Forskare skapar 3D-printad levande lungvävnad

Forskare vid UBC Okanagan har utvecklat en 3D-bioprintad modell som noggrant efterliknar komplexiteten hos naturlig lungvävnad – en innovation som kan förändra hur forskare studerar lungsjukdomar och utvecklar nya behandlingar.

Irving K. Barber, docent vid naturvetenskapliga fakulteten, säger att modellen producerar vävnad som mycket liknar komplexiteten hos den mänskliga lungan, vilket skulle kunna förbättra testning av luftvägssjukdomar och läkemedelsutveckling.

"För att kunna göra vår forskning och de tester vi behöver göra, där vi studerar mekanismerna bakom komplexa lungsjukdomar för att i slutändan hitta nya läkemedelsmål, måste vi kunna skapa modeller som är jämförbara med mänsklig vävnad", säger han.

Forskarteamet använde ett biobläck tillverkat av ljuskänslig polymermodifierad gelatin och en polymer som kallas polyetylenglykoldiakrylat för att 3D-printa en hydrogel innehållande flera celltyper och kanaler för att återskapa den vaskulära strukturen i den mänskliga luftvägen.

När hydrogelen väl är tryckt beter sig den ungefär som den komplexa mekaniska strukturen i lungvävnad, vilket förbättrar sättet vi studerar hur celler reagerar på stimuli.

”Vårt mål var att skapa en mer fysiologiskt relevant in vitro-modell av den mänskliga luftvägen”, säger Dr. Osei, som också arbetar vid UBC:s Heart and Lung Innovation Centre. ”Genom att integrera vaskulära komponenter kan vi bättre modellera lungmiljön, vilket är avgörande för att studera sjukdomar och testa läkemedel.”

Dr. Osei förklarade att när en person diagnostiseras med lungcancer kan en kirurg – med patientens samtycke – ta bort det drabbade området tillsammans med viss normal lungvävnad och donera dessa prover till forskare.

”En forskare har dock ingen kontroll över hur mycket vävnad de får”, förklarar han. ”Ibland kan det bara vara en liten bit vävnad som tas till labbet och behandlas med olika kemikalier för testning. Nu, med 3D-bioprinting, kan vi isolera celler från dessa donatorvävnader och potentiellt återskapa ytterligare vävnad och testprover för att bedriva forskning i våra laboratorier utan att förlita oss på nya donatorprover.”

Många lungsjukdomar är för närvarande obotliga, inklusive kroniskt obstruktiv lungsjukdom (KOL), astma, idiopatisk lungfibros och cancer, sa Dr. Osei. Möjligheten att skapa modeller för testning är ett betydande steg framåt inom forskning om luftvägssjukdomar och läkemedelsutveckling.

Studien, som publicerades i tidskriften Biotechnology and Bioengineering i samarbete med Mitacs och stöds av Providence Health Care, är ett steg mot att förstå aspekter av lungsjukdomar såsom ärrbildning och inflammation och kan leda till framtida botemedel mot en mängd olika sjukdomar.

I artikeln beskrevs tester som bland annat exponering av en bioprintad 3D-modell för cigarettröksextrakt, vilket gjorde det möjligt för forskarna att observera en ökning av proinflammatoriska cytokiner, markörer för lungvävnadens inflammatoriska svar på nikotin.

”Att vi kunde skapa den här modellen och sedan använda specifika triggers, såsom cigarettrök, för att visa hur modellen reagerar på och härmar aspekter av lungsjukdomar är ett betydande steg framåt i förståelsen av de komplexa mekanismerna bakom lungsjukdomar och kommer att hjälpa oss att förstå hur vi ska behandla dem”, säger Dr Osei.

"Vår modell är komplex, men på grund av bioprintingens reproducerbarhet och optimala natur kan den anpassas genom att lägga till ytterligare celltyper eller celler som härrör från specifika patienter, vilket gör den till ett kraftfullt verktyg för personlig medicin och sjukdomsmodellering."

Dr. Osei noterar att det fortsatta arbetet ger hans forskargrupp en unik position att samarbeta med kollegor från organisationer som UBC:s Immunobiology Eminence Research Excellence Cluster, bioteknikföretag och alla som är intresserade av att utveckla bioartificiella modeller.