Opracowanie biotuszy do biodruku 3D

Opracowanie biotuszy  do biodruku 3D

Projekt: „Opracowanie biotuszy do biodruku 3D na bazie świńskiego DECM modyfikowanego chemicznie, wzbogaconego o rekombinowane białka hybrydowe, nanomateriały i polimery syntetyczne.” współfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu „Nowoczesne technologie materiałowe” TECHMATSTRATEG III.

Okres realizacji: 01.01.2021 – 31.03.2024.

Całkowity koszt projektu: 22 444 594,83 zł

Dofinansowanie NCBR: 21 962 857,33 zł

Celem projektu było opracowanie pakietu modyfikacji biotuszów (m.in. wytworzenie rekombinaowanego białka hybrydowego) na bazie decelularyzowanej macierzy zewnątrzkomórkowej (dECM) świńskiej trzustki i łąkotki zwiększających efektywność procesu drukowania 3D i wytrzymałość uzyskiwanych wydruków. W ramach realizacji poszczególnych zadań projektu przeprowadzone zostały badania mające na celu wytworzenie gotowego produktu do komercjalizacji z zakresu biotechnologii, inżynierii nanomateriałowej, chemii oraz fizjologii.

Warto dodać, że produkty oraz technologie opracowane w ramach tego projektu zostały zabezpieczone patentowo. Z uwagi na znaczące wyzwanie, jakim jest brak narządów do przeszczepów u pacjentów z cukrzycą typu I oraz uszkodzenia łąkotki, realizacja tego projektu niesie ze sobą istotną wartość społeczną oraz ekonomiczną.

Biodruk 3D stał się niezwykle wszechstronnym narzędziem w dziedzinach nauk biologicznych i medycyny regeneracyjnej w ciągu ostatniej dekady.

Biodruk 3D znajduje zastosowanie w wytwarzaniu implantów ubytków kostnych, jednakże coraz częściej wykorzystuje się do również podczas działań związanych z budową funkcjonalnych narządów – trzustki, płuc, wątroby, serca czy skóry. Co więcej, inżynieria tkankowa używana jest w badaniach biotechnologicznych, przy tworzeniu chorobowych modeli nowotworów, a także modeli do przesiewowych badań związków w produkcji leków. Aby uzyskać pożądany konstrukt tkankowy, można wykorzystać w biodruku 3D szereg komórek, metod i materiałów, w zależności od charakteru drukowanego obiektu.

Te biotusze, które wykorzystywane są w biodruku 3D, wykazują się bardzo szerokim spektrum cech biofizycznych: lepkość, drukowalność, degradacja. Dodatkowo muszą one zapewnić korzystne warunki, które umożliwiają zagnieżdżanie się w nich komórek oraz ich różnicowanie, przy braku cytotoksyczności.

Technologia biodruku 3D opiera się na tworzeniu trójwymiarowych struktur z żywych komórek, które są zawieszone w biokompatybilnym hydrożelu, zwanych biotuszami.

Ten hydrożel umożliwia precyzyjne formowanie kształtu drukowanego obiektu. W zależności od rodzaju użytych komórek, można uzyskać różnorodne modele badawcze.

Biotusze powinny cechować się szerokim zakresem właściwości biofizycznych, takich jak drukowalność, lepkość, tempo degradacji oraz zdolność do usieciowania. Dzięki nim możliwe jest tworzenie precyzyjnych i stabilnych rusztowań, zapewniających odpowiednie warunki dla komórek do zagnieżdżania się w strukturze. Udało nam się opracować własne biotusze, które spełniają wszystkie te kryteria.

Multidyscyplinarne konsorcjum

Projekt został zrealizowany dzięki współpracy konsorcjum o charakterze multidyscyplinarnym, które dysponuje znacznym doświadczeniem w tworzeniu niezbędnych materiałów do druku prototypów bionicznych narządów.

W skład konsorcjum weszły następujące ośrodki i zespoły:

Fundacja Badań i Rozwoju Nauki (FBiRN), wraz z zespołem pod kierownictwem dr hab. Michała Wszoły, który opracował technologię produkcji biotuszu w oparciu o decelularyzację świńskiej trzustki, a także wydrukował prototyp bionicznej trzustki.

Zespół prof. UAM dr hab. Jakuba Rybki z Centrum Zaawansowanych Technologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza (CZT UAM). Naukowcy z zespołu specjalizują się w biodruku łąkotki z wykorzystaniem biotuszu na bazie dECM łąkotki świńskiej oraz mezenchymalnych komórek macierzystych.

Siłę konsorcjum wsparł Warszawski Uniwersytet Medyczny (WUM). Prof. Artur Kamiński – Dyrektor Centrum Biostruktury, jak i kierowany przez niego zespół, posiada bardzo duże doświadczenie w analizie toksyczności materiałów w modelach zwierzęcych.

Partnerem biznesowym konsorcjum była Polbionica, odpowiedzialna za wykonanie części badań, a także komercjalizację uzyskanych wyników.

W ramach zrealizowanego projektu przeprowadzono również prace, które zaowocowały opracowaniem dwóch unikalnych hybrydowych białek rekombinowanych, które łączą jednocześnie funkcjonalne domeny jedwabiu i elastyny (p-SE17) oraz resiliny i elastyny (p-RE15).

Białko p-SE17 łączy elastynę i jedwab, wykazując wysoką rozpuszczalność w buforach wodnych i zapewniając elastyczność ostatecznego produktu. Znacząco poprawia reologiczne i mechaniczne właściwości biomateriałów, zwłaszcza elastyczność. Kombinacje domen RGD i ZIP zapewniają stabilność strukturalną, tworząc korzystne mikrośrodowisko dla zasianych komórek. Posiadając potencjał remodelowania polimerowych biomateriałów, umożliwia wysokorozdzielcze drukowanie 3D struktur o złożonej przestrzennie budowie.

Białko p-RE15 łączy resilinę i elastynę, aby uzyskać unikalne właściwości mechaniczne, fizykochemiczne i biologiczne. Zawiera sekwencje RGD oraz miejsca cięcia metaloproteinaz, umożliwiając zasianym komórkom odpowiednie dostosowanie przestrzeni poprzez remodelowanie struktur 3D. Wzmacnia właściwości reologiczne biomateriałów, sprawiając, że są one idealne dla zaawansowanych technologii medycznych druku 3D.

GŁÓWNE CECHY

Innowacyjne hybrydowe białka rekombinowane są produkowane w ekonomicznym systemie ekspresji prokariotycznej, bez wykorzystania detergentów ani środków powierzchniowo czynnych, co czyni je idealnym dodatkiem do biotuszy. Sekwencje resiliny i jedwabiu zwiększają plastyczność, podczas gdy resilina i elastyna zwiększają elastyczność uzyskiwanego wydruku. Białka te tworzą korzystne mikrośrodowisko, promując kolonizację, migrację, proliferację i stymulację wzrostu komórek. Co istotne, białka te charakteryzują się wysoką biokompatybilnością oraz biodegradowalnością.

Nowe hybrydowe białka rekombinowane stanowią innowacyjne rozwiązania, które wykazują obiecujący potencjał i szerokie spektrum zastosowań. Mogą być wykorzystane w tworzeniu nowych unikalnych biotuszy, w inżynierii tkankowej, w terapiach regeneracyjnych oraz jako składniki stosowane do produkcji wyrobów medycznych.