Celowo drukowane

Tablica pułapek komórkowych: pułapki komórkowe wykonane z krzemu (po lewej). Po prawej: izolowane komórki w pułapkach (zielone) oraz komórka przepływająca obok nich (linia wijąca się). © Fraunhofer IMM / Rys. 2

Pułapka na komórki z dyszą: Dzięki odpowiedniej strukturze pułapki na komórki pojedyncza komórka jest izolowana od pozostałych komórek w płynnym medium i może zostać wydrukowana. © Fraunhofer IMM / Pułapka na komórki z dyszą: Struktura pułapki na komórki została zaprojektowana tak, aby izolować pojedynczą komórkę od reszty komórek w medium płynnym, dzięki czemu jest gotowa do druku. © Fraunhofer IMM

Obiecujące perspektywy dla spersonalizowanej medycyny: specjaliści z Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM wykorzystują swoją wiedzę w dziedzinie mikrofluidyki i technologii pojedynczych komórek, aby drukować struktury organów.

Technologie pojedynczych komórek odgrywają kluczową rolę w badaniach i charakteryzacji komórek. Dr Christian Freese, kierownik grupy ds. diagnostyki infekcji i nowotworów w Fraunhofer IMM, oraz jego koleżanki i koledzy wykorzystują mikrofluidykę do celowego wyodrębniania i badania pojedynczych komórek. Na swojej platformie diagnostycznej Liquid Biopsy wykrywają i skutecznie dispensują krążące komórki nowotworowe (CTCs) oraz inne biomarkery z biopsji płynnych, umożliwiając bezbarierową, kompleksową diagnostykę. Jednak dla naukowców to było za mało: dlaczego nie zbudować czegoś na bazie wyizolowanych komórek?

Zasada Fraunhofer-IMM-TrapJet

Z zamiarem wykorzystania ich rozwiązań i metod drukowania komórek, zrealizowali w czystej strefie swojego instytutu specjalne mikrofluidyczne struktury na waflach krzemowych, prawdziwe pułapki na komórki: Fachowcy wprowadzają ludzkie komórki na mikrofluidycznych chipach do najmniejszych kanałów. W przepływie komórki są tam chwytane w specjalnych strukturach. Ich specyficzna geometria zapewnia, że tylko pojedyncze komórki są pobierane, podczas gdy inne płyną dalej do następnej wolnej pułapki na komórki. Ponieważ w tym samym kanale umieszczonych jest wiele pułapek, fachowcy mogą precyzyjnie i jednocześnie wyodrębniać komórki w różnych miejscach – a następnie ponownie je obsadzać.

Podobnie jak w drukarce atramentowej, podgrzewana bańka dispensuje komórkę z dyszy i umieszcza ją w małym kropli. Różne typy komórek otrzymują oddzielne głowice drukujące i są drukowane – w własnych mikrofluidycznych kanałach – równolegle.

„Wszystkie parametry niezbędne do udanego bioprintingu pokrywamy dzięki mikrofluidyce: drukujemy komórki na żądanie, sterylnie i szybko. Jednocześnie proces zapewnia wysoką wskaźnik żywotności drukowanych komórek. Do tego używamy charakterystycznych biotyn, które składają się z komórki i cieczy specyficznej dla danego typu komórki, którą można obsługiwać w mikrofluidyce”, wyjaśnia Freese.

Wiele istniejących metod generuje jedynie cienką linię biotyn, w której komórki są rozmieszczone losowo. Fachowcy z Fraunhofer drukują najmniejsze krople, nieznacznie większe od samej komórki. Dzięki temu osiągają szczególnie wysoką rozdzielczość: każda komórka jest precyzyjnie umieszczona i może bezpośrednio wchodzić w interakcję z sąsiednimi komórkami. W ten sposób mają być tworzone np. kultury organów, na których przemysł mógłby przeprowadzać testy leków. Celem ekspertów Fraunhofer jest drukowanie tkanek do przeszczepów skóry lub całych organów.

Więcej mikrofluidyki dla medycyny

Aby jak najlepiej wykorzystać ogromny potencjał medyczny, specjaliści z Fraunhofer IMM w przyszłym roku rozpoczną wraz z kolegami z działu „Technologie zdrowia klinicznego” Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA w Mannheim centrum kompetencyjne dla technologii pojedynczych komórek („LZ-EZT”), w którym będą łączyć i rozwijać swoje kompetencje.

Na targach Medica 2024 eksperci zaprezentowali swoje rozwiązania na stoisku wspólnoty Fraunhofer. Oprócz druku pojedynczych komórek, odwiedzający mogli w specjalnie opracowanej grze VR spróbować oznaczania rzadkich komórek i ich późniejszej izolacji w formie zabawy.