Aquí, demostramos cómo las células epiteliales cultivadas con fibroblastos en el sistema de dos capas basado en membranas nanofibrosas pueden adherirse y crecer de manera estable en la membrana.
Artículo de método
Aquí, demostramos cómo las células epiteliales cultivadas con fibroblastos en el sistema de dos capas basado en membranas nanofibrosas pueden adherirse y crecer de manera estable en la membrana.
Los obstáculos técnicos en un cultivo de células epiteliales incluyen la desdiferenciación y la pérdida de función. Los métodos biomiméticos de cultivo celular tridimensional (3D) pueden mejorar la eficiencia del cultivo celular. Este estudio presenta un sistema avanzado de cultivo de dos capas destinado a cultivar células epiteliales como capas similares a tejidos con el cultivo de fibroblastos dentro de un entorno 3D. Las membranas nanofibrosas (NM) de alcohol polivinílico (PVA) y poli(ε-caprolactona) (PCL) se fabricaron mediante electrohilado y se utilizaron como matriz extracelular fisiológicamente relevante para el cultivo de células epiteliales y fibroblastos, respectivamente. En los pocillos de inserción superiores, las células epiteliales pulmonares se cultivaron en el PVA NM, y en las cámaras inferiores, los fibroblastos se cultivaron en el PCL NM. Esta configuración elimina el contacto directo célula-célula y facilita el examen de la señalización paracrina mediada por factores solubles. Se empleó la microscopía confocal para analizar la distribución, el patrón de crecimiento y la expresión de proteínas intracelulares, incluida la zona oclusiva en las células epiteliales. Las técnicas de apilamiento en Z permitieron reconstrucciones 3D detalladas, proporcionando información precisa sobre la integridad de las uniones estrechas y la organización espacial dentro de la capa epitelial. La microscopía electrónica de barrido (SEM) evaluó las características morfológicas de los tipos celulares en las membranas nanofibrosas. Las imágenes SEM revelaron intrincadas estructuras de la superficie celular e interacciones con las nanofibras, lo que ofrece una perspectiva integral sobre la arquitectura celular y la interacción celular con la estructura nanofibrosa. El ensayo Cell Counting Kit-8 (CCK-8) es un método sencillo para medir las tasas de crecimiento de células epiteliales y fibroblastos a lo largo del tiempo. Proporciona los comportamientos proliferativos y los posibles efectos sinérgicos de la coculturización de estas células. Estos hallazgos ponen de manifiesto la eficacia de un sistema de cocultivo con insertos simple para el cultivo simultáneo de fibroblastos y células epiteliales, que es crucial en diversos contextos fisiológicos y farmacológicos, incluida la regeneración del tejido epitelial, el microambiente tumoral con células endoteliales, inmunológicas y otras células del estroma, el ensayo de toxicidad y la prueba de actividad de fármacos.
A lo largo de las décadas, el cultivo clásico de monocapa bidimensional (2D) ha sido esencial para comprender las infecciones, la farmacología y la toxicología 1,2. Sin embargo, es importante tener en cuenta la complejidad, las interacciones dinámicas entre las multicomposiciones y la arquitectura tridimensional (3D) del microambiente tisular. Por lo tanto, el cultivo celular 2D tiene limitaciones para imitar estructuras similares a tejidos 3,4. Por ejemplo, hay una falta de señalización de célula a célula y de célula a matriz extracelular (ECM), que es esencial en la diferenciación celular, la proliferación y las funciones celulares en el microambiente vivo. Por estas razones, se han desarrollado los sistemas de cultivos celulares en 3D5. Las células en cultivo 3D crecen e interactúan con la matriz extracelular circundante en tres dimensiones. Además, se ha desarrollado un enfoque de cocultivo en 3D, compuesto por más de un tipo de célula, para cerrar la brecha entre los modelos in vitro simplistas de tipo de una sola célula y las interacciones celulares dinámicas que ocurren in vivo6. Los sistemas de cocultivo 3D han ganado popularidad en el estudio de la comunicación célula-célula y las interacciones célula-matriz extracelular (ECM) 7,8,9,10. Los sistemas actuales de cocultivo 3D tienen varias formas y pueden separarse en cocultivo directo e indirecto 8,9. En el cocultivo directo, varias funciones celulares en células cultivadas pueden verse afectadas principalmente por el contacto directo en lugar de los efectos paracrinos. En comparación, el cocultivo indirecto tiene una mayor ventaja en la investigación de la interacción paracrina mediante el uso de barreras o capas para separar diferentes tipos de células.
Se utilizan diversos materiales y métodos para fabricar andamios biomiméticos que imitan el ECM utilizando sustancias biocompatibles y biodegradables10. La estructura nanofibrosa del andamio imita la configuración de la MEC nativa en los tejidos biológicos, proporcionando una arquitectura 3D para el cultivo celular11,12. Las membranas nanofibrosas (NMs) electrohiladas han sido utilizadas en el cocultivo directo e indirecto de diferentes tipos de células 13,14,15.
Las células epiteliales forman una barrera física de los órganos principales, mientras que los fibroblastos son células del estroma predominantes que median la remodelación de la MEC y regulan el epitelio vecino 6,16,17. Las células epiteliales y los fibroblastos interactúan con la laminina en la membrana basal y con la fibronectina en la matriz intersticial, respectivamente, a través de receptores de integrinas en la superficie celular18. Cuando las células epiteliales se cultivan en NM de poli(alcohol vinílico) (PVA) con diámetros de 150 a 250 nm y microporos, forman múltiples capas en lugar de agregados celulares y esferoides, y sus patrones de crecimiento son similares a los de las células en el tejido epitelial19. En comparación, los NMs de poli(caprolactona) (PCL) con diámetros de 400-1.500 nm y microporos de 10-50 μm proporcionan una dimensionalidad espacial similar a la matriz intersticial para el crecimiento de fibroblastos cultivados 13,14. Debido a su biocompatibilidad, las membranas de PVA y PCL son polímeros comúnmente utilizados en ingeniería de tejidos20,21.
Este estudio presenta un sistema avanzado de cultivo de dos capas que utiliza NM porosas electrohiladas para cultivar células epiteliales como capas similares a tejidos y fibroblastos dentro de una estructura 3D. El protocolo se puede dividir en cinco etapas clave: fabricación de nanofibras, post-reticulación de fibras y evaluación de la calidad, preparación del pozo de cultivo unido a la membrana, siembra de células y cocultivo en 3D, y ensayos de células cultivadas en 3D.
1. Fabricación de nanofibras de PVA estables al agua
2. Tratamiento de una membrana nanofibrosa de PVA con vapor de ácido clorhídrico (HCl) y evaluación de la calidad de la fibra
NOTA: La estabilidad del agua de los NM de PVA se conserva bien después de la reacción posterior a la reticulación por vapor de HCl. Este proceso está optimizado para el grosor, el tamaño de poro y la rugosidad adecuados de los NM. El PVA es un polímero muy hidrófilo y las nanofibras de PVA electrohiladas son inestables en condiciones húmedas y en contacto con el agua. Los NM de PVA deben tratarse con vapor de HCl justo después de la fabricación del polímero PVA.
3. Fabricación de nanofibras PCL y evaluación de la calidad de las nanofibras
4. Ensamblaje de dos capas de membranas en un pozo trans
NOTA: En este protocolo, utilizamos una placa de 24 pocillos y su respectivo pocillo de inserción. El PVA NM se fija al pocillo de inserción, mientras que el PCL NM se fija al pocillo inferior.
5. Siembra celular y montaje de dos capas para el modelo de cocultivo
NOTA: Las células MLE-12 se cultivaron en 1x Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM)/F12 con 10% de suero fetal bovino (FBS) y 1% de antibiótico penicilina/estreptomicina. Las células NIH3T3 se cultivaron en 1x DMEM alto en glucosa con 10% de FBS y 1% de antibiótico penicilina/estreptomicina.
6. Ensayo de distribución celular
7. Observaciones confocales de células cocultivadas en 3D
NOTA: La unión de las células epiteliales a un NM de PVA es débil en comparación con la de los fibroblastos a un NM de PCL. Deseche los medios viejos manualmente mediante aspiración con pipeta y agregue nuevos medios o soluciones suavemente a la pared de los pocillos. Durante el proceso de tinción, trate de no dejar que las membranas se sequen.
NOTA: La unión celular puede mejorarse mediante el recubrimiento de laminina o la incorporación de péptidos de motivos de unión a integrinas en nanofibras de PVA19.
8. Ensayo de la unión celular a las nanofibras
9. Ensayo de crecimiento celular
NOTA: En este protocolo, el ensayo CCK-8 se utiliza para cuantificar la tasa de crecimiento celular siguiendo las instrucciones del fabricante.
Este protocolo describe los pasos críticos para la coculturión de células epiteliales pulmonares MLE-12 y fibroblastos NIH3T3 mediante la construcción de un modelo de dos capas basado en membrana nanofibrosa (Figura 1). Este modelo se adapta a la obtención de imágenes de células vivas, la inmunohistoquímica y el análisis cuantitativo de puntos finales de células cocultivadas. También se pueden utilizar otros tipos de células optimizando la densidad celular y las condiciones de crecimiento.
SEM muestra la distribución uniforme de las nanofibras de PVA fabricadas sin ninguna formación de cordones (Figura 2A). El diámetro de las nanofibras de PVA osciló entre 150 nm y 230 nm (180 ± 25 nm, media ± desviación estándar (DE)). Las nanofibras en las NM de PCL electrohiladas estaban orientadas aleatoriamente y estructuralmente se parecían al colágeno (Figura 2B). La mayoría de las fibras de los NM PCL tenían un diámetro de entre 300 nm y 7 μm (3,8 ± 2,5 μm). Por lo tanto, la membrana nanofibrosa de PVA tenía tamaños de poro más pequeños que la membrana nanofibrosa de PCL.
Antes de la siembra, las células MLE-12 y NIH3T3 se tiñeron con Cell-Tracker rojo y verde, respectivamente, y se monitorizaron durante todo el proceso de cocultivo. Como se muestra en la Figura 3, se pudo observar claramente la distribución espacial de las células MLE-12 en la cámara de inserción y de las células NIH3T3 en la cámara inferior. El análisis de apilamiento de focos reveló que las células NIH3T3 se dispersaron y detectaron a diferentes profundidades (102 ± 20 μm), mientras que las células MLE-12 formaron capas con un espesor de 80 ± 10 μm. Las células NIH3T3 se infiltran en la membrana nanofibrosa de PCL y se extienden a lo largo de los ejes de las nanofibras, mientras que las células MLE-12 se adhieren a la superficie de la membrana nanofibrosa de PVA y exhiben una agregación (Figura 4). A continuación, examinamos la organización del citoesqueleto de las células NIH3T3 y las células MLE-12 mediante tinción de actina. Las células NIH3T3 cultivadas en membrana nanofibrosa PCL muestran una distribución proyectil de filamentos de actina que se asemejan a las células en el tejido, y la tinción de actina en células MLE-12 cultivadas en membrana nanofibrosa de PVA muestra agregados redondos sin propagación celular (Figura 5).
Se comparó la distribución y el patrón de crecimiento de las células MLE-12 en monocultivo y cocultivo. Las células teñidas de rojo con Cell-Tracker en monocultivo en los NM de PVA formaron agregados, pero las células en condición de cocultivo mantuvieron una distribución uniforme en la membrana (Figura 6A). En un análisis 3D de imágenes de microscopía confocal, el patrón de crecimiento de las células MLE-12 cocultivadas en los NM de PVA muestra una adhesión en capas de las células cultivadas a la membrana con una mayor densidad celular confluente, en comparación con las células cultivadas en ausencia de fibroblastos (Figura 6B). Además, la adhesión célula a célula y la expresión de ocludina zonal (ZO)-1 en las superficies celulares (flecha indicada), pero no de los agregados celulares, fueron más evidentes en la condición de cocultivo que en el cultivo sin fibroblastos (Figura 6C).
La proliferación de células en las membranas se midió mediante el ensayo CCK-8. La proliferación de células NIH3T3 y MLE-12 aumentó con el tiempo (Figura 7). Sin embargo, se observaron tasas de crecimiento más bajas de las células en las membranas que en una placa de cultivo (datos no mostrados). Las células NIH3T3 y MLE-12 cocultivadas en NM muestran una tasa de crecimiento estable en comparación con las células monocultivadas en una placa de cultivo.

Figura 1: Esquema para ilustrar el método de cocultivo de fibroblastos NIH3T3 y células epiteliales MLE-12 en el sistema de dos capas basado en andamios. Abreviaturas: PVA = alcohol polivinílico; PCL = poli(ε-caprolactona). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Estructura de las nanofibras de PVA y PCL. Las membranas nanofibrosas de (A) PVA y (B) PCL se produjeron mediante electrohilado. La estructura y el diámetro de las nanofibras se miden mediante SEM de las superficies de las membranas. Barras de escala = 1 μm (A), 10 μm (B). Abreviaturas: PVA = alcohol polivinílico; PCL = poli(ε-caprolactona). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: En un sistema de cocultivo, la distribución espacial de las células NIH3T3 en la membrana nanofibrosa PCL y las células MLE-12 en la membrana nanofibrosa PVA. Las células NIH3T3 (4 × 105) se tiñeron con Cell-Tracker Green, y las células MLE-12 (3 × 105) se tiñeron con Cell-Tracker Red. Las células sembradas se cultivaron durante 24 h y se observaron utilizando una imagen de apilamiento en Z de un microscopio confocal. Los números se indican en μm; Las flechas muestran las dimensiones con x (ancho), y (largo), z (profundidad). Abreviaturas: PVA = alcohol polivinílico; PCL = poli(ε-caprolactona). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Adhesión y morfología de las células NIH3T3 en la membrana nanofibrosa PCL y de las células MLE-12 en la membrana nanofibrosa PVA. Las células se cultivaron en las membranas durante 24 h y se observaron mediante SEM con un aumento de 2.000x. Barras de escala = 15 μm. Abreviaturas: PVA = alcohol polivinílico; PCL = poli(ε-caprolactona). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Fibras de estrés de actina en células NIH3T3 en la membrana nanofibrosa PCL y células MLE-12 en membrana nanofibrosa PVA. Las células NIH3T3 (4 × 105) y las células MLE-12 (3 × 105 células) se sembraron en las membranas nanofibrosas de PCL y PVA, respectivamente. Después de 48 h de cultivo, las células se tiñeron con faloidina-iFlour 488 y se observaron mediante microscopía confocal. Barras de escala = 50 μm. Abreviaturas: PVA = alcohol polivinílico; PCL = poli(ε-caprolactona); FITC = isotiocianato de fluoresceína. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Patrón de crecimiento de células MLE-12 cocultivadas en membrana nanofibrosa de PVA. (A) Las células MLE-12 teñidas en rojo con Cell-Tracker (3 × 105 células) se sembraron en la membrana nanofibrosa de PVA y se cultivaron solas (células -NIH3T3) y con células NIH3T3 en un sistema de dos capas (células +NIH3T3) durante 48 h. (B) Las células MLE-12 monocultivadas y cocultivadas durante 48 h se tiñeron con Hoechst 33342 (azul) y Phalloidin-iFlour 488 y se observaron utilizando un microscopio confocal. Las imágenes 3D se muestran utilizando la función de superficie del software Imaris. (C) Las células MLE-12 se cultivaron durante 48 h y se marcaron con fluorescencia con Phalloidin-iFlour 488 y anticuerpo anti-ZO-1 (rojo). Barras de escala = 50 μm. Abreviaturas: PVA = alcohol polivinílico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Tasa de crecimiento de las células en un sistema de cocultivo de dos capas. Las células NIH3T3 (4, ×, 10,5) y las células MLE-12 (3, ×, 10,5) se cocultivan durante el tiempo indicado. El crecimiento celular en el inserto y el pocillo inferior se mide mediante el ensayo CCK-8. Los datos se presentan como media ± DE (n = 3). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La transición de la cultura 2D a los modelos de cultivo 3D representa un avance significativo en el desarrollo de modelos de cocultivo in vitro . Un modelo de cultivo 3D debe imitar el microambiente tisular en el que las células pueden proliferar, agregarse y diferenciarse22. El uso de modelos de cocultivo 3D basados en andamios mejora la replicación de la arquitectura de tejidos. En este estudio, un sistema trans-well basado en NM proporciona cocultivo indirecto en 3D de dos tipos de células. El PCL NM con poros grandes en la cámara inferior permite la infiltración celular e imita la matriz intersticial. Este andamio apoya el crecimiento y la organización espacial de los fibroblastos. El uso de una membrana nanofibrosa de PVA en la cámara superior permite la formación de células epiteliales MLE-12 en la capa. El diámetro y el tamaño de poro de la membrana nanofibrosa de PVA la convierten en un sustrato ideal para apoyar la adhesión y el crecimiento de las células epiteliales, que imita a las células epiteliales de la membrana basal en los tejidos epiteliales19.
Las proteínas adhesivas celulares, como la fibronectina y la laminina, son proteínas clave en la MEC, que conectan las células con las fibrillas de colágeno23. Las células epiteliales interactúan con la laminina a través de los receptores de integrinas en su superficie18. Las células MLE-12 sembradas en los NM de PVA se adhirieron y crecieron tridimensionalmente en la membrana. Sin embargo, la unión de las células epiteliales al PVA NM poroso fue baja, lo que resultó en agregación porque carecen de motivos biológicos específicos que interactúen con las células cultivadas. En nuestro sistema de cocultivo, el contacto directo célula-célula entre las células NIH3T3 y MLE-12 está ausente, y la comunicación se produce exclusivamente a través de la señalización paracrina. La presencia de células NIH3T3 cocultivadas puede estabilizar la unión de las células MLE-12 a la membrana durante todo el período de cultivo. Esta estabilización puede atribuirse a la secreción de factores solubles por parte de los fibroblastos, incluyendo colágeno, fibronectina, laminina y varios factores de crecimiento24. En comparación, en un modelo tumoral con cocultivo directo de fibroblastos y células cancerosas en un andamio nanofibroso PCL, los fibroblastos alteran las propiedades de la MEC a través de la remodelación de la matriz25.
Las células epiteliales descansan sobre una membrana basal que actúa como soporte de crecimiento y capa selectivamente permeable. Actualmente se están desarrollando varias estrategias tecnológicas, incluida la tecnología de organoides, para crear modelos complejos en 3D de tejidos epiteliales26. Sin embargo, la estructura de los organoides dificulta el uso de ensayos convencionales27. Además, la microscopía convencional para la recolección de datos experimentales se complica por el hecho de que los organoides se cultivan mientras están incrustados en una matriz de hidrogel3D 27. En este estudio, la cámara de inserción se separó de la cámara inferior para facilitar la observación precisa de las células epiteliales cultivadas en PVA NM. Además, los organoides 3D se producen por la diferenciación de las células madre. Así, el cultivo de células madre lleva mucho tiempo y es un procedimiento complejo en comparación con un sistema de cocultivo, y se reporta la heterogeneidad de los organoides28.
En comparación con el monocultivo, el cocultivo de células epiteliales y fibroblastos mejora la adhesión al andamio y mantiene el crecimiento y la función estables de las células epiteliales cultivadas. Además, los materiales suplementarios, incluidos los factores de crecimiento y las citocinas, no son necesarios en el medio de cultivo debido a los factores solubles secretados por los fibroblastos cocultivados. A pesar de las ventajas de utilizar andamios nanofibrosos en el cocultivo celular al proporcionar soporte estructural, no pueden proporcionar ECM alrededor de las células de cultivo en comparación con los hidrogeles biocompatibles29. Por lo tanto, esta limitación se puede lograr utilizando celdas en NM con hidrogeles superpuestos.
En conclusión, un sistema simple de cocultivo con insertos para el cultivo simultáneo de fibroblastos y células epiteliales es crucial en varios contextos fisiológicos y farmacológicos, incluida la regeneración de tejido epitelial, el microambiente tumoral, el ensayo de toxicidad y la prueba de actividad del fármaco. Se instrumentará y diseñará un sistema de cocultivo 3D basado en membranas nanofibrosas para estudios de cribado de absorción y transporte de fármacos de alto rendimiento.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Este trabajo fue apoyado por una subvención del Proyecto de Investigación y Desarrollo de Tecnología Sanitaria de Corea a través del Instituto de Desarrollo de la Industria de la Salud de Corea (KHIDI), financiado por el Ministerio de Salud y Bienestar de la República de Corea (HR16C0001); el Proyecto de Mejora de la Capacidad de Investigación en Ciencias Básicas a través de la subvención del Instituto de Ciencias Básicas de Corea (Centro Nacional de Instalaciones y Equipos de Investigación) financiado por el Ministerio de Educación (2019R1A6C1010003); y subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiadas por el Gobierno de Corea (MSIT) (2022R1A4A5032702).
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 0.05% Tripsina/EDTA | Welgene | LS015-01 | |
| 100x Penicilina/Estreptomicina | Gibco | 10378016 | |
| 20x PBS | LPS solución | CBP007A | |
| % Paraformaldehído | Biosesang | PC2031-050-00 | |
| Alexa Fluor-594 anticuerpo conjugado ZO-1 | Invitrogen | 339194 | |
| Diluyente de anticuerpos OP Quanto | Epredia | 10129-576 | |
| Kit de ensayo CCK-8 | Donginbio | CCK-3000 | |
| Placa de cultivo celular (150x20) | SPL | 20151 | |
| CellTracker Verde CMFDA | Invitrogen | C7025 | |
| CellTracker Rojo CMTPX | Invitrogen | C34552 | |
| Cloroformo | Samchun | C0584 | |
| Tubo cónico | SPL | 50050 | |
| Cubreobjetos | Corning | CLS2980245 | |
| DMEM alta glucosa | Welgene | LM001-05 | |
| DMEM/F12 | Welgene | LM 002-05 | |
| DURAN Bases de desecador con brida plana, rosca de tornillo | DWK Life Sciences | 7.022 260 | |
| DURAN Tapa y desecador de vidrio Llave de paso | Daihan Science | SM.2444061 | |
| DURAN Llave de paso, con husillo de PTFE | DWK Life Sciences | ||
| Máquina de electrohilado | NanoNC ESR200RD | ||
| Alcohol etílico, | Pure Sigma Aldrich 459844 | ||
| FBS | Sigma Aldrich | TMS-013-BKR | |
| Módulo de escáner confocal láser de fluorescencia K1-fluo | Sistemas | ||
| Gel / montaje | Biomeda Corp. | M01 | |
| Solución de glutaraldehído | Sigma Aldrich | 340855 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H1399 | |
| Boquilla metálica 27G | NanoNC | ||
| Esmalte de uñas | Nature republic | ||
| Suero de cabra normal | Vector Laboratories | S-1000 | |
| Tetróxido de osmio | Sigma Aldrich | 201030 | |
| Phalloidin-iFlour 488 | abcam | ab176753 | |
| Cerradura de Syringe_Lure de plástico (10 mL) | HENKE SASS WOLF | AL10 | |
| Poli(ácido acrílico) | Sigma Aldrich | 323667 | |
| Poli(alcohol vinílico) | Sigma Aldrich | 341584 | |
| Policaprolactona | Sigma Aldrich | 440744 | |
| Pure HCL | Duksan | 1129 | |
| Microscopía electrónica de barrido | SEC | SNE-4500M | |
| Portaobjetos de vidrio | Marienfeld Superior | K15663717 | |
| Sylgard 184 set | omniscience | OMNI.05255 | |
| Synergy H1 Lector multimodo | Biotek | ||
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 |
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