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Sfruttando la precisione, l'automazione e la natura controllata da computer della tecnologia di bioprinting 3D, abbiamo stabilito un metodo semplificato per la fabbricazione di canali vascolari in piastre standard a sei pozzetti, che sono state scelte per la loro compatibilità con i lettori di micropiastre commerciali e le configurazioni di imaging per microscopi. Il design della piastra può ospitare canali di più dimensioni e un volume sufficiente di fluidi per la crescita di canali più grandi, riducendo al contempo la frequenza necessaria di cambi di fluidi. I futuri adattamenti di questo progetto potrebbero essere adattati ad altre piastre standard disponibili in commercio, aumentando così la produttività sperimentale e diminuendo l'uso di materiali.
Le piattaforme microfluidiche utilizzano spesso un polimero siliconico chiamato PDMS a causa della sua atossicità, permeabilità ai gas e alta trasparenza28. Tuttavia, la bassa fedeltà di forma del PDMS ne limita l'uso nella biostampa basata sulla microestrusione per la fabbricazione di chip con un'elevata fedeltà di forma. SE170029, un altro polimero siliconico, offre una maggiore precisione nella costruzione di camere per la fabbricazione di tessuti, ma la sua elevata viscosità richiede ugelli più grandi e una notevole pressione pneumatica. Abbiamo formulato una miscela di SE1700 e PDMS che può essere utilizzata con ugelli più piccoli, consentendo così la fabbricazione in aree ristrette con elevata precisione e fedeltà delle forme. Altri tipi di polimeri, come il policaprolattone (PCL) o l'acetato di polietilene vinilico (PEVA), possono essere impiegati anche per la stampa in camera considerando la loro elevata fedeltà di forma30.
Fondamentale è anche la trasparenza ottica di GelMA31. A differenza di altri idrogel basati sulla ECM, come il collagene, che diventa opaco dopo la reticolazione, GelMA mantiene la trasparenza, consentendo così l'analisi cellulare in tempo reale all'interno dei canali, anche all'aumentare delle dimensioni del canale. Questo aspetto fornisce un grande vantaggio rispetto ai metodi che richiedono sezioni sottili per l'osservazione quando la dimensione del costrutto è aumentata32. La biodegradabilità di GelMA facilita la sostituzione dell'impalcatura ECM con nuovo tessuto funzionale durante la disintegrazione, fornendo così lo spazio necessario per la crescita del tessuto funzionale di nuova formazione33,34. Inoltre, la sua comprovata bassa citotossicità lo rende altamente adatto per applicazioni di ingegneria tissutale35,36. Le eccellenti caratteristiche meccaniche di GelMA lo rendono un buon candidato per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti vascolari37. La sua efficacia nel facilitare l'endotelizzazione dei condotti vascolari con gli HUVEC è stata ben documentata38.
Le cellule utilizzate per l'endotelizzazione in questo studio, le HUVEC, mostrano un alto tasso di successo nell'isolamento e sono un modello eccezionale per esaminare un'ampia gamma di malattie cardiovascolari e metaboliche39. Tuttavia, questo approccio può essere adattato per adattarsi a diversi tipi di cellule endoteliali, comprese quelle derivate dalle arterie o direttamente dai pazienti. Questa adattabilità consente la creazione di modelli di tessuto vascolare specifici per il paziente, facilitando la valutazione delle risposte individuali a farmaci specifici.
Questo protocollo prevede alcuni passaggi critici da tenere a mente per i lettori. In primo luogo, il trattamento al plasma è fondamentale per modificare le caratteristiche superficiali della piastra, in particolare per migliorare l'idrofilia, perché la maggior parte delle piastre a pozzetti commerciali sono idrofobiche. Il trattamento al plasma introduce gruppi funzionali polari sulla superficie, migliorando così la capacità di legame con la camera di silicio e l'idrogel. In secondo luogo, il controllo della temperatura è fondamentale perché l'inchiostro sacrificale si liquefa a temperature più basse e l'inchiostro siliconico richiede temperature più basse per prevenire l'indurimento prematuro, che può impedire l'estrusione dell'inchiostro attraverso l'ugello. In terzo luogo, la rimozione completa di tutte le tracce di PF127 è fondamentale perché qualsiasi residuo di PF127 può influenzare negativamente i processi cellulari, ad esempio interferendo con l'adesione cellulare40. In quarto luogo, durante la coltura cellulare, se le cellule crescono fino a una confluenza superiore al 90%, possono sperimentare stress a causa della competizione per lo spazio e i nutrienti. Questo stress può provocare un comportamento cellulare alterato, una diminuzione della vitalità cellulare e modifiche al microambiente cellulare. Per mantenere la salute delle cellule e una corretta proliferazione, si raccomanda di mantenere le colture al di sotto della confluenza del 90%. In quinto luogo, è importante mantenere la piastra piatta all'interno dell'incubatrice prima e dopo l'inversione per ottenere un'adesione cellulare uniforme all'interno del canale e, in ultima analisi, un'endotelizzazione uniforme. Infine, mantenere costanti il tempo di esposizione, l'intensità del laser di eccitazione e la messa a fuoco del microscopio sono fondamentali durante l'acquisizione dell'immagine, perché le variazioni di questi parametri potrebbero modificare l'intensità del segnale di emissione, influenzando così potenzialmente l'accuratezza dei risultati.
Il nostro approccio consente la creazione di canali in più configurazioni, come i modelli rettilinei, biforcati e contorti qui dimostrati. Questa adattabilità è essenziale per replicare le diverse geometrie della rete vascolare nel corpo umano e supera le capacità dei metodi tradizionali, come la colata di idrogel attorno a uno stampo o le tecniche di bioprinting basate su ugelli concentrici utilizzate per strutture tubolari 30,41,42. Tuttavia, una limitazione di questo metodo è che non garantisce la circolarità dei canali perché il modello sacrificale è disposto su una superficie piana.
Il vantaggio di costruire canali di più dimensioni è la chiave per superare i limiti delle piattaforme microfluidiche, che sono spesso limitate ai microcanali. Questa restrizione può essere uno svantaggio nei saggi biochimici convenzionali. Ad esempio, per ottenere materiale sufficiente per i saggi standard di espressione proteica come il western blotting, è necessario combinare i risultati di diversi dispositivi microfluidici. Inoltre, quando vengono creati canali cavi, l'idrogel deve mantenere una rigidità sufficiente per sopportare il processo di rimozione dell'ago. Il nostro approccio utilizza un materiale sacrificale termoreversibile, che diventa liquido quando la temperatura viene diminuita, facilitando così questo processo senza danneggiare l'integrità del gel. Inoltre, in questo metodo possono essere utilizzati anche altri materiali gelificanti termoreversibili, come la gelatina43.
Questo approccio consente una facile personalizzazione delle strutture tissutali sulla piastra, fornendo così uno strumento promettente per i test farmacologici nella scoperta di farmaci. Questo metodo può facilitare lo screening dei farmaci valutando i loro effetti sulla permeabilità vascolare, un fattore chiave nello sviluppo di terapie per le malattie associate alla disfunzione vascolare. Il nostro modello può essere utilizzato per studiare la permeabilità vascolare in condizioni specifiche, come l'infiammazione, e per sviluppare strategie per la normalizzazione vascolare, che è rilevante per il trattamento di varie malattie che coinvolgono una permeabilità vascolare anormale44, per far progredire la comprensione di questo processo e per sviluppare potenziali applicazioni cliniche45.
Per valutare la permeabilità vascolare, abbiamo perfuso 70 kDa destrano attraverso il canale vascolare. Tipicamente, un endotelio vascolare sano funge da barriera efficace alle molecole di destrano di questo peso molecolare46. Tuttavia, in presenza di infiammazione, si verifica la rottura delle giunzioni strette, consentendo a queste molecole di fuoriuscire, aumentando così la permeabilità vascolare30. Inoltre, il destrano marcato con fluorescenza viene utilizzato per valutare la distribuzione dei farmaci all'interno dei tessuti ingegnerizzati47. Sebbene il flusso bidirezionale e la dinamica di tracimazione a controllo limitato all'interno del canale siano limitazioni di questo modello, prevediamo che gli utenti finali saranno in grado di adattare il sistema in base alle loro esigenze utilizzando bilancieri personalizzati per controllare la dinamica del flusso all'interno dei canali. Questo adattamento può includere l'implementazione del flusso unidirezionale senza pompa48.
In futuro, questo metodo di fabbricazione potrebbe essere ampliato per costruire tessuti complessi. Posizionando con precisione altri tipi di cellule vicino ai canali vascolari, è stato possibile creare tessuti perfusibili e vascolarizzati, superando così una sfida importante nella biostampa di tessuti volumetrici. Riteniamo inoltre che questo metodo possa essere adattato per simulare altri tipi di tessuti cavi e perfusibili, come i vasi linfatici e l'intestino, in modo ad alto rendimento per una varietà di applicazioni biomediche.