매트릭스를 현실화하다

생명공학 조직에는 가상적인 것이 없습니다. 그러니 빨간 약과 파란 약을 드십시오.

Christine E. Schmidt 박사가 이끄는 University of Florida 실험실의 과학자들은 쥐의 폐를 탈세포화하고 세포외 기질(ECM)을 보존하기 위해 세포사멸 기반 방법을 사용했습니다. 과학자들은 ECM 하이드로겔을 재세포화하여 폐질환 모델을 만들 계획입니다. 이 3D 투영은 폐 ECM 하이드로겔에서 배양된 쥐의 폐 상피 세포를 보여줍니다(녹색: 살아있는 세포, 빨간색: 죽은 세포).

세포외 기질(ECM)은 콜라겐, 효소, 당단백질과 같은 거대분자의 3차원(3D) 네트워크로 주변 세포 간의 공간 방향, 상호 작용 및 신호 전달에 필수적입니다. ECM을 설계할 때 아이디어는 자연 조직 환경을 모방하고 매트릭스 기반 세포 조절에 대한 통찰력을 얻고 더 나아가 손상된 장기에 대한 대체품을 개발하는 것입니다.

모방 ECM은 3D 바이오프린팅을 통해 생생하게 구현됩니다. 기존 3D 프린팅의 확장인 3D 바이오프린팅은 조직과 같은 구조의 형성에 유리한 배열로 생체 재료(세포, 성장 인자 및 가교 가능한 지지체 구성 요소)를 증착하는 적층 제조 기술입니다. 3D 바이오프린팅은 세포 부착, 이동 증식 및 분화를 위한 최적의 물리적 및 생화학적 특성을 결합할 수 있기 때문에 재생 의학을 위한 강력한 도구로 떠오르고 있습니다.

3D 바이오프린팅 모델은 관련 세포 유형과 지원 매트릭스의 긴밀하게 제어된 통합을 제공하여 연구 커뮤니티에서 독특한 틈새 시장을 차지하고 있습니다. "[우리가] 합성 혈관을 만들고 싶다면 젤라틴, 피브린, 알지네이트 또는 기타 천연 물질에서 추출한 생체 적합성이 높은 바이오잉크 중 하나에 내피 세포를 심을 것입니다."라고 동료인 Akhilesh K. Gaharwar 박사는 말합니다. 텍사스 A&M 대학교 의생명공학 교수.

Gaharwar의 긴밀한 협력자이자 Texas A&M의 생의학 공학 조교수인 Abhishek Jain 박사는 다음과 같이 요점을 강조합니다. “3D 바이오프린팅은 CT 스캔의 개인화된 기하학적 구조를 포함하여 환자의 혈관 해부학을 정확하게 재현할 수 있습니다. 고분자 매트릭스와 세포 공동체를 계층화함으로써 우리는 시스템의 복잡성을 점진적으로 증가시켜 세포가 생리학적으로 적절한 방식으로 정렬, 상호 작용 및 반응하도록 합니다."

Gaharwar와 Jain은 복잡한 혈관계를 모델링하면 혈관 질환을 더 잘 치료할 수 있다고 믿습니다. 연간 1,700만 명 이상의 사망자를 차지하는 혈관 질환은 가까운 미래에 전염병 비율에 도달할 것으로 예상됩니다.

복잡한 혈관계는 다층의 세포 구조로 구성되어 있기 때문에 시험관 내에서 재현하기가 어렵습니다. 이 아키텍처는 기본적인 혈관 구조(세포의 내부 및 외부 층으로 구성된 혈관)를 유지할 뿐만 아니라 혈관 세포와 주변 미세 환경 사이에서 발생하는 복잡한 상호 작용을 지원합니다.

"3D 바이오프린팅은 벽의 이완 및 수축과 같은 기계적 특성뿐만 아니라 내피 활성화, 혈전 형성 및 기타 질병의 중요한 특징과 같은 생리학적 특성을 복제할 수 있는 모델을 제작할 수 있습니다."라고 Jain은 덧붙입니다. "우리 실험실에서는 압출 후 높은 형태 충실도와 가교 후 기계적 안정성을 유지하는 새로운 바이오잉크 제품군을 연구하고 있습니다."

가교는 하이드로겔을 생성하고, 하이드로겔은 디스크 모양의 나노규산염 나노입자와 결합되어 인쇄된 구조에 강도를 추가하고 대전된 폴리머에 정전기적으로 결합합니다. 나노실리케이트를 하이드로겔에 통합하면 인쇄된 제품의 전구체 용액의 흐름 특성이 크게 향상됩니다. 결과적으로 인쇄된 전구체를 UV 광선으로 가교시키면 독특하게 강하면서도 탄성이 있는 매트릭스가 생성되어 접목 절차에 적합합니다.1

Gaharwar는 “우리의 목표는 일차 인간 혈관 세포로 완전한 기능을 갖춘 혈관을 만들어 약물 발견을 가속화하는 것입니다. "[우리는] 전례 없는 수준으로 질병 과정 중 세포 간 의사소통을 탐구하기를 희망합니다."