"ผิวหนังจากเข็มฉีดยา": ไบโออิงค์แบบ "เม็ด" สองเฟสพิมพ์ชั้นหนังแท้และปลูกถ่าย

นักวิทยาศาสตร์จากสวีเดนได้นำเสนอ µInk bioink สำหรับการพิมพ์ชีวภาพแบบ 3 มิติของชั้นหนังแท้ ซึ่งเป็นไฮโดรเจลแบบแกรนูลาร์สองเฟส ผลิตจากไมโครสเฟียร์เจลาตินที่มีรูพรุน โดยมีไฟโบรบลาสต์จากผิวหนังมนุษย์ “ฝัง” ไว้บนไมโครสเฟียร์ ร่วมกับเมทริกซ์ของกรดไฮยาลูโรนิก ส่วนผสมนี้มีลักษณะเหมือนของเหลวภายใต้ความดันในกระบอกฉีดยา/หัวฉีดเครื่องพิมพ์ และจะกลับเป็นเจลอีกครั้งในบาดแผล นั่นเป็นเหตุผลที่นักข่าวเรียกมันว่า “ผิวหนังในกระบอกฉีดยา” ในการทดลองกับหนู โครงสร้างที่พิมพ์ออกมาซึ่งมีความหนาแน่นของเซลล์สูงมากสามารถอยู่รอดได้ สร้างเมทริกซ์นอกเซลล์ได้อย่างรวดเร็ว ขยายหลอดเลือด และผสานเข้ากับเนื้อเยื่อได้ภายใน 28 วัน งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในAdvanced Healthcare Materials

พื้นหลัง

• เหตุใดวัสดุทดแทนผิวหนังในปัจจุบันจึงห่างไกลจาก "หนังแท้แท้"มาตรฐานทางคลินิกสำหรับบาดแผลและแผลไฟไหม้ขนาดใหญ่คือการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อแบบแยกชั้น (STSG) และ/หรือแผ่นเนื้อเยื่อผิวหนัง (เช่น อินทิกรา) การปลูกถ่ายเนื้อเยื่อเหล่านี้ช่วยชีวิตและปิดรอยตำหนิ แต่มักทิ้งรอยแผลเป็นและรอยหดเกร็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้แผ่นเนื้อเยื่อบาง คุณภาพของแผลเป็นขึ้นอยู่กับสัดส่วนของ "หนังแท้ชั้นลึก" ในเนื้อเยื่อที่ปลูกถ่าย แม้แต่แผ่นเนื้อเยื่อแบบ "ตาข่าย" ซึ่งสะดวกต่อการปกปิดพื้นที่ขนาดใหญ่ ก็ทำให้เกิดแผลเป็นที่เห็นได้ชัดเจนขึ้นเนื่องจากการสมานตัวผ่านเซลล์ตาข่าย แผ่นเนื้อเยื่อผิวหนังช่วยสร้าง "นีโอเดิร์ม" แต่ยังคงไม่มีเซลล์ จำเป็นต้องผ่านขั้นตอนต่างๆ และไม่สามารถแก้ปัญหาเซลล์/หลอดเลือดของเนื้อเยื่อตนเองที่ไม่เพียงพอในช่วงสัปดาห์แรกๆ ได้
• เหตุใดการพิมพ์ชีวภาพผิวหนังแบบ 3 มิติจึงเป็นขั้นตอนต่อไปที่สมเหตุสมผล แต่กลับถูกขัดขวางโดยไบโออิงค์การพิมพ์ช่วยให้สามารถวางเซลล์และวัสดุต่างๆ ได้อย่างตรงจุด แต่ไฮโดรเจลเนื้อเดียวกันแบบคลาสสิกกลับกลายเป็น "ทางแยก":
  • เหลวเกินไป - พวกมันกระจายตัวและไม่คงรูป แข็งเกินไป - พวกมันกดทับเซลล์ ขัดขวางการแทรกซึมของหลอดเลือด และทำให้ไม่สามารถพิมพ์ความหนาแน่นของเซลล์สูงได้ นอกจากนี้ การสร้างโครงสร้างส่วนต่อขยาย (เช่น รูขุมขน) ยังคงเป็นเรื่องยาก เราต้องการหมึกชีวภาพที่ไหลภายใต้แรงดันของหัวฉีด แล้ว "รวมตัวกัน" ทันทีจนกลายเป็นมวลที่มีรูพรุนที่เสถียร และไม่ทำลายเซลล์ด้วยแรงเฉือน
• ไบโออิงค์แบบแกรนูลาร์ (ไมโครเจล หรือ "ติดขัด") คืออะไร และทำไมจึงเหมาะสำหรับชั้นหนังแท้อนุภาคไมโครเจลเหล่านี้ "อัดแน่น" ทำหน้าที่เหมือนของแข็งเมื่ออยู่นิ่ง และเหมือนของเหลวเมื่ออยู่ภายใต้แรงเฉือน (shear-thinning) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการพิมพ์และการฉีดด้วยเข็มฉีดยา/การอัดรีด หลังจากการใช้งาน เส้นใยจะคงรูปไว้ เหลือรูพรุนระหว่างแกรนูลาร์ไว้สำหรับการเจริญเติบโตของหลอดเลือด ส่วนผสมยังสามารถ "เชื่อมขวาง" ด้วยสารเคมีอ่อนๆ ได้อีกด้วย วัสดุประเภทนี้ได้กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการพิมพ์เนื้อเยื่ออ่อนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
• สรุปแนวคิดของ µInkผู้เขียนได้ผสานปัญหาสองชั้นเข้าด้วยกัน นั่นคือ เซลล์และเมทริกซ์ โดยปลูกไฟโบรบลาสต์ผิวหนังของมนุษย์ลงบนไมโครสเฟียร์เจลาตินที่มีรูพรุน ("เม็ด" ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ คล้ายกับคอลลาเจนในทางเคมี) จากนั้นจึง "ติด" แกรนูลเข้าด้วยกันด้วยเมทริกซ์ไฮยาลูโรนิกโดยใช้เคมีคลิกแบบปราศจากทองแดง ผลลัพธ์ที่ได้คือไบโออิงค์ "ของเหลวภายใต้ความดัน — ของแข็งเมื่อพัก" ซึ่งช่วยให้ความหนาแน่นของเซลล์สูงมาก การพิมพ์/ฉีด และการคัดเลือกเมทริกซ์นอกเซลล์อย่างรวดเร็ว ณตำแหน่ง เดิม โครงสร้างเหล่านี้หยั่งรากและสร้างหลอดเลือดในหนูภายใน 28 วัน
• แนวทางนี้ช่วยแก้ไข “จุดเจ็บปวด” ของคลินิกได้อย่างไร
  1. ความเร็วและโลจิสติกส์: แทนที่จะต้องเพาะเนื้อเยื่อเทียบเท่าเป็นเวลานาน ก็สามารถเตรียม "เม็ดที่มีชีวิต" และใส่ "ผิวหนังจากกระบอกฉีดยา" ลงในบาดแผลโดยตรงหรือพิมพ์ตามรูปร่างของข้อบกพร่องได้อย่างรวดเร็ว
  2. ชีววิทยา: ความเป็นเซลล์สูง + โครงสร้างที่มีรูพรุน → การสะสม ECM และการสร้างเส้นเลือดใหม่ที่ดีขึ้น - กุญแจสำคัญในการเกิดแผลเป็นและความยืดหยุ่นของชั้นหนังแท้
  3. ความเข้ากันได้กับออโตโลยี: ไฟโบรบลาสต์สามารถได้รับได้ง่ายจากชิ้นเนื้อขนาดเล็ก เจลาติน/HA เป็นส่วนประกอบที่คุ้นเคยกับผิวหนัง
• ช่องว่างยังคงอยู่ทั้งหมดนี้ยังคงเป็นการทดลองก่อนทางคลินิกในหนู การนำไปใช้กับผู้ป่วยจำเป็นต้องมีแบบจำลองผิวหนังแบบเต็มความหนา การติดตามผลในระยะยาว การพิมพ์ร่วมกับเซลล์เคอราติโนไซต์/เอนโดทีเลียม การกำหนดมาตรฐาน GMP และหลักฐานที่พิสูจน์ว่าเทคโนโลยีนี้ช่วยลดรอยแผลเป็นและปรับปรุงการทำงานได้จริงเมื่อเทียบกับมาตรฐาน
• เหตุใดข่าวนี้จึงสำคัญในขณะนี้ท่ามกลางข้อจำกัดที่ยังคงมีอยู่ของ STSG/templates และความสมบูรณ์ของชั้น bioink แบบเม็ด µInk ได้สาธิตการประกอบที่ใช้งานได้จริง: “ตัวพาไมโครเจล + เมทริกซ์ยึดเกาะแบบอ่อน + เซลล์ออโตโลกัสปริมาณสูง” ซึ่งทำให้สถานการณ์การสร้างชั้นผิวหนังใหม่อย่างรวดเร็วและมีความหนาแน่นของเซลล์สูงโดยไม่ต้องใช้ขั้นตอน “บ่มเพาะ” ที่ยาวนานดูสมจริงยิ่งขึ้น

เหตุใดจึงจำเป็นเช่นนี้?

การทดแทนผิวหนังแบบคลาสสิกมักทิ้งรอยแผลเป็นไว้ เนื่องจากมีเซลล์น้อย เจริญเติบโตได้ไม่ดี และสร้างเมทริกซ์ผิวหนังที่ “ถูกต้อง” ที่อ่อนแอ การปลูกผิวหนังชั้นหนังแท้ที่หนาและซับซ้อนทั้งหมดในจานเพาะเลี้ยงนั้นใช้เวลานานและยากลำบาก ผู้เขียนเสนอวิธีที่ต่างออกไป นั่นคือ การประกอบ “อิฐ” จากไฟโบรบลาสต์ของผู้ป่วยเองอย่างรวดเร็ว วางลงบนไมโครสเฟียร์ที่มีรูพรุน แล้วฉีด/พิมพ์ลงบนบริเวณที่มีข้อบกพร่องโดยตรง ซึ่งร่างกายจะสร้างผิวหนังชั้นหนังแท้ที่สมบูรณ์

µInk bioink ทำงานอย่างไร

• เฟสที่ 1: “เม็ดที่มีชีวิต” ไมโครสเฟียร์เจลาตินที่มีรูพรุน (โดยพื้นฐานแล้วเป็นเม็ดเล็กๆ ที่มีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายคลึงกับคอลลาเจนของผิวหนัง) ซึ่งไฟโบรบลาสต์ชั้นหนังแท้ของมนุษย์จะถูกขยายพันธุ์ในไบโอรีแอคเตอร์
• เฟส 2: "Binding Gel" สารละลายไฮยาลูโรนิกแอซิดที่ยึดเม็ดเจลเข้าด้วยกันด้วยเคมีคลิกปราศจากทองแดง
• รีโอโลยี ผลลัพธ์ที่ได้คือไฮโดรเจลแบบเม็ดที่บางลงเมื่อถูกแรงเฉือน ไฮโดรเจลจะไหลภายใต้แรงดันและคงรูปเมื่อหยุดนิ่ง ซึ่งหมายความว่าไฮโดรเจลนี้เหมาะสำหรับทั้งการใช้งานด้วยกระบอกฉีดยาและการพิมพ์ 3 มิติ

สิ่งที่การทดลองแสดงให้เห็น

• การพิมพ์และความสามารถในการมีชีวิต: มินิแพตช์ที่มีเสถียรภาพพร้อมความหนาแน่นของเซลล์ที่สูงมากได้รับการพิมพ์จาก µInk โดยความสามารถในการมีชีวิตและฟีโนไทป์ของไฟโบรบลาสต์ได้รับการรักษาไว้
• ในร่างกาย (หนู): โครงสร้างที่ปลูกถ่ายใต้ผิวหนังเป็นเวลา 28 วัน
  - มีหลอดเลือดเติบโตมากเกินไป
  - แสดงให้เห็นการปรับโครงสร้างของไฮโดรเจล
  - และมี ECM ในชั้นผิวหนังสะสม (ไฟโบรบลาสต์ยังคงแบ่งตัวและทำงาน) บ่งชี้ถึงการรวมตัวของเนื้อเยื่อ
• การฝึกปฏิบัติ สามารถฉีดวัสดุผ่านเข็มเข้าไปในบาดแผลโดยตรง หรือจะพิมพ์ชั้น/รูปทรงเฉพาะจุดก็ได้

เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญ?

• ความเร็วและความหนาแน่น เวลาเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแผลไฟไหม้และแผลเรื้อรัง µInk ช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงวงจรการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อที่ยาวนาน "ในปริมาตร" และนำเซลล์ที่ทำงานอยู่จำนวนมากเข้าสู่บริเวณที่ต้องการได้ทันที
• ชีววิทยาใกล้เข้าสู่ภาวะปกติมากขึ้น ความเป็นเซลล์สูงและโครงสร้างรูพรุนของไมโครสเฟียร์ส่งเสริมการสร้างเมทริกซ์และการสร้างหลอดเลือดใหม่ ซึ่งเป็นสองปัจจัยสำคัญสู่การรักษาและความยืดหยุ่นที่ปราศจากรอยแผลเป็น
• โลจิสติกส์ของคลินิก แนวคิดนี้สอดคล้องกับแนวทางการรักษาแบบออโตโลกัส: การตัดชิ้นเนื้อผิวหนังขนาดเล็ก → เพิ่มจำนวนไฟโบรบลาสต์บนไมโครสเฟียร์อย่างรวดเร็ว → พิมพ์เนื้อเยื่อปลูกถ่ายสำหรับแผลของผู้ป่วย

แตกต่างจาก “ไฮโดรเจลที่มีเซลล์” ทั่วไปอย่างไร

ไฮโดรเจลแบบ "เนื้อเดียวกัน" ทั่วไปนั้นมีทั้งแบบเหลวเกินไป (กระจายตัว) หรือแบบแข็งเกินไป (กดทับเซลล์ ขัดขวางการเจริญเติบโตของหลอดเลือด) โครงสร้างแบบเม็ดเล็กทำให้เกิดรูพรุนและทางเดินสำหรับหลอดเลือด และแบบ "สองเฟส" ซึ่งทั้งมีเสถียรภาพเชิงกลและความสามารถในการฉีด นอกจากนี้ ตัวพาเจลาตินยังย่อยสลายได้ทางชีวภาพและ "คุ้นเคย" กับเนื้อเยื่อ

ข้อจำกัดและสิ่งที่จะเกิดขึ้นต่อไป

จนถึงขณะนี้ยังอยู่ในช่วงก่อนการทดลองทางคลินิก (หนู ช่องใต้ผิวหนัง ระยะเวลา 4 สัปดาห์) ต่อไป:

• ข้อบกพร่องของผิวหนังที่มีความหนาเต็มที่และการติดตามผลที่ยาวนานขึ้น
• การทดสอบเซลล์เคราติน/เซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดและการทดสอบผิวหนังแบบเต็มความหนาแบบผสมผสาน
• การเปลี่ยนผ่านไปสู่เซลล์อัตโนมัติของผู้ป่วยและแบบจำลองแผลไฟไหม้/เรื้อรัง
• การปรับขนาดสำหรับ **การผลิต GMP** (ไบโอรีแอคเตอร์ ความปลอดเชื้อ การควบคุมคลิก)

ที่มา: Shamasha R. และคณะBiphasic Granular Bioinks for Biofabrication of High Cell Density Constructs for Dermal Regeneration, Advanced Healthcare Materials, ออนไลน์ 12 มิถุนายน 2568 https://doi.org/10.1002/adhm.202501430