3D-biotulostus Body-on-Chip-teknologian mahdollistajana

Abstract

Tässä kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan yleisimpiä 3D-biotulostus-menetelmiä ja biomusteiden tärkeää roolia biotulostuksessa sekä Body-on-Chip-monikudosmallinnusta. Tavoitteena on selvittää, millaisia mahdollisuuksia ja uusia tutkimusasetelmia nämä teknologiat tuovat lääketieteeseen, tutkimukseen ja lääketestaukseen ja mitä etua näistä menetelmistä on verrattuna perinteiseen 2D-soluviljelyyn.

Kirjallisuuskatsauksessa tarkasteltiin, kuinka mallintamalla kudosta mahdollisimman tarkasti 3D-ympäristössä jäljitellään solujen luontaista ympäristöä ihmiselimistössä. Selvityksessä tuli esille, kuinka solubiologisia lähtökohtia on voitu huomioida uudella tavalla soluviljelyssä ja myös biomusteissa.

Biomateriaalien kehitystyö on ollut oleellinen osa 3D-biotulostusteknologiaa, ja biomusteet ovatkin avainasemassa onnistuneessa biotulostuksessa. Niiden tulee toimia tulostustapahtumassa ja kyetä muodostamaan ja säilyttämään kudoksen rakenne sekä tarjota oikeanlainen elinympäristö ja tuki solujen tehtäville muun muassa kasvamiseen, lisääntymiseen ja liikkumiseen. Body-on-Chip-menetelmällä taas saadaan simuloitua ja mallinnettua eri kudosten ja elinten toimintaa, kun ne ovat toisiinsa yhteen liitettyinä mikrofluidistiikan keinoin, kuten ihmiskehossakin kokonaisuutena. Käytännön esimerkkien ja toteutettujen uudentyyppisten tutkimusasetelmien tarkastelun kautta valotetaan näiden menetelmien käytännön hyötyjä ja tarpeellisuutta. Käy myös ilmi, kuinka on toteutettu tutkimuksia, jotka eivät olisi olleet mahdollisia perinteisellä 2D-soluviljelyllä ja ilman monikudosmallinnusta.

Esimerkiksi lääketestauksessa on selvinnyt haittavaikutuksia, joiden toteamisessa monikudosmallinnuksella on ollut keskeinen rooli. Ilman sitä jotkin haittavaikutukset saattaisivat jäädä huomaamatta ja ne tulisivat esille mahdollisesti vasta potilaskäytössä. Tämä tuo esille näiden menetelmien tärkeyden myös tulevaisuudessa, ja niiden käyttö lisääntyneekin jatkossa.

The literature review, 3D-bioprinting as an enabler to the Body-on-Chip-method, studies the most common 3D-bioprinting methods and the important role of the bioinks in the bioprinting, together with the Body-on-Chip-multi-tissue modeling. The aim is to clarify what kind of possibilities and novel research designs these technologies bring to medicine, research and drug testing, and what advantages these methods have in comparison to the traditional 2D-cell culturing.

The literature review studies how by modeling the tissues as accurately as possible in the 3D-enviroment simulates the natural environment of the cells in the human body. And how it has been possible to take into account the cell biological starting points in a new way in the cell culturing, and also in the bioinks.

The development of biomaterials has been an essential part of the 3D-bioprinting technology, and the bioinks play a key role in the successful bioprinting. They have to function in the bioprinting process and be able to form and maintain the structure of the tissue, and also to provide the right kind of a habitat for cell functions for growing, proliferation and movement, among other things. Whereas the Body-on-Chip-method can simulate and model different tissues and organs in function, when they are interconnected by microfluidistic means, like in the human body as a whole. By examining practical examples and implemented new type of research designs the practical benefits and necessity of these methods are illustrated. And it is shown how studies, that would not have been possible with traditional 2D-cellculturing and without multi tissue-modeling, have been conducted.

For example, drug testing has revealed side effects, which the multi-tissue modeling had a key role in discovering. Without it, some of the side effects could go unnoticed and may not be revealed until in the patient use. This also indicates the importance of these methods, and their usage is likely to increase in the future.