Vaskularisoituneiden rakenteiden valmistaminen hydrogeeli-pohjaisilla menetelmillä in vitro

Abstract

Yksi suurimmista haasteista kudosteknologiassa on vaskularisaation muodostaminen kudosrakenteisiin. Aikaisemmin kudosmallit ovat olleet hyvin yksinkertaisia ja ohuita, jolloin hapen ja ravinteiden diffuusio kasvatusliuoksesta soluille on ollut riittävää. Kudosmallien paksuuden kasvaessa ravinteiden diffuusio rakenteen ulkopuolelta ei kuitenkaan enää riitä, jolloin rakenteen keskellä sijaitsevat solut kuolevat. Verisuonien muodostaminen kudosmalleihin on siten välttämätöntä monimutkaisempien ja suurempien kudosten valmistamiseksi. Verenkierto on tärkeä osa lähes kaikkien kudosten rakennetta ja toimintaa, joten vaskularisaation avulla kudosmallit vastaavat entistä paremmin niiden luonnollisia funktioita.

Tässä työssä perehdytään hydrogeeli-pohjaisiin menetelmiin, joilla voidaan valmistaa vaskularisoitavia rakenteita. Tavoitteena on muodostaa yleiskuva valmistusmenetelmistä ja niihin liittyvistä haasteista. Hydrogeelien rakenne ja ominaisuudet muistuttavat soluväliainetta ja mahdollistavat solujen adheesion ja levittäytymisen rakenteeseen. Verisuoni-rakenteita voidaan valmistaa muodostamalla valmiita kanavia hydrogeeleihin ja antamalla solujen levittäytyä kanavien pinnoille ja muualle rakenteeseen tämän jälkeen. Suurempien verisuonien valmistuksessa tämä lähestymistapa takaa nopeamman verisuoniverkoston muodostumisen. Pienimpien kapillaarisuonien kokoisia kanavia ei kyetä nykytekniikalla valmistamaan valmiiksi soluja varten, joten kapillaariverkostojen valmistamisessa hyödynnetään endoteelisolujen luonnollista taipumusta levittäytyä ja muodostaa uusia kapillaarisuonia hydrogeeliin.

Vaskularisoitavissa hydrogeelirakenteissa on käytetty useita polymeerejä ja niiden yhdistelmiä. Kollageeni ja gelatiini ovat yleisimmin käytettyjä luonnon polymeerejä. Ne ovat hyvin yhteensopivia solujen kanssa ja tarjoavat useita sitoutumiskohtia mahdollistaen solujen adheesion ja levittäytymisen hydrogeeliin. Synteettisistä hydrogeeleistä polyetyleeniglykolin (PEG) johdannaiset ovat olleet käytetyimpiä ja ne ovat mekaanisilta ominaisuuksiltaan vahvempia kuin luonnon polymeerit. Synteettisten ja luonnon polymeerien yhdistäminen samaan hydrogeeliin antaa todennäköisesti parhaat lähtökohdat uusien hydrogeelien suunnitteluun ja kestävämpien vaskulaaristen rakenteiden valmistamiseen.

Yksinkertaisimmat menetelmät perustuvat hydrogeelien valamiseen erilaisten muottien avulla. Valumenetelmien käyttö rajoittuu kuitenkin suurempien kanavarakenteiden valmistukseen. Pehmeän litografian avulla kanavarakenteiden resoluutiota on pystytty parantamaan ja entistä pienempiä ja monimutkaisempia kanavaverkostoja voidaan valmistaa hydrogeeleihin. 3D-bioprinttaus on tällä hetkellä potentiaalisin menetelmä monimutkaisimpien kolmiulotteisten verkostojen valmistamiseksi. Sen avulla kanavien arkkitehtuuri voidaan suunnitella hyvin monipuoliseksi, mutta toteuttamisessa on vielä paljon haasteita ratkaistavana. 3D-printtauksella on kyetty valmistamaan lähes kapillaarisuonien kokoa vastaavia kanavia, mutta nykyisten hydrogeelien kestävyydestä ei vielä tiedetä tarpeeksi pitkäikäisten kudosmallien valmistamiseksi. Myöskään pitkäaikaisen ja jatkuvan perfuusion vaikutusta kanavarakenteisiin ei vielä tiedetä, sillä tutkimusjaksot ovat olleet vain muutaman viikon pituisia. Kudosmallien koon kasvaessa rakenteeseen kohdistuva rasitus tulee kuitenkin vain kasvamaan, joten hydrogeelien kehittäminen on avainasemassa vaskulaaristen rakenteiden valmistuksessa.