3D 프린팅된 혈관으로 인공 장기를 현실에 더 가깝게 만들다

신체 외부에서 기능성 인간 장기를 성장시키는 것은 장기 이식 의학에서 오랫동안 추구해 온 "성배"이지만 여전히 파악하기 어렵습니다. Harvard의 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering과 John A. Paulson School of Engineering and Applied Science(SEAS)의 새로운 연구는 이 탐구의 완성에 한 걸음 더 다가섰습니다.

과학자 팀은 평활근 세포의 독특한 "껍질"을 가진 상호 연결된 혈관과 유체가 흐를 수 있는 속이 빈 "핵심"을 둘러싸고 있는 내피 세포로 구성된 혈관 네트워크를 3D 프린팅하는 새로운 방법을 개발했습니다. . 이 혈관 구조는 자연적으로 발생하는 혈관의 구조와 매우 유사하며 이식 가능한 인간 장기를 제조할 수 있는 방향으로의 상당한 진전을 나타냅니다.

"이전 작업에서 우리는 살아있는 세포 매트릭스 내의 빈 채널을 패턴화하기 위해 "기능 조직의 희생 쓰기"(SWIFT)로 알려진 새로운 3D 바이오프린팅 방법을 개발했습니다. 여기서는 이 방법을 기반으로 동축 SWIFT(공동축 SWIFT)를 소개합니다. SWIFT)는 기본 혈관에서 발견되는 다층 구조를 요약하여 상호 연결된 내피를 더 쉽게 형성하고 혈류의 내부 압력을 견딜 수 있도록 더 견고하게 만듭니다."라고 공동 연구실 SEAS 대학원생인 제1저자 Paul Stankey는 말했습니다.

팀이 개발한 주요 혁신은 인쇄된 용기를 구성하는 "잉크"(콜라겐 기반 쉘 잉크 및 젤라틴 기반 코어 잉크)에 대해 독립적으로 제어할 수 있는 두 개의 유체 채널을 갖춘 독특한 코어-쉘 노즐이었습니다. 노즐의 내부 코어 챔버는 쉘 챔버보다 약간 확장되어 노즐이 이전에 인쇄된 용기에 완전히 구멍을 뚫어 인간 조직과 기관에 충분한 산소 공급을 위한 상호 연결된 분기 네트워크를 생성할 수 있습니다. ~을 통해 관류. 인쇄 속도나 잉크 유속을 변경하여 인쇄 중에 용기의 크기를 변경할 수 있습니다.

새로운 co-SWIFT 방법이 작동하는지 확인하기 위해 팀은 먼저 다층 용기를 투명한 과립형 하이드로겔 매트릭스에 인쇄했습니다. 다음으로 그들은 살아있는 근육 조직의 조밀한 섬유 구조를 복제하는 다공성 콜라겐 기반 물질로 구성된 uPOROS라는 최근 생성된 매트릭스에 혈관을 인쇄했습니다. 그들은 세포가 없는 두 매트릭스 모두에서 분기형 혈관 네트워크를 성공적으로 인쇄할 수 있었습니다. 이러한 생체 모방 용기가 인쇄된 후 매트릭스가 가열되어 매트릭스와 쉘 잉크의 콜라겐이 교차 결합되고 희생 젤라틴 코어 잉크가 녹아 쉽게 제거되고 개방되고 관류 가능한 혈관 구조가 생성됩니다.

생물학적으로 더 관련성이 높은 재료로 이동하면서 팀은 인간 혈관의 바깥층을 구성하는 평활근 세포(SMC)가 주입된 쉘 잉크를 사용하여 인쇄 과정을 반복했습니다. 젤라틴 코어 잉크를 녹인 후 그들은 인간 혈관의 내부 층을 형성하는 내피 세포(EC)를 혈관계에 관류했습니다. 7일간의 관류 후에 SMC와 EC는 모두 살아 있었고 혈관벽 역할을 했습니다. EC가 없는 혈관에 비해 혈관 투과성이 3배 감소했습니다.

마침내 그들은 살아있는 인간 조직 내에서 그들의 방법을 테스트할 준비가 되었습니다. 그들은 수십만 개의 심장 기관 빌딩 블록(OBB)을 만들었습니다. 심장 기관 빌딩 블록(OBB)은 뛰는 인간 심장 세포의 작은 구체로, 조밀한 세포 매트릭스로 압축되어 있습니다. 다음으로, co-SWIFT를 사용하여 생체 모방 혈관 네트워크를 심장 조직에 인쇄했습니다. 마지막으로 희생 코어 잉크를 제거하고 SMC가 함유된 용기의 내부 표면에 EC를 뿌렸습니다. ~을 통해 관류하고 그들의 성과를 평가했습니다.

이러한 인쇄된 생체모방 혈관은 인간 혈관의 특징적인 이중층 구조를 표시했을 뿐만 아니라 혈액 모방 유체를 5일 동안 관류한 후 심장 OBB가 동시에 박동하기 시작했습니다. 이는 건강하고 기능적인 심장 조직을 나타냅니다. 조직은 또한 일반적인 심장 약물에도 반응했습니다. 즉, 이소프로테레놀은 조직의 박동을 더 빠르게 했고 블레비스타틴은 박동을 멈추었습니다. 팀은 실제 환자의 좌관상동맥 분기 혈관계 모델을 OBB로 3D 프린팅하여 맞춤형 의학의 가능성을 보여주기도 했습니다.

Lewis는 "실제 환자의 데이터를 기반으로 좌관상동맥의 혈관계 모델을 성공적으로 3D 프린팅할 수 있었으며, 이는 환자별 혈관화된 인간 장기를 생성하기 위한 co-SWIFT의 잠재적인 유용성을 입증했습니다."라고 말했습니다.

향후 연구에서 Lewis 팀은 자가 조립된 모세혈관 네트워크를 생성하고 이를 3D 프린팅된 혈관 네트워크와 통합하여 미세 규모에서 인간 혈관의 구조를 보다 완벽하게 복제하고 실험실에서 성장한 조직의 기능을 향상시킬 계획입니다.

"실험실에서 기능성 살아있는 인간 조직을 엔지니어링하는 것이 어렵다고 말하는 것은 절제된 표현입니다. 인간의 심장 조직을 능가하여 살아있는 내에서 실제로 더 나은 혈관을 구축할 수 있음을 입증한 이 팀의 결단력과 창의성이 자랑스럽습니다. 언젠가 실험실에서 배양한 조직을 환자에게 이식하려는 노력이 계속해서 성공하기를 기대합니다"라고 Wyss 창립 이사인 Donald Ingber, MD, Ph.D가 말했습니다. 잉버는 역시 유다 포크만 혈관 생물학 교수 HMS와 보스턴 아동병원에서 Hansjörg Wyss 생물학적 영감 공학 교수 SEAS에서.

논문의 추가 저자로는 Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort 및 Sebastien Uzel이 있습니다. 이 작업은 해군 연구 보조금 N00014-21-1-2958 사무국을 통해 연구 및 엔지니어링 차관보의 기초 연구실과 CELL-MET를 통한 국립 과학 재단이 후원하는 Vannevar Bush 교수 펠로우십 프로그램의 지원을 받았습니다. ERC(#EEC-1647837).

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240807225648.htm