Material för dagens cellodling och framtidens 3D-printade organ

Levande celler spelar en avgörande roll för medicinsk forskning och blir viktigare även i behandlingar. Men det är svårt att få mänskliga celler i laboratorium att bete sig som i sin naturliga miljö. Vid Linköpings universitet utvecklar Daniel Aili ett slags stödjande och skyddande geler, som kan förbättra alltifrån cellodling till 3D-printing av organ.

Daniel Aili

Biträdande professor i molekylär fysik

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
Linköpings universitet

Forskningsområde:
Konstruktion av syntetiska material med inspiration från naturens nanostrukturer.

Att odla levande, mänskliga celler är något som forskare har kunnat göra i decennier. Ett av de enklaste sätten är att låta cellerna växa på plastplattor – men metoden har svagheter. Den fungerar inte för alla celltyper, och även de som växer bra blir med tiden allt mer olika de ursprungliga cellerna. De får annorlunda form och beteende och förändras till och med genetiskt. Egentligen skulle cellerna behöva växa i en miljö som mer liknar kroppens vävnader; ett tredimensionellt vattenrikt material med en komplex blandning av biologiska molekyler.

Vid Linköpings universitet arbetar Wallenberg Academy Fellow Daniel Aili med just den typen av material. Det handlar om en ny sorts hydrogeler, ett slags vätskerik gelé. Det händer redan att hydrogeler av biologiska eller syntetiska molekyler används vid cellodling, och de får mycket riktigt cellerna att bete sig mer naturligt. Men gelerna är långtifrån perfekta.

– Det är svårt att få samma resultat varje gång när man arbetar med helt biologiska material, medan syntetiska material ofta inte ger cellerna rätt förutsättningar att utvecklas. Vi vill ta fram lätthanterliga material som går att anpassa för olika tillämpningar och celler. Dessutom ska de ge bättre möjligheter att studera eller förutse cellers beteende, säger Daniel Aili.

”Att bli utsedd till Wallenberg Academy Fellow är mer än ett ekonomiskt bidrag; det är ett stort erkännande och ger tillgång till ett fantastiskt nätverk. Jag får möjlighet att vara nyfiken på riktigt och gräva ner mig i spännande forskningsfrågeställningar som jag hoppas och tror kommer att göra skillnad.”

Måste vara både flytande och fast

Med hydrogeler som får cellerna att bete sig som i riktig vävnad blir det lättare att odla celler för forskning och att skapa så kallade ”organ-on-a-chip”, ett slags avancerade odlingar som imiterar organ i pytteskala och används vid läkemedelstester. Gelerna skulle också kunna ingå i medicinska behandlingar som cellterapi, eller 3D-printing av vävnader eller organ.

Vid 3D-printing sprutas celler ut i lager på lager tills de bildar en tredimensionell form, medan cellterapi innebär att friska celler injiceras i en patient för att behandla en sjukdom eller skada. I båda fallen måste cellerna tåla att tryckas genom ett smalt rör. I dag går de ofta sönder, men om cellerna var omslutna av en hydrogel skulle de kunna klara sig och lättare etablera sig i kroppen. Då krävs ett material som kan vara både flytande och fast; flytande när cellerna kapslas in, fast för att de ska kunna växa. För att materialet ska kunna sprutas måste det också kunna återgå till flytande form en kort stund, för att sedan bli fast igen när det kommit ut ur printern eller sprutan.

– Här är våra geler intressanta. De kan gå från fast till flytande bara genom att man utsätter dem för en kraft i rätt riktning, man drar liksom lite i dem. När man slutar hittar molekylerna snabbt tillbaka till varandra. Det är som att materialet är självläkande, säger Daniel Aili.

På avdelningen för molekylär fysik där Daniel Aili arbetar finns en 3D-printer för biologiska material, men ännu har de nya hydrogelerna inte testats i den. Materialet är fortfarande dyrbart och tillverkas i väldigt små mängder.

– Vi försöker pressa kostnaderna. Snart kommer vi att kunna printa i mindre skala.

Härmar naturens sätt att hålla samman molekyler

Daniel Aili är inte först med att tillverka syntetiska hydrogeler, men han arbetar med helt nya metoder. Molekylerna inom materialet måste bilda ett stabilt nätverk utan att fästa så hårt vid varandra så att de hindrar cellerna från att växa eller förflytta sig. Hans lösning bygger på så kallade supramolekylära interaktioner, som får materialet att helt eller delvis hålla samman spontant.

– Det är väldigt vanligt i naturen, till exempel håller de två sidorna i DNA-strängen ihop på det viset. Vi härmar de egenskaperna genom att konstruera små molekyler som blir som ett dynamiskt klister.

En stor del av forskningen handlar om att förstå exakt hur den molekylära designen påverkar materialets egenskaper och cellernas reaktioner. Daniel Aili berättar att målet är att skapa en molekylär verktygslåda där man enkelt kan välja ut vilka egenskaper man vill ha i sin gel.

– Om man nu vet det. Frågar vi personer som arbetar med cellinjektioner vad de behöver för egenskaper i en gel så kan de ofta inte svara. Så det är en annan sak vi arbetar med; att studera hur cellerna beter sig i olika material och lista ut vad de behöver.

Daniel Aili har alltid varit intresserad av vetenskap och teknik. Hans föräldrar har fortfarande märken av utspilld saltsyra på diskbänken i köket där han som liten gjorde sina experiment. Ingen av föräldrarna var akademiker, men de stöttade Daniel. Dessutom hade han engagerade och uppmuntrande lärare som lotsade honom vidare.

– Det roligaste med forskningen är att gå från hypotes till experiment och se att det går ungefär som man tänkte. Eller att se något oväntat, och ändå lyckas begripa vad det var! Forskning kan vara så känslomässigt engagerande. Det är tufft när det inte går bra, men otroligt kul när det gör det.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström