Negli ultimi anni, i peptidi autoassemblanti (SAP) sono emersi come biomateriali promettenti per applicazioni di ingegneria tissutale. I SAPs possiedono proprietà uniche, tra cui la formazione spontanea di nanofibre, la biocompatibilità, la biodegradabilità e la non immunogenicità, che li rendono candidati interessanti per lo sviluppo di scaffold1. I SAP sono stati precedentemente utilizzati insieme a vari tipi di cellule e, in particolare, i SAP ultracorti hanno facilitato l'incapsulamento delle cellule staminali, mantenendo la loro pluripotenza per periodi prolungati che comprendono più di 30 passaggi e con un'incidenza minima di aberrazioni cromosomiche 2,3,4. Pertanto, l'adattamento dei SAP per il loro uso nella coltura di organoidi ha costituito un passo successivo razionale.
Gli organoidi sono strutture tridimensionali complesse che derivano da singole cellule pluripotenti. Queste strutture danno origine a vari tipi di cellule, che poi si auto-organizzano per replicare i processi di sviluppo della crescita embrionale e tissutale in vitro5. Questo quadro innovativo si è evoluto in uno strumento formidabile per le indagini in vitro, conservando in modo efficiente gli attributi genetici, fenotipici e comportamentali caratteristici degli organi in vivo 6. Tuttavia, uno dei principali ostacoli nella transizione dal laboratorio al letto del paziente dei risultati basati sugli organoidi è la necessità di riproducibilità7. Questa variazione nei risultati è principalmente attribuita alla difficoltà di differenziare completamente le cellule staminali pluripotenti umane in linee cellulari specializzate, aggravata dall'assenza di un'autentica architettura tissutale e dalla complessità intrinseca riscontrata nei modelli di organoidi. Data l'aumento della popolarità degli studi basati su cellule staminali e organoidi8, c'è stata un'escalation della domanda di biomateriali con proprietà meccaniche dinamiche e siti di adesione simili alle integrine o scaffold con degradabilità controllata 7,9. Questi attributi possono essere efficacemente regolati attraverso l'utilizzo strategico di SAPs biofunzionalizzati.
I SAPs sono brevi sequenze di amminoacidi con la capacità intrinseca di organizzarsi spontaneamente in strutture ben definite10. Questi peptidi contengono spesso residui idrofobici e idrofili alternati, che guidano il loro autoassemblaggio attraverso interazioni non covalenti, tra cui il legame idrogeno, le interazioni elettrostatiche e gli effetti idrofobici11,12. Il processo di autoassemblaggio di questi peptidi è guidato principalmente dalla necessità di ridurre al minimo l'energia libera del sistema. Quando si trovano in un ambiente acquoso, i residui idrofobi tendono ad aggregarsi per ridurre al minimo la loro esposizione all'acqua, mentre i residui idrofili interagiscono con le molecole d'acqua circostanti. Questo fenomeno porta alla formazione di varie nanostrutture. In questo caso, i peptidi autoassemblanti ultracorti formano nanofibre con caratteristiche che dipendono dalla sequenza peptidica e dalle condizioni ambientali 2,12,13,14,15,16. Questi peptidi adottano una conformazione a β giri, in cui i singoli filamenti peptidici si allineano parallelamente o antiparallelamente l'uno all'altro, stabilizzati da legami idrogeno (Figura 1). La presenza di ioni positivi accelera i processi di autoassemblaggio che portano alla formazione di nanofibre.
Le nanofibre peptidiche sono state identificate come dotate di una capacità innata di intrappolare volumi significativi di acqua. Questa caratteristica facilita la generazione di un idrogel, che successivamente si manifesta come uno spazio tridimensionale biocompatibile e biodegradabile favorevole alla proliferazione e alla crescita cellulare. Queste nanofibre peptidiche autoassemblanti emulano in modo intricato le caratteristiche topografiche inerenti all'ambiente della matrice extracellulare naturale (ECM)1. Questa somiglianza conferisce alle cellule un ambiente che imita il loro habitat fisiologico, promuovendo ulteriormente attività cellulari ottimali17. Inoltre, la versatilità intrinseca di questi peptidi consente un notevole grado di sintonizzabilità4. Tale adattabilità consente di modificare le proprietà della matrice, come la rigidità, la cinetica di gelificazione e la porosità. Questi adattamenti si ottengono attraverso modifiche alla sequenza peptidica. Di conseguenza, i peptidi autoassemblanti (SAP) sono emersi come componenti fondamentali nella scienza contemporanea dei biomateriali, ampiamente utilizzati come scaffold per la rigenerazione dei tessuti e la coltura cellulare13,17.
Uno dei vantaggi critici dei peptidi autoassemblanti è la loro capacità di essere facilmente sintetizzati e modificati a livello molecolare. Questo vantaggio consente l'incorporazione di specifici gruppi funzionali o motivi bioattivi nella sequenza peptidica, consentendo la progettazione di peptidi con proprietà e funzionalità su misura 18,19,20 (Figura 1B). Ad esempio, i SAP biofunzionalizzati possono essere progettati per imitare la MEC e promuovere la differenziazione utilizzando il peptide RGD 19,21. È stato anche riportato che il peptide Ben-IKVAV aumenta significativamente l'espressione di marcatori neuronali specifici a causa della sua motiety ligando-specifica22. Questi peptidi possono anche essere ingegnerizzati per mostrare molecole bioattive, come i peptidi leganti le integrine, per migliorare la sopravvivenza cellulare23. Infine, altri SAPs biofunzionalizzati sono stati sviluppati per promuovere l'angiogenesi includendo i motivi IKVAV e YIGSR nelle loro strutture24.
I SAP biofunzionalizzati riportati in una precedente pubblicazione mostrano che l'autoassemblaggio può essere ulteriormente modificato includendo il peptide naive da cui è derivato il SAP biofunzionalizzato25. Queste miscele SAP possono anche fornire un'ampia gamma di formulazioni SAP che variano nella loro attività biochimica e proprietà fisico-chimiche. Ad esempio, il peptide anfifilico IIFK è un SAP ultracorto in grado di resistere alla biofunzionalizzazione con vari motivi, esemplificati dall'incorporazione del motivo IKVAV (Figura 1B). Entrambi i peptidi possono formare nanofibre, sia da soli che combinati. Ogni formulazione si traduce in idrogel con proprietà fisiche variabili (Figura 2)
Tuttavia, a causa dell'ampia gamma di potenziali permutazioni e alternative ottenute dalla biofunzionalizzazione dei SAP, è necessario fornire un'opzione rapida ed economica per l'analisi degli organoidi. Un candidato per tale valutazione intensiva ed economica degli organoidi è la linea cellulare SW1222, derivata dall'adenocarcinoma colorettale umano 26,27. Le cellule SW1222 possiedono caratteristiche che ne consentono l'aggregazione in strutture 3D simili a organoidi, rendendole un modello ideale per lo studio dello sviluppo dei tessuti e delle applicazioni di medicina rigenerativa. Le cellule SW1222 sono state identificate come in grado di generare organoidi a causa della loro intrinseca sovraespressione del gene LGR5 27. La creazione di organoidi da singole cellule staminali LGR5+ è stata dimostrata in modo convincente in precedenza, così come la propensione delle cellule SW1222 a raggiungere le caratteristiche morfologiche di un organoide di cancro del colon-retto28.
In questo articolo sui metodi, presentiamo protocolli dettagliati per valutare e caratterizzare gli effetti di vari peptidi biofunzionali sull'adesione cellulare e sulla formazione del lume utilizzando cellule SW1222 (Figura 3). Fornendo procedure passo-passo e metodi di analisi dell'imaging, speriamo di offrire preziose informazioni sulla biofabbricazione di organoidi e sulla valutazione di matrici SAP semplicistiche per la coltura di organoidi.