En general, matrices biodegradables derivadas de tejidos descelularizados pueden aproximarse más de cerca la composición 3D compleja y estructura de la ECM en el microambiente celular nativo en comparación con andamios sintéticos o modelos de cultivo estándar basados en 2D TCPS. Como se discutió previamente, las interacciones célula-ECM son críticamente importantes en la mediación de comportamiento celular tanto en cultivo como en el cuerpo 1. Reconociendo que las propiedades bioquímicas, biofísicas y biomecánicas de la ECM son únicos para cada tejido, cada vez hay más evidencia para apoyar la justificación de la aplicación de enfoques específicos de tejido en el diseño de biomateriales para ingeniería de tejidos, así como en el desarrollo de más fisiológicamente modelos de cultivo relevantes para los experimentos in vitro 20. La utilización de tejidos descelularizados como material de partida, nuestros métodos pueden incorporar la compleja composición de la ECM específico de tejido dentro de más custformatos de andamio omizable. Mientras que los pasos mecánicos y enzimáticos de procesamiento se traducirá en una pérdida de la ultraestructura ECM nativa, estudios previos con DAT han demostrado que los efectos instructivos de la MEC derivadas de tejido adiposo se conservan en estos formatos de andamio, lo que sugiere que la composición bioscaffold es un mediador clave de la función celular 11, 29. Una ventaja importante del uso de las espumas y microportadores ECM derivados como sustratos de cultivo celular en comparación con los tejidos descelularizados intactos es que son más homogénea, lo que puede mejorar la uniformidad en la distribución de células y de las interacciones célula-célula / célula-ECM.
Los métodos descritos aquí pueden ser utilizados para generar una amplia gama de matrices biodegradables específicos de tejido para su uso en el cultivo celular y aplicaciones de ingeniería de tejidos. Por ejemplo, además de la DAT, DDT, y DLV, nuestro laboratorio ha aplicado con éxito estas técnicas para generar por 3Despumas OU utilizando hueso descelularizado, cartílago, el núcleo pulposo, y anillo fibroso, así como comercialmente disponible colágeno, insoluble derivado de tendón bovino. Desde una perspectiva in vitro, estas matrices biodegradables podrían ser utilizados como una base para modelos de mayor fidelidad 3D de cultivo para la investigación de la biología celular, la fisiología o patología de la enfermedad 38, como sustratos bioactivos en alto rendimiento plataformas de cribado de fármacos 39, o matrices como instructivo para vástago diferenciación 40, 41 de células. DAT, DDT y DLV espumas fabricadas a concentraciones de 25 - 50 mg / ml son estables a largo plazo en cultivo in vitro (probado hasta 28 días). Además, los tres tipos de microportadores pueden apoyar la unión de células y la proliferación bajo condiciones dinámicas en un sistema de cultivo spinner de bajo cizallamiento (10 - 15 rpm) durante al menos 2 semanas. Para aplicaciones in vivo, el biocompatible y biodegradaespumas y microportadores ble ECM derivados son prometedores como productos off-the-shelf para estimular la remodelación de tejidos constructiva y regeneración 11, 29. Además, los andamios de células adhesivo podrían utilizarse como sistemas de administración de la terapia de células 42, 43. Como ejemplo, se muestran espumas DAT para promover la angiogénesis y la adipogénesis cuando se sembró con ASCs alogénicas y se implantaron por vía subcutánea en un modelo de rata inmunocompetente 29. En relación con el DAT intacto, el DAT más altamente procesados espumas degrada mucho más rápidamente, con una reducción del 50% en el volumen observó a las 3 semanas, ya que se integraron con los tejidos del huésped, y casi completa resorción por 12 semanas. Sin embargo, las espumas también indujeron una respuesta angiogénica más potente, lo que sugiere que el ECM enzima digerido tuvo efectos pro-regenerativas únicas. Del mismo modo, los microportadores ECM derivados podrían ser utilizados como in vitro </ em> sustratos de cultivo de células dentro de los sistemas de cultivo dinámicos y vehículos de suministro de células como inyectables 11, 30, 44. Más específicamente, la zona de pequeño diámetro y gran superficie de los microportadores podría permitir la entrega de una gran cantidad de células en un pequeño volumen, mientras que proporciona una matriz que puede ayudar a apoyar la viabilidad celular y aumentar la retención de células en el sitio de inyección 30. Antes del uso en cualquier sistema vivo, es crítico para asegurar que el ECM fuente es sustancialmente desprovista de componentes celulares antigénicos y / o reactivos descelularización potencialmente citotóxicos que podrían desencadenar una respuesta del huésped negativo 7.
La enzima pepsina proteolítica se utiliza comúnmente en la preparación de hidrogeles de ECM derivado 15. La pepsina es una proteasa no específica que digerir las proteínas de colágeno y otra ECM into fragmentos pequeños 45. Mientras que los hidrogeles fabricados a partir de ECM pepsina-digerido se han notificado a tener efectos de células instructivo, una limitación es que estos materiales tienden a ser extremadamente mecánicamente débil 46. En nuestro desarrollo inicial de los microportadores DAT, se utilizó un enfoque compuesto en el que la pepsina-digerido DAT se combinó con alginato y se añadió gota a gota en CaCl 2 para formar perlas esféricas 30. Las perlas se posteriormente foto-reticulado y el alginato se extrajo usando citrato de sodio. Además del requisito para la reticulación química, una limitación clave fue que los microportadores fabricados con este enfoque tenían una pobre estabilidad por debajo de un intervalo de tamaños de 900 a 950 micras 30. En lugar de pepsina, los métodos presentados aquí utilizan una digestión más leve de la ECM con la enzima glucolítica α-amilasa, que se postula para escindir los grupos de hidratos de carbono de la teloperegiones ptide de colágeno, lo que aumenta la solubilidad en ácido acético 37. Este enfoque permite el aislamiento de colágeno altamente polimerizada que puede ser utilizado para generar espumas y microportadores puros ECM derivados sin la necesidad de reticulación química o otros aditivos. Estas matrices biodegradables se estabilizan a través de interacciones físicas y enlaces de hidrógeno entre las fibrillas de colágeno bien conservados, similar al colágeno en el microambiente ECM nativa.
Las espumas son una plataforma altamente flexible que puede ser fabricado en una amplia gama de geometrías en función del molde específico seleccionado. Para los estudios de cultivo de células, las espumas pueden ser emitidos directamente en placas de pocillos TCPS, para formar recubrimientos o andamios 3D de espesor variable. Para fabricar espumas 3D con superficies muy uniformes, se recomienda que un molde personalizado está diseñado que pueda ser sellado por ambos lados con plástico o vidrio diapositivas. De cualquier ECM picado o cryomilled puede ser usada para sintetizarlas espumas. En general, hemos encontrado que las espumas cryomilled tienden a ser macroscópicamente más suave y tienen una ultraestructura más interrumpido a concentraciones inferiores 31, 36. Dependiendo de la fuente de tejido, los pasos adicionales de procesamiento mecánicos pueden causar alteraciones en la composición de la MEC que podría afectar la función celular. Por ejemplo, en nuestro trabajo anterior, se detectó la laminina en espumas DLV picados, pero no cryomilled DLV espuma 31. En contraste, el colágeno I, colágeno IV, laminina y fibronectina se detectaron en ambos picada y cryomilled DAT espuma 36. Además de las etapas de tratamiento mecánicas, el tamaño de la porosidad y de poros de las espumas se puede ajustar en cierta medida por la variación de la concentración de la suspensión ECM y la temperatura de congelación 47. En general, las espumas de concentración más bajos (~ 10 - 15 mg / ml) son cualitativamente más porosa, pero pueden contraerse rápidamente y tienen pobreestabilidad en cultivo a largo plazo 31, 36. Del mismo modo, una velocidad de congelación más lenta, típicamente conseguido por una temperatura de congelación más alto, puede resultar en poros más grandes en las espumas debido al tamaño de los cristales de hielo formados durante la fabricación 29. Todos estos parámetros pueden influir en las interacciones celulares con los materiales, incluyendo el apego, infiltración, y remodelación. Por ejemplo, el crecimiento celular en las espumas que se fabrican con concentraciones más altas de ECM puede estar limitada a las zonas de la superficie, en particular con las fuentes de ECM picados y bajo condiciones de cultivo estáticas 36.
Para los microportadores, los parámetros clave que pueden ser sintonizados son la concentración de la suspensión ECM, calibre de la aguja, y la tensión aplicada, con concentraciones más altas típicamente produciendo microportadores que son más estables en cultivo dinámico a largo plazo. Tras el inicio de electrospraying, los suspens ECMgotitas de iones deben caer rápidamente en el centro del matraz, hacia la dirección del colector de papel de aluminio. Para evitar la agregación, es importante que las perlas en contacto con el nitrógeno líquido antes de la lámina. La distancia entre la aguja y la superficie del nitrógeno líquido puede ajustarse para cumplir estos requisitos. Es importante tener en cuenta que la optimización puede ser necesaria dependiendo de las propiedades de cada fuente ECM específico, en particular en la selección del intervalo de concentraciones que va a generar matrices biodegradables estables. Otro factor clave es el protocolo de descelularización que se utiliza para generar los materiales de partida, como los métodos de descelularización que degradan el ECM o la presencia de reactivos residuales (por ejemplo, tensioactivos) puede influir negativamente en la estabilidad de las espumas y microportadores resultantes. Si desafíos se encuentran con la estabilidad bioscaffold, opciones que pueden ser investigados incluyen el uso de un proceso de rehidratación más gradual, aumentando la susp ECMconcentración ensión, y la exploración de picada frente ECM cryomilled. En caso de que todas estas opciones no resolver el problema, puede ser necesario explorar los protocolos de descelularización o fuentes alternativas de ECM.
Para asegurar la reproducibilidad durante la producción de andamios, la atención especial debe ser tomada en ciertos pasos en el protocolo. Cuando cryomilling los tejidos descelularizados, se recomienda que la molienda se llevó a cabo inmediatamente después de la liofilización en un entorno seco para reducir la probabilidad de la agregación de partículas debido a la absorción de la humedad del medio ambiente. Durante la fabricación de microportadores, se sugiere que la suspensión se electro pulverizada en pequeños lotes, con un volumen máximo de 3 ml, para evitar problemas con el enfriamiento de la muestra que pueden resultar en obstrucción de la aguja. Además, es esencial que los microvehículos no se les permite descongelar después del proceso de electrospraying. Para mantener su geometría esférica y la estabilidad mecánica, el microcarriERS se recogen en el nitrógeno líquido, que se transportan en un contenedor lleno de nitrógeno líquido, e inmediatamente se liofilizó. Por último, tanto para las espumas y microportadores, es crítico que los pasos de rehidratación se realizan lentamente durante un período de varios días. rehidratación rápida puede resultar en el colapso estructural en el macro- y / o micro-escala. Además, la rehidratación tiene que ocurrir lentamente para evitar la formación de pequeñas burbujas de aire dentro del andamio, que pueden requerir una cantidad significativa de tiempo para desgasificar a vacío la luz.
En conclusión, los métodos presentados en este documento se pueden usar para fabricar una amplia gama de espumas específicos de tejido y microportadores compuestos de ECM puro, no reticulado químicamente. Una ventaja para los investigadores biológicos es que las matrices biodegradables son fáciles de manejar y se pueden procesar de manera similar a los tejidos al realizar los análisis con técnicas tales como ensayos de histología, inmunohistoquímica, o de genes y expresión de proteínas.Además, los andamios de ECM derivados pueden ser enzimáticamente degradada para extraer las poblaciones de células sembradas o se puede utilizar directamente como vehículos de administración de células biodegradables y biocompatibles. En general, esta tecnología plataforma flexible tiene gran utilidad para numerosas aplicaciones, incluyendo para los estudios de cultivo de células en 3D que investigan la función celular, como sustratos de expansión celular y matrices biodegradables como pro-regenerativas.