Araştırmacılar, Matter dergisinde 18 Kasım’da 3D biyolojik olarak basılmış alglerin, tasarlanmış vaskülarize dokulardaki insan hücreleri için sürdürülebilir bir oksijen kaynağı olarak kullanılabileceğini bildirdi. Biyolojik olarak basılmış fotosentetik algleri, insan karaciğerinden türetilmiş hücrelerle birlikte, insan karaciğerine benzer şekilde lobüllerle bal peteği şeklinde dokular oluşturmak için 3 boyutlu bir hidrojel matrisine gömdüler. Araştırmacılar; gelecekte çevre dostu, uygun maliyetli 3D biyo-baskı yaklaşımının hastalık modelleme, ilaç geliştirme, rejeneratif ve kişiselleştirilmiş tıp ve hatta gıda mühendisliği gibi uygulamalar için kullanılabileceğini söylüyor.
Harvard Tıp Fakültesi ile Brigham and Women’s Hospital Biyomühendis Y. Shrike Zhang: “Çalışma, bitki hücrelerini ve insan hücrelerini fizyolojik olarak anlamlı bir şekilde birleştiren, 3 boyutlu biyobaskı kullanarak simbiyotik doku mühendisliğinin ilk gerçek örneğidir. Çalışmamız, işlevsel insan dokularını geliştirme yeteneğimizi geliştirmek için doğada çok sık görülen simbiyotik stratejiden nasıl yararlanabileceğimize dair eşsiz bir örnek sunuyor.”
Yapay dokulara, organ işlevlerini eski haline getirmek için hasar görmüş olanların yerini alması için artan bir talep var ve son on yılda, biyomedikal ve doku mühendisliği uygulamaları için doku iskeleleri imal etmek için 3D biyo-baskı teknikleri kullanıldı. Bu yaklaşım tipik olarak, vücut boyunca oksijen ve besinlerin taşınmasında kritik bir rol oynayan vaskülatür dahil olmak üzere organları ve dokuları yeniden doldurmak için istenen mimarilere ve şekillere sahip 3D yapıları üretmek için bir yüzeye bir biyo-bağ yerleştirmeyi içerir. Biyoink; esasen hidrojel içeren canlı hücreler, biyomateryaller ve diğer büyüme takviyeleridir. İstenilen dokunun hücre dışı matrisini taklit eder ve gömülü hücrelerin büyümesini destekler.
3 boyutlu dokuların üretimindeki ilerlemelere rağmen; ana sınırlama, hücrelerin hayatta kalmasını, büyümesini ve işleyişini desteklemek için tasarlanmış doku boyunca yeterli oksijen seviyelerini korumak olmuştur. Araştırmacılar; oksijen salgılayan biyomateryaller ekleyerek bu sorunu çözmeye çalıştılar. Ancak bunlar genellikle yeterince uzun süre çalışmazlar ve bazen hücreler için toksiktirler. Çünkü bunlar hidrojen peroksit veya diğer reaktif oksijen türleri gibi moleküller üretirler.
Bu talebi karşılamak için Zhang ve meslektaşları; tasarlanmış dokulardaki vasküler kalıpları dahil etmek ve dokulardaki insan hücreleri için sürdürülebilir bir oksijen kaynağı sağlamak için yosun bazlı bir 3D biyo-baskı yöntemi geliştirdiler. Özellikle, Chlamydomonas reinhardtii adı verilen fotosentetik tek hücreli yeşil algler kullandılar. Bu simbiyotik strateji; büyümesi kısmen çevreleyen insan hücreleri tarafından salınan karbondioksit tarafından desteklenen alglere de fayda sağlar.
İlk adım, alglerin 3 boyutlu biyo-baskısını içeriyordu. Araştırmacılar; C. reinhardtii’yi bitkilerin, alglerin ve mantarların temel yapısal bileşeni olan selülozdan oluşan bir biyo-bağda kapsüllediler. Biyoink; bir iğne takılmış bir şırıngaya yüklendi ve ekstrüzyon biyo-baskı, bir biyo yazıcı kullanılarak gerçekleştirildi.
Daha sonra, araştırmacılar hem biyolojik olarak basılmış algleri hem de insan karaciğerinden türetilmiş hücreleri 3 boyutlu bir hidrojel matrisine gömdüler. Biyolojik olarak basılmış C. reinhardtii; fotosentetik bir şekilde oksijeni serbest bıraktı ve yüksek bir yoğunluğa büyüyen ve karaciğere özgü proteinler üreten insan hücrelerinin canlılığını ve işlevlerini geliştirdi.
Araştırmacı Zhang: “Tasarlanmış vaskülarize insan dokularında yüksek hücre yoğunluklarını elde etmek daha önce zordu.”
Son olarak, araştırmacılar; selüloz bazlı biyo-bağın ayrıştırılması için enzim selülazı kullandılar, ardından karaciğer benzeri dokuda vasküler ağlar oluşturmak için geride kalan içi boş mikro kanalları insan vasküler hücreleriyle doldurdular.
Araştırmacı Zhang: “Tek bir doku yapısı içinde ilk oksijenasyona ve müteakip damar oluşumuna izin veren böyle kaçak bir biyo-bağın geliştirilmesi daha önce rapor edilmemişti. Bu, canlı ve işlevsel dokuların başarılı bir şekilde mühendisliğine doğru kritik bir adım.”
Sonunda; 3D vaskülarize, oksijenize edilmiş mühendislik ürünü dokular, insanlarda doku rejenerasyonu sağlamak için gelecekteki implantasyon potansiyeline sahiptir. Bu dokular ayrıca ilaç taraması ve geliştirilmesi, hastalık mekanizmalarının incelenmesi ve hastaya özel hücreler kullanılırsa muhtemelen kişiselleştirilmiş tıp için de kullanılabilir.
3D biyo-baskı teknolojisinin diğer bir potansiyel uygulaması gıda mühendisliğidir. Mikroalgler zengin bir protein, karbonhidrat, çoklu doymamış yağ asitleri, karotenoidler, vitaminler ve temel mineraller kaynağıdır. Bu biyoaktif bileşikler; besin değerlerini artırmak ve sağlığı geliştirmek için yenilikçi, kültürlenmiş gıda ürünlerine dahil edilebilir.
Ancak bu arada, yöntemi optimize etmek için daha fazla çaba gerekiyor. Örneğin; kültür ortamı, hem C. reinhardtii hem de insan hücrelerinin büyümesini kolaylaştırmak için geliştirilebilir ve ışık koşulları, alglerden oksijen tedariğini optimize etmek için ayarlanabilir. Dahası, alglerin biyogüvenliği, toksisitesi ve immüno-uyumluluğu ile ilgili detaylı çalışmalar gelecekte klinik çeviri için önemli olacaktır.
