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Una estrategia clave en la ingeniería de tejidos es el uso de materiales biocompatibles para fabricar andamios cuya morfología se asemeje al tejido que va a reemplazar y que además sea capaz de soportar el crecimiento y la función celular1,2. El andamio proporciona soporte mecánico al permitir la unión y proliferación celular, al mismo tiempo que permite la migración celular a través de los intersticios de una construcción celular 3D. El andamio también debe permitir el transporte masivo de nutrientes celulares y no inhibir la eliminación de desechosmetabólicos 3.
El electrospinning ha surgido como un método prometedor para la fabricación de andamios poliméricos capaces de soportar el crecimiento celular4-6. Las fibras electrohiladas no tejidas producidas son adecuadas para el crecimiento celular, ya que a menudo son porosas y permiten la interacción célula-célula, así como la migración celular a través de los intersticios de una construcción celular 3D7. Es importante monitorear la viabilidad celular durante el período de cultivo y garantizar que la viabilidad celular se mantenga a lo largo de toda la construcción 3D. Por ejemplo, las condiciones de cultivo, como el oxígeno y el pH, requieren un control cuidadoso, ya que pueden existir gradientes en la concentración de analito dentro de la construcción 3D. Los biorreactores o sistemas de perfusión pueden emplearse para imitar in vivo las condiciones de flujo intersticial y, como resultado, aumentar la transferencia de nutrientes y la eliminación de desechos metabólicos8. La cuestión de si estos sistemas garantizan condiciones microambientales constantes puede abordarse evaluando el microambiente celular en tiempo real.
Las métricas clave del microambiente que podrían monitorearse en tiempo real incluyen: temperatura, composición química de los medios celulares, concentración de oxígeno disuelto y dióxido de carbono, pH y humedad. De estas métricas, la temperatura se puede monitorear más fácilmente utilizando sondas in situ. Los métodos para monitorear las métricas restantes enumeradas comúnmente involucran la eliminación de una alícuota para el muestreo y, por lo tanto, perturban el cultivo celular y aumentan el riesgo de contaminación. Se están buscando métodos continuos y en tiempo real. Los métodos de monitoreo actuales generalmente se basan en instrumentos que sondean físicamente la construcción celular, como un monitor de pH o una sonda de oxígeno. Sin embargo, estos métodos intrusivos pueden dañar la construcción celular y perturbar el experimento en curso. El monitoreo no invasivo de las concentraciones de analitos dentro de la construcción 3D podría permitir el monitoreo en tiempo real de varios aspectos ambientales, como el agotamiento de nutrientes9. Esto permitiría evaluar el suministro de nutrientes a regiones más profundas dentro de la estructura y determinar si los desechos metabólicos se estaban eliminando de manera efectiva10,11. Los sistemas que intentan abordar el problema de la invasividad generalmente implican el uso de una cámara de perfusión que hace pasar el medio de cultivo tanto a través del recipiente de cultivo como a sensores externos para monitorear el pH, el oxígeno y la glucosa12. Existe un interés creciente en el desarrollo de sensores que puedan integrarse directamente en el recipiente de cultivo que no requieran la extracción de una alícuota para el muestreo y, como tales, proporcionarían un seguimiento in situ.
Para abordar estas deficiencias en el monitoreo in situ y no invasivo de las condiciones microambientales, hemos incorporado nanosensores sensibles al analito en andamios electrohilados para producir andamios autoinformados13. Anteriormente se han preparado andamios que actúan como dispositivos de detección mediante el monitoreo de la actividad de fluorescencia, donde el dispositivo de detección era el andamio polimérico real creado por electrohilado o mediante el uso de un colorante sensible al analito que se incorpora al polímero antes de la formación del andamio14,15. Sin embargo, estos dispositivos de detección tienen el potencial de dar salidas ópticas erróneas causadas por posibles interferencias de otros analitos. El uso de un dispositivo de detección radiométrico como los preparados en el protocolo descrito tiene el potencial de eliminar estos posibles efectos adversos y proporcionar una respuesta específica para el analito en cuestión.
Los andamios electrohilados presentados aquí han sido preparados a partir del copolímero sintético poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA), seleccionado debido a la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), debido a sus propiedades biodegradables y biocompatibles y un historial de apoyo al crecimiento y la función de varios tipos de células16-18. Los nanosensores sensibles al analito radiométrico preparados responden al pH. Los nanosensores incorporan dos tintes fluorescentes en una matriz sol-gel biocompatible donde un colorante, FAM, responde al pH y el otro, TAMRA, actúa como un estándar interno ya que no responde al pH. Además, la fluorescencia de FAM y TAMRA se puede analizar por separado, ya que no se superponen significativamente. La determinación de la relación de la emisión de fluorescencia de ambos tintes en longitudes de onda específicas proporciona una respuesta de pH independiente de otras condiciones ambientales. Los andamios de autoinforme podrían permitir la evaluación repetida del pH in situ y en tiempo real sin interrumpir el modelo 3D desarrollado. Hemos demostrado que estos andamios son capaces de soportar la unión y proliferación celular y siguen respondiendo al analito en cuestión. La cinética de los subproductos ácidos en las construcciones de ingeniería sigue siendo poco estudiada y, como tal, el uso de los andamios sensibles al pH podría facilitar en gran medida dichos estudios19. Además, el uso de los andamios de autoinforme para aplicaciones de ingeniería de tejidos presenta la oportunidad de comprender, monitorear y optimizar completamente el crecimiento de las construcciones de tejidos de modelos 3D in vitro, de forma no invasiva y en tiempo real.
Los nanosensores sensibles al pH también se han entregado al entorno intracelular de fibroblastos cultivados en andamios PLGA electrohilados. La relación de la emisión de fluorescencia de los colorantes se utilizó para monitorear el pHi y se comparó con un andamio de autoinforme que incorporaba nanosensores de pH. La entrega de nanosensores a células cultivadas en un entorno 3D podría permitir el seguimiento de la concentración de analito en las profundidades de la construcción de forma no destructiva. Por lo tanto, los nanosensores pueden ser una herramienta de imagen viable para evaluar de forma no destructiva el comportamiento de las células a lo largo de las construcciones 3D, lo que permite el análisis a largo plazo. El cribado de la concentración de analitos de las células individuales dentro de una construcción 3D podría garantizar que reciben suficientes concentraciones de nutrientes y oxígeno. El monitoreo de los parámetros del proceso podría ayudar en el desarrollo de técnicas estandarizadas para el transporte efectivo de masa de oxígeno y nutrientes. La entrega de nanosensores al entorno intracelular y la incorporación de nanosensores en andamios poliméricos podrían combinarse para permitir la evaluación de la viabilidad celular, así como el rendimiento de los andamios dentro de construcciones 3D durante el proceso de crecimiento del tejido. Esto puede conducir a un mayor conocimiento de estos constructos y avanzar en la fabricación de sustitutos de tejidos biológicamente relevantes.