3D Bioprinting of vascular structures for organoids models

Organoids, 3D multicellular structures that mimic the architecture and functionality of a specific organ in vivo, are increasingly taking ground in biomedical research as novel human-specific in vitro models. However, the lack of a vasculature prevents them from reaching a full functionality and from a long-term survival. Although in vitro organoid vascularization has been attempted by numerous different strategies, to date none of them has been demonstrated to achieve a fully perfusable vascular system. The present study addresses this issue through the 3D bioprinting of an endothelial cells-laden bioink aiming to create a vascular structure for colon organoid perfusion. In particular, this work has focused on the optimization of the network bioprinting process, allowing to define the suitable printing parameters as well as the geometry of the network designed to host colon organoids, but also that of the internal structures printed right inside the lattice. G-codes modifications enabled to print both the inner and the outer structures without damaging each other, along with the bioprinting of multiple constructs in a muti-well plate. Moreover, the choice of the proper nozzle and bioink, together with the optimization of the bioprinting protocol, allowed to print high-resolution constructs, which did not dissolve in culture medium enabling endothelial cells proliferation and survival as well as the seeding of colon epithelial cells.

Gli organoidi, strutture 3D multicellulari che mimano l’architettura e la funzionalità di uno specifico organo in vivo, stanno prendendo sempre più piede nella ricerca biomedicale come nuovi modelli in vitro umano-specifici. Tuttavia, la mancanza di una rete vascolare impedisce loro di raggiungere una piena funzionalità e una sopravvivenza a lungo termine. Nonostante ci siano numerose strategie che cercano di vascolarizzare gli organoidi in vitro, attualmente nessuna di esse è riuscita a realizzare un sistema vascolare del tutto perfondibile. Il presente studio affronta questo problema attraverso il 3D bioprinting di un bioink caricato con cellule endoteliali per realizzare una struttura vascolare per la perfusione di organoidi di colon. In particolare, questo lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione del processo di bioprinting del network, permettendo di definire i parametri di stampa adeguati, la geometria della griglia progettata per ospitare organoidi di colon e anche quella delle strutture da stampare all’interno della griglia stessa. Le modifiche dei G-code hanno permesso di stampare sia le strutture esterne che quelle interne senza che le une danneggiassero le altre, ma anche di stampare più costrutti in una piastra multi-pozzetto. Inoltre, la scelta dell’ugello e del bioink più adatti, insieme all’ottimizzazione del protocollo di bioprinting, hanno permesso di stampare costrutti ad alta risoluzione, che non si sono disciolti nel mezzo di coltura permettendo la proliferazione e la sopravvivenza delle cellule endoteliali, e infine anche la semina di cellule epiteliali di colon.