Ultrakorte peptiden gaan een lange weg voor tissue engineering

Een nieuw geautomatiseerd proces drukt een op peptiden gebaseerde hydrogel-scaffold af die gelijkmatig verdeelde cellen bevat. De steigers houden hun vorm goed vast en faciliteren met succes celgroei die weken aanhoudt.

‘Bioprinting’ – 3D-printen met levende cellen – heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in tissue engineering en regeneratieve geneeskunde. Wetenschappers hebben geëxperimenteerd met natuurlijke en synthetische ‘bioinks’ om steigers af te drukken die cellen op hun plaats houden terwijl ze groeien en een weefsel vormen met een specifieke vorm. Maar er zijn uitdagingen met het overleven van cellen. Natuurlijke bioinks, zoals gelatine en collageen, moeten worden behandeld met chemicaliën of ultraviolet licht om hun vorm te behouden, wat de levensvatbaarheid van de cellen beïnvloedt. De tot nu toe geteste synthetische polymeerhydrogels vereisen ook het gebruik van agressieve chemicaliën en omstandigheden die de overleving van de cellen bedreigen.

KAUST-bio-ingenieur Charlotte Hauser leidde een team van onderzoekers om een ​​bioprintproces te ontwikkelen dat ultrakorte peptiden gebruikt als basis voor de steigerinkt. Ze ontwierpen drie peptiden met verschillende combinaties van de aminozuren isoleucine, lysine, fenylalanine en cyclohexylalanine.

Voor het eigenlijke afdrukken gebruikte het team een ​​nieuw mondstuk met drie inlaten. De peptide-bioink gaat naar de ene inlaat, een bufferoplossing gaat naar de andere en cellen worden toegevoegd via een derde. Hierdoor kan de peptide-inkt geleidelijk worden gemengd met de bufferoplossing en vervolgens worden gecombineerd met de cellen bij de uitlaat van het mondstuk. Zodra de inkt is uitgeworpen, stolt deze onmiddellijk en worden de cellen in de structuur vastgehouden.

“Het is een uitdaging om een ​​celvriendelijk biomateriaal te vinden dat de celoverleving op lange termijn ondersteunt en dat ook bedrukbaar is”, zegt Ph.D. student Hepi Hari Susapto. “Onze bioinks gemaakt van zelfassemblerende ultrakorte peptide-hydrogels pakken deze uitdaging efficiënt aan.”

Het team was in staat cilinders tot vier centimeter hoog te printen, zoals in de afbeelding hierboven, en een mensachtige neus, die allemaal hun vorm goed vasthielden.

Menselijke fibroblasten, mesenchymale stamcellen van het menselijke beenmerg en hersenneuronen van muizen overleefden en prolifereerden goed binnen de hydrogelmatrix. De wetenschappers veroorzaakten verder mesenchymale stamcellen van het beenmerg om binnen een geprinte scaffold binnen een periode van vier weken te differentiëren tot elastisch kraakbeenachtig weefsel.

Het team werkt nu aan het veranderen van de oppervlaktechemie van hun bioinks, zodat ze meer lijken op de celomgeving in het menselijk lichaam.

“Onze volgende stap is het maken van bioprinting van 3D-ziektemodellen en miniatuurorganen voor high-throughput screening en diagnose van geneesmiddelen”, zegt Hauser. “Deze kunnen de tijd en kosten van het zoeken naar effectievere en persoonlijkere medicijnen helpen verminderen.”