$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
L'encapsulation des cellules de mammifères a été largement étudiée comme un moyen de protéger les cellules transplantées du rejet immunitaire 1 ou de fournir un support tridimensionnel pour la culture cellulaire immobilisée 2 , 3 , 4 . L'encapsulation d'îlots pancréatiques dans des billes d'alginate a été utilisée pour inverser le diabète chez les rorogènes allogéniques 5 , 6 ou xénogéniques 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 . Les essais précliniques et cliniques de la transplantation d'îlots pancréatiques encapsulés pour traiter le diabète de type 1 sont en cours 13 , 14 , 15 . Pour les applications de transplantation ou à plus grande échelleLa production cellulaire immobilisée in vitro , les générateurs de perles à buse sont généralement utilisés. Typiquement, un mélange d'alginate et de cellules est pompé à travers une buse pour former des gouttelettes qui tombent dans une solution agitée contenant des cations divalents, entraînant la gélification externe des gouttelettes. Le flux de gaz coaxial 16 , 17 , la vibration des buses 18 , la répulsion électrostatique 19 ou les fils rotatifs 20 facilitent la formation de gouttelettes au niveau de la pointe de la buse.
Les principaux inconvénients des générateurs de perles classiques sont leur débit limité et la gamme limitée de viscosités de la solution qui entraîneront une formation adéquate des talons 21 . À des débits élevés, le fluide sortant de la buse se décompose en gouttelettes plus petit que le diamètre de la buse, ce qui réduit le contrôle de la taille. Les générateurs de perles multi-buses peuvent être utilisés pour augmenter le débit, maisLa distribution uniforme du flux entre les buses et l'utilisation des solutions> 0,2 Pas est problématique 22 . Enfin, tous les dispositifs à base de buses devraient donner des dégâts aux îlots, puisque le diamètre des buses utilisées est compris entre 100 μm et 500 μm, alors que ~ 15% des îlots humains peuvent être supérieurs à 200 μm 23 .
Dans cette vidéo, nous décrivons une méthode alternative pour encapsuler les cellules de mammifères en formant des gouttelettes dans une seule étape d'émulsification au lieu de la goutte à goutte. Étant donné que la production de la perle est réalisée dans un récipient à agitation simple, la méthode est adaptée à une production de perles petite (~ 1 mL) à grande échelle (10 3 L) avec de faibles coûts d'équipement 24 . Cette méthode permet la production de perles à haute sphéricité en utilisant une large gamme de viscosités d'alginate avec des temps de génération courts courts ( par exemple, 20 minutes). Cette méthode a été développée à l'origine par Poncelet et aL. 25 , 26 et utilisé pour immobiliser l'ADN 27 , les protéines 28, y compris l'insuline 29 et les bactéries 30 . Nous avons récemment adapté ces méthodes à l'encapsulation de cellules de mammifères utilisant des lignées de cellules pancréatiques bêta 31 , 32 et des tissus pancréatiques primaires 32 .
Le principe de la méthode consiste à générer une émulsion eau-dans-huile constituée de gouttelettes d'alginate dans de l'huile minérale, suivie d'une gélification interne des gouttelettes d'alginate ( figure 1 ). D'abord, l'encapsulant ( par exemple, les cellules) est dispersé dans une solution d'alginate contenant un sel de calcium à grain fin avec une faible solubilité au pH initial du procédé. Le mélange d'alginate est ensuite ajouté à une phase organique agitée pour créer une émulsion, habituellement en présence d'unTensioactif. Dans le cas de l'encapsulation de cellules de mammifères, les composants présents dans le sérum peuvent agir comme tensioactifs. Ensuite, le pH est réduit afin de solubiliser le sel de calcium en ajoutant un acide soluble dans l'huile qui se divise en phase aqueuse. L'acide acétique, avec un coefficient de partage d'huile minérale <0,005 33 , doit être pré-dissous dans de l'huile, puis ajouté à l'émulsion où il est mélangé dans la phase huileuse et partitions rapides dans la phase aqueuse 34 . La figure 2 illustre les réactions chimiques et la diffusion qui ont lieu lors de l'étape d'acidification et de gélification interne. Enfin, les cellules encapsulées sont récupérées par inversion de phase, séparation de phase accélérée par centrifugation, étapes de lavage répétées et filtration. Ces étapes peuvent ensuite être suivies d'un échantillonnage de talons et de cellules pour des analyses de contrôle de qualité, une culture cellulaire in vitro et / ou une transplantation de cellules encapsulées.

Figure 1: Schéma du procédé à base d'émulsification pour encapsuler des cellules de mammifères. Les perles sont d'abord produites par émulsification d'un mélange d'alginate, de cellule et de CaCO 3 dans de l'huile minérale (étapes 1 et 2 dans le schéma), déclenchant une gélification interne par addition d'acide acétique (étape 3). Les perles gélifiées sont ensuite séparées de l'huile en ajoutant un tampon aqueux pour déclencher l'inversion de phase (étape 4), puis par centrifugation et aspiration d'huile (étape 5), puis filtration (étape 6). Enfin, les perles collectées sur le filtre sont transférées dans un milieu de culture cellulaire pour une culture in vitro ou pour une transplantation. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2: Réactions et étapes de diffusion se produisant lors de la gélification interne. (1) L'acide acétique est ajouté à la phase organique et est transporté vers les gouttelettes d'alginate par convection. (2) L'acide acétique se divise en phase aqueuse. (3) En présence d'eau, l'acide se dissocie et se diffuse pour atteindre les grains de CaCO 3 représentés en bleu foncé. (4) Les ions H + sont échangés avec les ions Ca 2 + dans CaCO 3 , libérant des ions Ca 2+ . (5) Les ions calcium diffusent jusqu'à ce qu'ils rencontrent l'alginate n'ayant pas réagi, conduisant à la réticulation ionotropique des chaînes d'alginate. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Contrairement aux encapsulateurs de cellules à base de buses classiques, une grande distribution de taille de perles est expeCité à partir de ce processus en raison du mécanisme de formation de gouttelettes dans une émulsification agitée. Pour un sous-ensemble d'applications, cette distribution de taille de talon peut être problématique. Par exemple, une plus grande fraction de cellules peut être exposée à la surface du talon dans des billes plus petites. Si les limitations d'éléments nutritifs ( par exemple, l' oxygène) sont préoccupantes, ces limitations peuvent être exacerbées dans des perles plus grandes. Un avantage du procédé d'émulsification agité est que la taille moyenne des bourrelets peut facilement être ajustée en modifiant le taux d'agitation pendant l'étape d'émulsification. La large distribution de la taille des perles peut également être exploitée pour étudier l'effet de la taille des talons sur les performances des cellules encapsulées.
L'encapsulation de cellules de mammifères par émulsification et gélification interne est une alternative intéressante pour les laboratoires qui ne sont pas équipés d'un générateur de talons. En outre, cette méthode donne aux utilisateurs la possibilité de réduire le temps de traitement, ou de générer des billes à très faible ou très haut concentré d'alginateTions.
Le protocole décrit ci-dessous décrit comment encapsuler des cellules dans 10,5 ml d'une solution d'alginate à 5% préparée dans un tampon 10 mM d'acide 4- (2-hydroxyéthyl) -1-pipérazineéthanesulfonique (HEPES). L'alginate se compose d'un mélange 50:50 de LVM de qualité transplantation (teneur en acide mannuronique à faible viscosité élevée) et d'alginate de MVG (teneur moyenne en acide à teneur élevée en acide guluronique). Le carbonate de calcium à une concentration finale de 24 mM est utilisé comme agent de réticulation physique. L'huile minérale légère constitue la phase organique, tandis que l'acide acétique est utilisé pour acidifier l'émulsion et déclencher une gélification interne. Cependant, le type et la composition d'alginate, ainsi que le tampon de processus sélectionné dépendent de l'application souhaitée 32 . Une variété de types d'alginate (voir le tableau des matériaux) a été utilisé pour produire des billes avec ce protocole.