Onderzoekers van Texas A&M University hebben een vernieuwende 3D-bioprinttechniek ontwikkeld waarmee zij levende longcellen kunnen nabootsen onder extreme omstandigheden, zoals die voorkomen tijdens vliegreizen of missies in de ruimte. Het onderzoek legt belangrijke nieuwe fundamenten voor veiligere luchtvaart- en ruimtevaartprotocollen en biedt tegelijkertijd veelbelovende perspectieven voor het versnellen van onderzoek naar luchtwegaandoeningen en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.
Wanneer piloten grote hoogteverschillen ervaren of astronauten opereren in een omgeving met lage druk en beperkte zuurstof, worden hun luchtwegen blootgesteld aan omstandigheden die traditioneel celonderzoek nauwelijks kan reproduceren. Volgens projectleiders Zhijian “ZJ” Pei en Hongmin Qin is juist dat realisme van groot belang om goed te begrijpen hoe longweefsel reageert op schommelingen in druk, temperatuur en zuurstofniveau. Met 3D-bioprinting kunnen zij die omstandigheden nu veel nauwkeuriger nabootsen.
Innovatief en nauwkeurig
De werkwijze is even innovatief als nauwkeurig. Het onderzoeksteam gebruikt cartridges gevuld met een bio-inkt waarin levende longcellen zijn opgenomen. Vervolgens wordt deze bio-inkt laag voor laag geprint tot een driedimensionale structuur die sterk lijkt op natuurlijk luchtwegweefsel. In tegenstelling tot klassieke 2D-celskweken maakt deze methode het mogelijk om micro-omgevingen te creëren die veel dichter bij de menselijke fysiologie staan. Hierdoor kunnen wetenschappers beter analyseren hoe cellen overleven, groeien en reageren op extreme omstandigheden.
Uit verschillende deelstudies blijkt hoe gevoelig longcellen zijn voor veranderingen in de printparameters en omgeving. In een onderzoek dat verscheen in Biomimetics bleek bijvoorbeeld dat hogere extrusiedruk tijdens het printen leidde tot aanzienlijk meer celdood. Een ander onderzoek, gepubliceerd in Bioengineering, toonde aan dat blootstelling aan temperaturen tot 55°C resulteerde in verhoogde oxidatieve stress en afname van de celoverleving. Deze bevindingen benadrukken dat het verfijnen van printtechnieken essentieel is om zowel de functionaliteit als de levensvatbaarheid van de geprinte weefsels te behouden.
Geoptimaliseerde bio-inkt
Daarnaast ontwikkelde het team een geoptimaliseerde bio-inkt, een mengsel van collageen en alginaat in een verhouding van 4:1, dat de cellen gedurende zes dagen in leven hield met een indrukwekkende levensvatbaarheid van 85 procent. Dit materiaal vormt een solide basis om complexere longmodellen te bouwen die gebruikt kunnen worden voor experimenteel onderzoek, bijvoorbeeld naar COPD of andere chronische ademhalingsziekten.
De bredere impact van deze technologie is aanzienlijk. Naast toepassingen in de lucht- en ruimtevaart kan deze bioprintmethode worden ingezet als realistisch ziektemodel, wat de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen kan versnellen en verfijnen. Door celreacties onder extreme omstandigheden nauwkeurig vast te leggen, ontstaat een beter begrip van hoe luchtwegaandoeningen zich ontwikkelen en hoe behandelingen daarop kunnen inspelen.
Interdisciplinair onderzoek
Volgens Qin en Pei vormt dit project een illustratief voorbeeld van interdisciplinair onderzoek met directe maatschappelijke waarde. De samenwerking tussen ingenieurs, biologen en luchtvaartexperts laat zien hoe biotechnologische innovaties kunnen doorstromen naar praktische toepassingen, zowel in de gezondheidszorg als in nationale veiligheidsdomeinen.
Uiteindelijk zien de onderzoekers een toekomst waarin bio-engineered weefsels on-demand kunnen worden geprint, volledig afgestemd op specifieke onderzoeks- of zorgbehoeften. Wat nu nog experimentele wetenschap is, kan in de komende jaren uitgroeien tot een belangrijke bouwsteen voor personaliseerde geneeskunde en veiligere missies in extreme omgevingen, zowel hier op aarde als daarbuiten.
3D-bioprinting innovaties
De afgelopen jaren zijn diverse innovaties op het gebied van 3D-bioprinting gepresenteerd en onderzocht. Zo slaagden Amerikaanse onderzoekers er vorig jaar in om het eerste 3D-geprinte hersenweefsel te ontwikkelen dat kan groeien en functioneren als typisch hersenweefsel. Een doorbraak die nieuwe perspectieven opent voor het onderzoek van hersenaandoeningen en helpt om de werking van het menselijk brein beter te begrijpen. Door gebruik te maken van geavanceerde bioprinttechnologie, zijn de wetenschappers er bovendien in geslaagd neurale netwerken te creëren die sterk lijken op die in het menselijke brein.
Eerder deze maand berichtten wij over een andere baanbrekende ontwikkeling op het gebied van 3D-bioprinten, organoïden en organ-on-a-chip-systemen die voor een nieuwe kijk kunnen zorgen op hoe onderzoekers kanker bestuderen, opsporen en uiteindelijk voorkomen.
