Sydänlihassolujen orientaatio biotulostuksessa

Abstract

Sydän- ja verisuonisairaudet ovat merkittävä maailmanlaajuinen terveysongelma ja aiheuttavat vuosittain lukuisia kuolemia, mikä liittyy osittain sydänlihassolujen rajalliseen uusiutumiskykyyn. Sydänlihassolujen vaurioituminen, esimerkiksi iskemian seurauksena, johtaa arpikudoksen muodostumiseen, joka ei kykene supistumaan tai johtamaan sähköisiä signaaleja terveen kudoksen tavoin. Tämän vuoksi on tärkeää löytää ratkaisuja vaurioituneen sydänkudoksen korjaamiseen sekä tutkia tekijöitä, jotka vaikuttavat sydänsairauksien syntymiseen. Koska sydän on rakeenteellisesti ja toiminallisesti suunnasta riippuvainen, on kudosten valmistuksessa keskityttävä saavuttamaan solujen samansuuntainen orientaatio. Ilman yhtenäistä suuntautumista, sydänkudos ei kykene toimimaan normaalisti. Kaksiulotteisissa malleissa solujen suuntauttaminen on osoittautunut haastavaksi, minkä vuoksi on siirrytty kolmiulotteisten mallien luomiseen muun muassa biotulostamisen avulla.

Tämän kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on tutkia erilaisia biotulostusmenetelmiä, joilla on saavutettu sydänlihassolujen järjestelmällinen orientaatio valmistetussa kudoksessa. Lisäksi tarkastellaan, onko menetelmien välillä merkittäviä eroja orientaation saavuttamisen kannalta. Menetelmät on jaettu kahteen kategoriaan: telinepohjaisiin ja solupitoisiin. Telinepohjaisissa menetelmissä biomateriaaleista tulostetaan ensin tukirakenne tai teline, johon solut siirrostetaan. Teline toimii soluväliaineena ja tarjoaa fyysistä tukea, minkä lisäksi solut voivat kiinnittyessään seurata rakenteen kuituja. Solupitoisissa menetelmissä solut kapseloidaan biomusteen sisään ja tulostetaan suoraa osaksi rakennetta. Menetelmän avulla solut voidaan sijoittaa jo tulostusvaiheessa haluttuihin kohtiin, ja niiden suuntautumiseen voidaan vaikuttaa esimerkiksi tulostussuunnan tai biomusteeseen lisättyjen ohjaavien komponenttien avulla.

Työssä tarkasteltujen tutkimusten perusteella biotulostaminen on lupaava menetelmä suuntautuneen sydänlihaskudoksen valmistukseen. Kaikissa tarkastelluissa menetelmissä onnistuttiin tuottamaan suuntautunutta kudosta, mikä viittaa siihen, ettei ole olemassa yhtä tiettyä tapaa saada solut suuntautumaan. Päätelmään vaikuttaa kuitenkin myös se, ettei kaikissa tutkimuksissa lopullinen tavoite ollut sama. Menetelmän valita riippuu siten pääosin halutusta lopputuloksesta ja suunnitellusta sovelluksesta, johon tulostettua kudosta aiotaan käyttää.

Cardiovascular diseases are a major global health problem and cause numerous deaths each year, partly due to the limited regenerative capacity of cardiac muscle cells. Damage to heart muscle cells, for example, as a result of ischemia, leads to the formation of scar tissue that is unable to contract or conduct electrical signals in the same way as healthy tissue. It is therefore important to find solutions for repairing damaged heart tissue and to investigate the factors that contribute to the development of heart disease. Because the heart is structurally and functionally directional, tissue engineering must focus on achieving parallel orientation of cells. Without uniform orientation, heart tissue cannot function normally. In two-dimensional models, cell orientation has proven challenging, which is why researchers have moved on to creating three-dimensional models using methods such as bioprinting.

This literature review aims to examine various bioprinting methods that have achieved systematic orientation of cardiac muscle cells in manufactured tissue. Additionally, we investigate whether there are significant differences between the methods in terms of attaining orientation. The methods are divided into two categories: scaffold-based and cell-based. In scaffold-based methods, a support structure or scaffold is first printed from biomaterials, onto which the cells are transferred. The scaffold acts as a cell matrix and provides physical support, allowing the cells to follow the fibers of the structure as they attach. In cell-based methods, the cells are encapsulated in a biomaterial and printed directly into the structure. This method allows the cells to be placed in the desired locations during the printing stage, and their orientation can be influenced, for example, by the printing direction or by adding guiding components to the biomaterial.

Based on the studies reviewed in this thesis, bioprinting is a promising method for producing oriented heart muscle tissue. All of the methods reviewed were successful in producing oriented tissue, which suggests that there is no single specific way to orient cells. However, this conclusion is also influenced by the fact that not all studies had the same goal. The choice of method, therefore, depends mainly on the desired result and the planned application for which the printed tissue will be used.