Levende cellen printen met gelatine

3D-printen is de toekomst voor heel wat toepassingen. Een van deze toepassingen is het reproduceren van levende weefsels voor de regeneratieve geneeskunde. Natuurlijke weefsels hebben een heel complexe (micro-)architectuur. Daarom is het belangrijk om levende cellen, de bouwstenen van levend weefsel, bij hoge resolutie te kunnen printen. Een van de moeilijkheden hierbij is het vinden van geschikte materialen of ‘bioinkten’. Daarom hebben we onderzoek gedaan naar nieuwe ‘bioinkten’ op basis van gelatine. Door gelatine chemisch aan te passen zijn we er voor het eerst in geslaagd om levende cellen te printen bij resoluties tot 1 micrometer, of 1 duizendste van een millimeter.

Cellen laten zich heel moeilijk verwerken met een 3D-printer. Bovendien overleven zij het printproces dikwijls niet of onvoldoende. Om dit op te lossen hebben wij de cellen in onze gelatine-‘bioinkt’ gemengd voor het printen. Maar om dit te kunnen doen moet deze bioinkt over enkele belangrijke eigenschappen beschikken.

De ideale bioinkt bootst de natuurlijke omgeving na en zal de cellen ondersteunen tijdens en na het printproces. Verder moet deze op termijn geleidelijk aan afgebroken worden door de cellen terwijl zij de geprinte vorm overnemen. Op die manier blijft er na verloop van tijd enkel het nieuw gevormde natuurlijke weefsel achter. Een materiaal dat aan veel van deze eigenschappen voldoet is gelatine, dat we onder andere kennen uit de keuken.

Cellenpudding

Gelatine, dat veelvuldig gebruikt wordt in de voedingsindustrie, is een zeer interessant materiaal voor 3D-printen van cellen. Het is namelijk niet giftig en afgeleid van collageen, wat de bouwsteen is van de natuurlijke cellulaire omgeving. Bovendien is het relatief goedkoop als bijproduct van de vleesindustrie. Een groot probleem van gelatine is echter dat het smelt op je tong, wat betekend dat het zal oplossen in je lichaam. Op die manier zou je 3D-geprinte orgaan snel veranderen in een cellenpudding.

Daarom hebben we gelatine in het huidig onderzoek chemisch aangepast, door het inbouwen van lichtgevoelige moleculen. Deze moleculen zullen na bestraling aan elkaar gelinkt worden zodat er 1 groot onoplosbaar gelatine netwerk gevormd wordt. Hierdoor blijft de structuur stabiel in het lichaam. Een bijkomend voordeel van het inbouwen van deze lichtgevoelige groepen, is dat we deze ‘bioinkten’ ook kunnen verwerken met licht gebaseerde 3D-printers zoals stereolithografie, digital light projection of multiphoton lithografie. Deze 3D-printers beschikken over hogere resoluties, en laten dus meer detail toe in de structuren.

De 3D-geprinte schuine rode gelatine ribbels oriënteren de oculaire cellen met blauwe kern in een bepaalde richting.

BruxCELLes: een microscopische omgeving voor de cellen

Gezien er veel verschillende soorten weefsels - met uiteenlopende kenmerken - zijn, is het belangrijk om de eigenschappen van de bioinkt te kunnen aanpassen. Dit kan op verschillende manieren. Eerst en vooral, kan gespeeld worden met de gelatine concentratie in het mengsel. Hoe hoger deze concentratie, hoe stijver het materiaal zal zijn na printen. Maar te hoge concentraties hebben een negatief effect op de cellen. Een tweede methode om de eigenschappen te beïnvloeden is door de soort en de hoeveelheid ingebouwde lichtgevoelige moleculen te variëren. Door reactievere moleculen in te bouwen kan de printefficiëntie heel sterk verbeterd worden.

Een extra moeilijkheid is om een materiaal te ontwikkelen dat ook zijn eigen gewicht kan dragen in complexe structuren. Een voorbeeld van zo een uitdagende structuur is het Atomium, dat ondersteund wordt door kleine structuren. Gezien we er voor het eerst in geslaagd zijn om dergelijke complexe structuren in gelatine te printen, opent dit ook mogelijkheden naar complexe weefsels.

Na optimalisatie van de bioinkt zijn wij er voor het eerst in geslaagd om levende cellen te printen in complexe 3D-structuren bij resoluties tot 1 micrometer.

BruxCELLes: dankzij de nieuw ontwikkelde bioinkten, kunnen complexe zelfdragende vormen zoals het Atomium geprint worden op celschaal. Deze veelbelovende resultaten openen de weg naar complexe weefselstructuren.

Minder dierproeven

Deze extreem hoge resolutie en de mogelijkheid tot printen in aanwezigheid van cellen, brengen het potentieel van deze technologie veel verder dan louter donor organen voor regeneratieve geneeskunde. Wat als je geneesmiddelen en shampoos zou kunnen testen op kleine 3D-geprinte weefsels in plaats van op dieren?  Denk aan 3D-geprinte bloedvaten, hersentumoren, placentabarieres, …

Dit is exact waar men op focust in het zogenaamde “orgaan-op-chip” toepassingen. Hierbij print men kleine functionele 3D-weefsels op een chip die voorzien is van kanaaltjes. Als men in deze kanaaltjes de geneesmiddelen brengt wordt hun effect op de cellen onmiddellijk duidelijk. Hierdoor bieden ze een alternatief aan dierproeven en kan geneesmiddelontwikkeling niet alleen een stuk humaner, maar ook een stuk vlotter verlopen. Er kan namelijk rechtstreeks gekeken worden naar de effecten op menselijk weefsel. Cruciaal hiervoor zijn de ontwikkelde bioinkten die hoge resolutie celprinten mogelijk maken.

Een bloedvat op een chip: In het rood zie je 3D-geprinte microbloedvaten met diameters tussen 10 en 30 micrometer. De rode kleur wordt gevormd door de aanwezige bloedvatcellen die op de wand van de bloedvaten groeien. De overige rode ‘vlekken’ zijn stamcellen die zich in de 3D-geprinte omgeving bevinden. Op die manier kom je al heel dicht in de buurt van echt weefsel om geneesmiddelen op te testen.

De weg naar de kliniek?

Op dit moment is de finale toepassing om donororganen te vervangen nog even toekomstmuziek en dient er nog heel wat onderzoek verricht te worden alvorens het kan aangewend worden in de regeneratieve geneeskunde.

Maar om de weg te verkorten worden de resultaten uit het huidige onderzoek nu reeds gebruikt als basis voor een spin-off project “XPECT INX” (www.XPECT-INX.com), waar deze bio-inkten verder ontwikkeld worden voor commerciële toepassingen. Een kleine stap dichter bij de (her)maakbare mens...

Jasper Van Hoorick is genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup. Ontdek meer over zijn onderzoek op www.phdcup.be.