1. 3D bioprinting of functional human skin:
production and in vivo analysis
Cubo N., Garcia M, Del Cañizo JF, Velasco D,
Jorcano JL.
Biofabrication. 2016 Dec 5;9(1):015006.
May 2019
2. Why?
➔ Medical: 11 million injuries
per year worldwide
require medical attention.
265 000 lead to death.
➔ Industrial: Accurately
predict the response of
human skin to products.
2
Objective
Print bioengineered skin for therapeutical and industrial applications in an
automatized manner.
4. Epidermis: Protective
outermost portion of the skin
● Keratinocytes:
Keratin-producing cells.
Protect and minimize heat,
solute and water loss.
Human skin
Dermis: Provides strength
and the sense of touch.
● Fibroblasts:
Collagen-producing cells.
Critical role in wound healing.
4
5. Introduction
Autografts:
▷ Tissue transplanted from one part of the body to
another in the same individual.
Laboratory-grown skin:
▷ Fibrinogen: (blood component) used to construct human
skin.
Bioprinting:
▷ Scaffolds: hydrogels, polymers ceramics.
▷ In situ bioprinting: fibrin-collagen layers containing human
fibroblasts (hFBs) and keratinocytes (hKCs)
▷ Free-Form Fabrication
▷ Laser assisted
5
10. Analysis of printed
human skin
differentiated in
vitro
(A) ‘Handmade’ skin
(B)-(D)-(C) Printed skin
(C) Expression of Keratin
(D) Proper growth of
hFBs
10
Equivalents deposited into transwells were allowed to differentiate
for 17 days with a medium that was changed every 3 days.
11. Analysis of printed
human skin
differentiated in
vivo -
(8 weeks postgraft)
(A) Visual appearance
(B) Regenerated skin
(C) Normal human skin
11
All the characteristic of normal skin, stratum
basale, stratum spinosum, stratum granulosum
and a well-developed stratum corneum are
easily identified in the printed skin.
12. 12
Analysis of bioprinted
human skin grafted to
mice
(A) Keratin detection (green line)
(B) Collagen VII (green line)
hFBs (red colour)
(C) Suprabasal keratin K10 (red line)
(D) Filaggrin - Granular layer(green
staining)
Rete ridges (asteriks)
SMA - blood vessels (red staining)
Analysis eight weeks post grafting
using antibodies against skin markers
15. Discussion
2 main approaches have been published:
▷ Multi-layered deposition of fibroblast and
keratinocytes in a collagen scaffold.
▷ LaBP technique: immortal human HaCaT
keratinocytes and mouse fibroblasts.
Our model:
▷ Simultaneously deposit all the elements of
dermis and on top the hKCs to form
epidermis.
15
16. Conclusion
▷ The printed skin was very similar to normal human
skin and to manually produced equivalents.
▷ This method is fast and appropriate for commercial
and clinical use.
▷ It’s automation should reduce the cost. 16
רפואי: 11 מיליון פציעות בעור בשנה ברחבי העולם דורשים טיפול רפואי. 265000 מובילים למוות.
תעשייתי: לחזות באופן מדויק את התגובה של העור האנושי למוצרים.
מטרה: הדפסת תלת מימד של עור מהונדס לשימושים רפואים ותעשייתים באופן אוטומטי, מהיר וזול
STRATUM CORNEAUM תאים שטוחים מלאים בקרטין
HIPODERMIS: תת עור מלאה בתאי שומן, ריפוד לגוף,
Keratin: to adhere cells to each other and to form a protective layer on the outside of the skin.
Collagen: proteine that provides strength and structure.
מה נעשה עכשיו כדי לפתור את הבעיות הללו
AUTOGRAFTS: רקמות המושתלות מחלק בריא של הגוף לחלק פגוע באותו אדם.
חסרון: לא מספיק זמין כשמדובר על פצע גדול-> המגבלה הזו הובילה לפיתוח של גידול רקמות במעבדה
LAB.GROWN SKIN, עור מהונדס במעבדה
CULTURED EPIDERMAL GRAFTS גידול קרטינוציטים בצלחת פטרי
חסרון: שבריר ורגיש מאוד
FIBRINOGEN סוג של חלבון שנמצא בדם אנושי הופך לפיברין בתהליך של כרישת דם ובכך מרפא את הפצע ומתקן רקמות.
הקב' חוקרים הצליח לפתח מודל עור עם 2 השכבות שמבוסס של פלזמה אנושית והצליח לטפל בפצעים וכוויות של מטופלים רבים בספרד
יתרון: זמינות וסובלנות טובה לתאים
חסרון: מחיר גבוה, זמן, אנשים מקצועיים
הדפסת תלת מימד היא טכנולוגיה שיכולה לפתור את הבעיות האלו
SCAFFOLDS תמיכה מבנית של התאים. מוצק שהתאים מתרחבים עליו
שנן שתי אסטרטגיות עיקריות לגבי השימוש bioprinting העור לטיפול בפצע.
IN SITU הדפסה במקום של הפצע. המחקר נעשה על עכברים עם תוצאות טובות אבל צריך להשתפר
שכבות של פיברין וקולגן עם תאים אנושיים
בגלל ניסיון החוקרים עם פלזמה אנושית הם החליטו להשתמש בטכניקת FFF להנדסת עור עם פלזמה ותאים אנושיים שנלקחו ממתנדבים בריאים
התוצאות יראו הדימיון בין העור המודפס לעור אנושי ולעור שגדל במעבדה
מרכיבים נשאבים דרך הצינורות מ-E TO A
מעורבים ומחוברים למחט 1 b ו- c
מחובר מחט עצמאית 2 עם קצב זרימה שוניםD
המחטים מדפיסים את המרכיבים על צלחת ההדפסה
C שומר על פני השטח ב 37 מעלות
המערכת נשלטת על ידי ארדוינו היא מנהלת את החיישנים ואת הטמפרטורהD
hFBs ו- hKCs מתקבלים מביופסיות עור של תורמים בריאים
hFBs and hKCs are obtained from skin biopsies of healthy donors
CaCl2 calcium chloride induces the coagulation of the plasma fibrinogen to fibrin hydrogel
The lower layer is a fibrin matrix (human plasma) with hFBs
Upper layer hKCs seeded on top of the fibrin scaffold
a to c were pumped out deposited on the plate.
This mixture was allowed to polymerize for 30 min at 37 C to form fibroblasts containing fibrin hydrogel
d was deposited on top and allowed the hKCs to attach and spread להתפזר overnight in an incubator
In vivo: Immediately after, the the printed skin was transplanted on the back of 4 immunodeficient female mice. The grafts were analyzed 8 weeks after
In vitro: Skin was deposited on transwell inserts (membranes for optimal cell growth).
-Analysis was made with antibodies agains skin markers:
-Viability of hKCs
קו מקוקו לבן
מבנה זהה B -A
STRATTUM CORNEUM התאים התמיינו עד הסוף
C- ANTI-K10 ANTIBODY(GREEN)
D- VIMENTIN (RED) FIBROBLASTS IN DERMIS
BLUE-DAPI NUCLEI
אחרי 4-6 שבועות ה”תחבושת” נפלה
השתל נראה מקומת,עבה ולבן זהה לעור אנושי
ענליזה יותר מפורטת על ידי נוגדנים ופלורצנזיה
A- BASAL STRATUM REVEALED BY KERATIN 5 (DEEPEST LAYER OF EPIDERMIS)
B- COLLAGEN עוגן של דרמיס ואפידרמיס
STRATUM CORNEAUM
C-AS IN NORMAL MATURE SKIN
D- FILAGGRIN עוגן של קרטין
RETE RIDGES ONLY IN HUMAN SKIN
SMA- IMPORTANT PARAMETER כלי דם מאפשר חימצון וזה תורם להצלחת השתל
יותר קשה לשמור על תרבית קרטינוציטים מאשר פיברובלסטים כי הם תאים יותר עדינים
צריך לבדוק אותם אחרי תהליך ההדפסה
NUMBER AND SIZE OF COLONIES SIMILAR
1: -No skin markers to know differentiation
-no primart hKCs
-severe srinking
SLOW 1cm^2 /hour
2: -Anormal tchikness
-Basal cells in all epidermis
-no info of time required
Our model:
-No shrinking
-Homogenous spread פיזור of FBs
-Markers labelled the same cells as human skin
-stratum corneum and basal membrane
-Formation of rete ridges
-Blood vessels
-100 cm^2 in less than 35 min
-human plasma is better than collagen:
Promotes migration prolif. Of cells. Allows efficient production of collagen by FBs