Development of a functional 3D lymph node model for medical research by two-photon polymerization

Abstract

Menneskets immunsystem beskytter kroppen mot skadelige patogener. Lymfeknuten er en essensiell del av immunsystemet, ettersom adaptive immunresponser leveres og vedlikeholdes av lymfeknuten. For å forbedre forståelsen av funksjonen til den menneskelige lymfeknuten og dens relaterte sykdommer, er forskningsmodeller som bedre etterlikner den menneskelige lymfeknutens anatomi og fysiologi nødvendige. Nåværende forskningsmodeller mislykkes i å nøyaktig gjenskape den kompliserte tredimensjonale lymfeknuten til mennesker. I min prosjektoppgave ble en lymfeknute-modell utviklet med mer anatomisk nøyaktige lymfeknute-strukturer. Denne modellen var ikke funksjonell for medisinsk forskning på fordi den er et åpent system design med uprøvd kompatibilitet med væske-pumpe-systemet.

Denne masteroppgaven har som mål å utvikle en tredimensjonal lymfeknute-modell som er funksjonell for medisinsk forskning og som bedre etterlikner den menneskelige lymfeknutens anatomi og fysiologi, ved bruk av to-foton polymerisasjons printeren NanoOne, med et mål om å forbedre forskningsmodeller . En funksjonell lymfeknute-modell ble utviklet basert på kravene; modellen må være et lukket system, ha tilstrekkelig gjennomsiktighet og synlighet, være biokompatibel og være kompatibel med et væskepumpesystem. Lymfeknute-modellen ble evaluert gjennom optisk, skanningelektron- og konfokalmikroskopi, perfusjon av modellen med væske og kuler og lymfeknutens 3D-voidvolum.

Lymfeknute-modellen oppfyller de funksjonelle kravene som stilles og kan betraktes som en funksjonell lymfeknute-modell for medisinsk forskning. Resultatene avdekket to hovedproblemer som påvirker strømmingen gjennom modellen. For det første, er det et gap mellom lymfeknute-modellen og den tynne glassplaten modellen er festet til, noe som får de perfuserte kulene til å strømme gjennom gapet i stedet for gjennom lymfeknute-scaffoldet. For det andre, er modellen i stor grad forurenset og fylt med luftbobler som hindrer strømmning gjennom modellen. I fremtidige arbeider bør løsninger for disse problemene undersøkes for at lymfeknute-modellen skal være nyttig for medisinsk forskning.

The human immune system protects the body from harmful pathogens. The lymph node is an essential part of the immune system, as adaptive immune responses are provided and maintained by the lymph node. To improve the understanding of the function of the human lymph node and its related diseases, research models that better replicate the human lymph node anatomy and physiology are needed. Current research models fail to accurately replicate the complicated three-dimensional human lymph node. In my pre-thesis project, a lymph node model was developed with more anatomically accurate lymph node structures. This model was not functional for medical research because it is an open system design with untested compatibility with the fluid pump system.

This master's thesis has the objective of developing a three-dimensional lymph node model that is functional for medical research and better resembles the human lymph node anatomy and physiology, using the two-photon polymerization printer NanoOne, with the aim of improving research models. A functional lymph node model was developed based on the requirements; the model must be a closed system, have adequate transparency and visibility, be bio-compatible, and be compatible with a fluid pump system. The lymph node model was evaluated through optical, scanning electron and confocal microscopy, perfusion of the model with fluid and beads and the lymph node 3D void volume.

The lymph node model fulfils the functional requirements set and can be considered a functional lymph node model for medical research. The results revealed two major issues affecting the flow through the model. Firstly, a gap exists between the lymph node model and the thin glass plate the model is adhered to, causing the perfused beads to flow through the gap instead of through the lymph node scaffold. Secondly, the model is largely contaminated and filled with air bubbles obstructing flow through the model. In future works, solutions for these issues should be investigated for the lymph node model to be useful for medical research.