Sedan den första 3D-skrivaren lanserades i mitten av 1980-talet har tekniken utvecklats med stormsteg. I dag används 3D-skrivare för att skriva ut alltifrån plastprodukter i hemmiljö, till delar av fordon och kompletta byggnader. Tidigt väcktes intresset att använda tekniken för medicinska tillämpningar. Bland de första exemplen finns utskrivna tandimplantat men snart vändes blickarna till möjligheten att skriva ut levande celler. När cellerna kapslas in i vattenrika geler, så kallade hydrogeler, kan de användas som bläck i en 3D-skrivare.

3D-utskrivna organ

Celler som odlas i hydrogeler kan bilda enkla organliknande strukturer, i form av vävnader och organ, som tarmar, njurar och hud. Men även om potentialen i att skriva ut mänskliga reservdelar är enorm så är utmaningarna desto fler. Trots det menar Wallenberg Academy Fellow Daniel Aili att 3D-tekniken kommer att få en mycket bred användning. Bland annat för att utveckla nya modellsystem för utvärdering av läkemedel utan djurförsök och inom framtidens cancerforskning. 

–  I dag studeras tillväxten av cancerceller antingen i mycket enkla cellsystem eller i djurmodeller, men i sådana modeller är det svårt att kartlägga enskilda mekanismer hos tumörcellerna och deras växelverkan med andra celler. Om vi kan tillverka och odla biologiskt realistiska tumörer i labbmiljö får vi nya förutsättningar att accelerera både forskningen kring tumörbiologi och läkemedelsutvecklingen, säger Daniel Aili. 

Ailis forskargrupp utvecklar nya typer av hydrogeler som gör det enklare att kapsla in och skriva ut strukturer av celler. För att det ska fungera behöver hydrogelen kunna ändra egenskaper över tid. Den måste skydda cellerna både under och efter utskrift för att därefter övergå från flytande till fast form. Den fasta formen ger cellerna en stödjande matris i tre dimensioner där cellerna kan växa.

I Daniel Ailis labb på Linköpings universitet står en mycket avancerad 3D-skrivare för biologiska material. Till den har hans forskargrupp utvecklat en rad olika hydrogeler för att passa olika former av celler, som hjärtceller, leverceller och nervceller. Med hjälp av skräddarsydda material byggs rätt mikromiljö för varje celltyp.

– Vi har utvecklat en verktygslåda av polymerer och proteinliknande molekyler, peptider, som vi kan använda för att ge hydrogelen rätt egenskaper för olika tillämpningar och celltyper. Vi är intresserade av att studera hur dessa molekylära komponenter kan utvecklas vidare för att ytterligare kunna dra nytta av cellernas egen förmåga till självorganisering. Allt för att bättre efterlikna naturens eget sätt att skapa vävnad, säger Daniel Aili.

Styr cellernas utveckling

Alla celler är förprogrammerade att självorganisera sig för att bilda olika vävnader och organ. I kroppen sker detta naturligt i allt från utvecklingen av ett befruktat ägg till läkningen av ett sår. Målet för Daniel Aili är att hitta sätt att dra nytta av denna förmåga för att styra eller underlätta utvecklingen av mer komplexa strukturer. Inte minst i form av blodkärl som krävs för att de 3D-utskrivna cellerna ska få tillräcklig mängd syre och näring för att överleva. För att lyckas behöver forskarna utveckla hydrogeler där de kemiska egenskaperna kan anpassas, både av de växande cellerna och av forskarna som gör experimenten.

– Vi kallar det för bioprinting i fyra dimensioner där tiden är den fjärde dimensionen. Om vi kan anpassa miljön kring cellerna i takt med att de växer, eller för att studera ett visst dynamiskt förlopp, så får vi en unik möjlighet att påverka deras självorganisering till mer komplexa strukturer. 

Målsättningen är att skapa mer avancerade miniatyrorgan, så kallade organoider, med en längre livslängd och större biologisk relevans än dagens enkla tumörmodeller. De har särskilt riktat in sig på bröstcancer eftersom det är en av de vanligaste cancerformerna.

– Men det är svårt eftersom tumörer inte bara utgörs av cancerceller. Tumören samspelar med andra typer av celler i vävnaden för att kunna växa och sprida sig. En bra tumörmodell måste därför kunna ta hänsyn till cancercellernas interaktioner med matrisen och andra tumörceller. En stor roll spelar också försörjning av näring och syre som normalt sker genom blodkärl som nybildas och växer in bland cellerna. Lyckas vi med det så kan det underlätta för utvecklingen av mer individanpassade behandlingar. 

Fler användningsområden

Hydrogelerna och komponenter de utvecklat har även fler användningsområden. Ett är att ge ett skydd till de celler som injiceras i kroppen vid olika former av cellterapier. Ett annat är för administrering av läkemedel.

–  Vi har också noterat att några av de peptider vi studerar kan användas för att förbättra frisättning av läkemedel från liknande fettbaserade nanopartiklar som de som används för mRNA-vaccin mot covid-19.

Verktygslådan som Ailis forskargrupp har utvecklat har fått internationell spridning, berättar han. 

– Det är väldigt roligt att fler kan ha nytta av det vi gjort. Att sprida resultatet till andra forskare och till industrin i form av innovationer och tillämpningar som på sikt kan nå patienterna är en av mina drivkrafter, säger Daniel Aili. 

”Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse gör den nyfikenhetsdrivna forskningen möjlig. Det blir helt enkelt möjligt att följa den fullt ut.”

En annan är hans nyfikenhet som han bär med sig sedan barnsben. Påhejad av såväl föräldrar som lärare gjorde han gärna egna experiment hemma i köket. En förebild fann han i sin morfar som regelbundet stack åt honom exemplar av tidskriften Forskning och framsteg. 

– Min morfar fick bara gå fem år i skolan men studerade vidare på egen hand och visade en stor nyfikenhet för det mesta. Att jag har fått möjligheten att genom forskningen följa min egen nyfikenhet är en ynnest och det är viktigt för mig att ge något tillbaka till samhället,  både i form av utbildning av studenter och forskarstuderande och utveckling av nya innovationer, säger Daniel Aili. 

Text Magnud Trogen Pahlén
Bild Thor Balkhed