L’intérêt récent pour les systèmes de culture 3D et la bio-impression 3D a attiré l’attention sur les hydrogels et les composites d’hydrogel. Ces composites servent de biomimétiques visqueux mais poreux et peuvent être composés jusqu’à 99% d’eau en poids, ce qui est comparable aux tissus biologiques1,2,3. Ces caractéristiques des composites d’hydrogel permettent ainsi la croissance des cellules sans affecter leur viabilité et leur fonction. L’un de ces composites est la nanocellulose cristalline (CNC), qui a été utilisée comme matériau de renforcement dans les composites d’hydrogel, les échafaudages cellulaires dans le développement d’implants de biomatériaux et dans la culture cellulaire in vitro bidimensionnelle (2D) et 3D4,5. Pour la plupart, les matrices composées de CNC ne sont pas ouvertement cytotoxiques pour les cellules épithéliales cornéennes humaines6, les cellules épithéliales intestinales7, les cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse humaine8 ou les cellules de type neurone9. Cependant, l’activité métabolique et la prolifération des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse humaine diminuent en corrélation avec l’augmentation de la viscosité des composites de nanocellulose à base de bois, ce qui suggère que la composition de la matrice doit être soigneusement testée pour ses effets délétères sur les fonctions cellulaires8.
De même, la CNC peut induire des réponses inflammatoires dans les macrophages lors de l’internalisation, ce qui pourrait avoir de graves conséquences dans les systèmes de culture de cellules immunitaires 3D10,11. En fait, il y a très peu de données disponibles sur la façon dont la CNC peut influencer d’autres réponses des cellules immunitaires, en particulier les réponses inflammatoires allergiques qui sont initiées par les mastocytes. Les mastocytes sont des leucocytes granulés qui expriment le récepteur IgE à haute affinité, FceRI, responsable de l’activation des réponses inflammatoires aux allergènes. Leur prolifération et leur différenciation dépendent du facteur de cellules souches (SCF), qui lie le récepteur de la tyrosine, Kit. Les mastocytes sont dérivés de cellules progénitrices de la moelle osseuse qui pénètrent dans la circulation et migrent ensuite périphériquement pour se disperser de manière omniprésente dans tous les tissus humains12. Comme les mastocytes fonctionnent dans un environnement tissulaire 3D, ils sont un candidat idéal pour les cellules immunitaires pour étudier les processus immunologiques dans des modèles tissulaires 3D in vitro. Cependant, à ce jour, il n’existe aucun modèle de tissu 3D in vitro viable contenant des mastocytes.
En raison de la nature très sensible des mastocytes et de leur propension à provoquer des réponses pro-inflammatoires aux stimuli externes, un examen attentif des constituants de la matrice 3D et de la méthode de bio-impression pour introduire des mastocytes dans l’échafaudage 3D est nécessaire, comme nous l’avons vu plus loin. Les constructions tissulaires peuvent être biofabriquées à partir de deux grandes catégories de biomatériaux, à savoir les bioencres et les encres de biomatériaux. La distinction réside dans le fait que les bioencres sont des composites d’hydrogel chargés de cellules, tandis que les encres de biomatériaux sont des composites d’hydrogel dépourvus de cellules, tels que définis par Groll et al.13,14. Par conséquent, les constructions 3D imprimées avec des bioencres contiennent des cellules pré-intégrées dans la matrice d’hydrogel, tandis que les constructions 3D imprimées avec des encres de biomatériaux doivent être ensemencées avec des cellules après l’impression. La biofabrication d’échafaudages de culture à partir d’encres bioencreuses / biomatériaux à base d’hydrogel est le plus souvent effectuée à l’aide de bioimprimantes 3D d’extrusion, qui extrudent l’encre bioencre / biomatériau à travers une buse à micro-échelle sous pression via un piston à entraînement pneumatique ou mécanique14. Les bioimprimantes par extrusion fabriquent des échafaudages 3D en déposant la bioencre dans des motifs de coupe transversale 2D qui sont empilés séquentiellement les uns sur les autres dans une approche « ascendante ».
Pour être compatible avec la bioimpression par extrusion, l’encre bioencre/biomatériau à base d’hydrogel doit posséder des propriétés thixotropes (amincissement par cisaillement), par lesquelles les polymères hydrogel constitutifs de l’encre bioencre/biomatériau s’écoulent comme un fluide à travers une buse à microcanaux lorsqu’ils sont soumis à une contrainte de cisaillement, mais reviennent à un état visqueux semblable à celui d’un gel lors de l’élimination de la contrainte de cisaillement15 . En raison de leur teneur élevée en eau, les polymères des encres bioencres/biomatériaux à base d’hydrogel doivent être réticulés, physiquement ou covalentement, pour maintenir l’architecture et l’intégrité structurelle de la structure bioimprimée en 3D. Dans le cas des bioencres chargées de cellules, les cellules sont directement soumises à des contraintes chimiques pendant le processus de réticulation. Le processus d’extrusion des cellules encapsulées dans la matrice d’hydrogel bioencre soumet également les cellules à un stress de cisaillement, ce qui peut entraîner une viabilité réduite et / ou la mort cellulaire. Une fois que le modèle tissulaire 3D a été bioimprimé, il est difficile de faire la distinction entre les niveaux de cytotoxicité provoqués par la matrice d’hydrogel elle-même et les processus d’extrusion et de réticulation, respectivement. Ceci est particulièrement difficile dans le contexte des échafaudages 3D où les cellules sont pré-intégrées dans la matrice d’hydrogel, ce qui rend difficile l’élimination des cellules pour des analyses ultérieures, ce qui serait préjudiciable à la viabilité des mastocytes.
Une approche plus douce pour générer des constructions tissulaires 3D contenant des mastocytes consiste à ensemencer les cellules dans des échafaudages 3D d’encre de biomatériau poreux pré-imprimés à partir d’une suspension de culture cellulaire, ce qui tire parti de la capacité innée des mastocytes à migrer de la circulation vers les tissus périphériques. Les avantages de cette approche d’ensemencement cellulaire sont doubles: (i) les mastocytes ne sont pas soumis au cisaillement et aux contraintes chimiques des processus d’extrusion et de réticulation, respectivement, et (ii) les cellules peuvent être facilement retirées de l’échafaudage 3D après exposition par lavage doux pour analyse sans nuire à leur viabilité. L’avantage supplémentaire de l’ensemencement et de l’analyse de la viabilité cellulaire des mastocytes sur des échafaudages d’hydrogel poreux bioimprimés en 3D par opposition aux disques d’hydrogel 2D est que les échafaudages d’hydrogel bioimprimés en 3D récapitulent les caractéristiques topographiques micro-échelles des tissus in vivo , qui ne sont pas présents dans les disques d’hydrogel planaires 2D en vrac. Cette approche est une approche appropriée, rapide et rentable pour déterminer les effets cytotoxiques potentiellement catastrophiques des matrices d’hydrogel de bioencre candidates sur les mastocytes, ainsi que sur d’autres cellules immunologiques, avant d’investir dans des expériences coûteuses d’ingénierie tissulaire 3D.