Wetenschappers creëren 3D-geprint levend longweefsel

Onderzoekers van UBC Okanagan hebben een 3D-biogeprint model ontwikkeld dat de complexiteit van natuurlijk longweefsel nauwkeurig nabootst. Deze innovatie kan de manier waarop wetenschappers longziekten bestuderen en nieuwe behandelingen ontwikkelen, radicaal veranderen.

Irving K. Barber, faculteit Wetenschappen, universitair hoofddocent dr. Emmanuel Osei, zegt dat het model weefsel produceert dat qua complexiteit sterk lijkt op de menselijke long, wat de testen op luchtwegaandoeningen en de ontwikkeling van medicijnen kan verbeteren.

"Om ons onderzoek en de tests die we moeten doen, waarbij we de mechanismen van complexe longziekten bestuderen om uiteindelijk nieuwe doelwitten voor medicijnen te vinden, moeten we modellen kunnen creëren die vergelijkbaar zijn met menselijk weefsel", zegt hij.

Het onderzoeksteam gebruikte een bio-inkt gemaakt van lichtgevoelige polymeer-gemodificeerde gelatine en een polymeer genaamd polyethyleenglycoldiacrylaat om een hydrogel met meerdere celtypen en kanalen in 3D te printen en zo de vaatstructuur van de menselijke luchtwegen na te bootsen.

Nadat de hydrogel is geprint, gedraagt deze zich net als de complexe mechanische structuur van longweefsel. Hierdoor kunnen we beter bestuderen hoe cellen reageren op stimuli.

"Ons doel was om een fysiologisch relevanter in-vitromodel van de menselijke luchtwegen te creëren", zegt dr. Osei, die ook werkt bij het Heart and Lung Innovation Centre van de UBC. "Door vasculaire componenten te integreren, kunnen we de longomgeving beter modelleren, wat cruciaal is voor het bestuderen van ziekten en het testen van medicijnen."

Dr. Osei legde uit dat wanneer bij iemand longkanker is vastgesteld, een chirurg - met toestemming van de patiënt - het aangetaste gebied samen met een deel van het normale longweefsel kan verwijderen en deze monsters kan doneren aan onderzoekers.

"Een onderzoeker heeft echter geen controle over hoeveel weefsel hij of zij ontvangt", legt hij uit. "Soms gaat het slechts om een klein stukje weefsel dat naar het laboratorium wordt gebracht en met verschillende chemicaliën wordt behandeld voor onderzoek. Nu, met 3D-bioprinting, kunnen we cellen uit dit donorweefsel isoleren en mogelijk extra weefsel en testmonsters opnieuw creëren om onderzoek in ons laboratorium uit te voeren zonder afhankelijk te zijn van nieuwe donormonsters."

Veel longziekten zijn momenteel ongeneeslijk, waaronder chronische obstructieve longziekte (COPD), astma, idiopathische longfibrose en kanker, aldus dr. Osei. De mogelijkheid om testmodellen te creëren is een belangrijke stap voorwaarts in onderzoek naar luchtwegaandoeningen en de ontwikkeling van medicijnen.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Biotechnology and Bioengineering in samenwerking met Mitacs en ondersteund door Providence Health Care, is een stap in de richting van het begrijpen van aspecten van longziekten zoals littekenvorming en ontstekingen en kan in de toekomst leiden tot geneesmiddelen voor verschillende ziekten.

In het artikel worden testen beschreven waarbij een gebioprint 3D-model wordt blootgesteld aan sigarettenrookextract. Hierdoor konden de onderzoekers een toename van pro-inflammatoire cytokinen waarnemen. Dit zijn markers van de ontstekingsreactie van longweefsel op nicotine.

"Het feit dat we dit model konden creëren en vervolgens specifieke triggers, zoals sigarettenrook, konden gebruiken om aan te tonen hoe het model reageert op en aspecten van longziekten nabootst, is een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van de complexe mechanismen van longziekten en zal ons helpen begrijpen hoe we deze kunnen behandelen", aldus Dr. Osei.

"Ons model is complex, maar dankzij de reproduceerbaarheid en optimale aard van bioprinting kan het worden aangepast door extra celtypen of cellen afkomstig van specifieke patiënten toe te voegen. Hierdoor is het een krachtig instrument voor gepersonaliseerde geneeskunde en ziektemodellering."

Dr. Osei merkt op dat door het voortzetten van dit werk zijn onderzoeksteam in een unieke positie verkeert om samen te werken met collega's van organisaties zoals UBC's Immunobiology Eminence Research Excellence Cluster, biotechnologiebedrijven en iedereen die geïnteresseerd is in de ontwikkeling van bio-kunstmatige modellen.