Matryce zewnątrzkomórkowe (ECM) tworzą rusztowania białkowe, które wspierają przyłączanie komórek i służą jako bariery między różnymi typami komórek i są niezbędnym składnikiem złożonych tkanek i narządów. W przeciwieństwie do śródmiąższowej tkanki łącznej, błona podstawna (BM) jest wyspecjalizowanym typem ECM, który działa jak bariera dzieląca przedziały tkankowe od siebie. BM mają grubość około 100 μm, dzięki czemu umożliwiają bezpośrednią i pośrednią komunikację między komórkami po obu stronach. Dwa typowe przykłady BM to naczyniowe BM, znajdujące się w ścianie mikronaczyniowej między perycytami a komórkami śródbłonka, oraz BM dróg oddechowych, które znajdują się między komórkami śródbłonka i nabłonka. BM odgrywają ważną rolę w regulacji funkcji komórek, takich jak polaryzacja i migracja komórek, w zdrowiu i chorobie. 1 Skład, sztywność, architektura i porowatość BM różnią się w zależności od układu narządów, aby ułatwić różne funkcje fizjologiczne. Na przykład pory BM mają kluczowe znaczenie dla utrzymania komunikacji między komórkami, dyfuzji rozpuszczalnych cząsteczek oraz migracji komórek odpornościowych podczas stanu zapalnego lub bakterii podczas infekcji. W drogach oddechowych pory rozciągają się na całej grubości BM, a ich średnice wahają się od 0,75 do 3,86 μm.2
Cienka natura BM zapewnia, że chociaż typy komórek są fizycznie oddzielone od siebie, komunikacja międzykomórkowa za pośrednictwem sygnalizacji parakrynnej i kontaktowej jest zachowana. W związku z tym, aby badać choroby ludzkie in vitro, naukowcy oparli się na porowatych, przepuszczalnych wkładkach nośnych do hodowli dwuwarstw komórkowych. 3 Te modele były kluczowe dla zrozumienia komunikacji komórkowej, która odgrywa rolę w zdrowiu i chorobie. 3,4,5,6,7 Przepuszczalne wkładki nośne spełniają podstawowe wymagania dotyczące zrozumienia, w jaki sposób sygnalizacja komórka-komórka reguluje procesy fizjologiczne, takie jak rekrutacja leukocytów i infiltracja bakteryjna; jednak wkładki mają znaczne ograniczenia i nie naśladują ludzkiego BM. Przepuszczalne wkładki nośne nie mają zarówno mechanicznej, jak i biochemicznej przestrajalności, a uproszczona porowata struktura nie naśladuje struktury włóknistej, która tworzy nieregularne pory typowe dla BM. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na przestrajalne systemy, które mogą odtworzyć natywne właściwości BM, które wpływają na procesy komórkowe.
Podłoża na bazie polimerów są idealnymi kandydatami do rozwoju biomimetycznych BM do badania dwuwarstw komórkowych w kontekście, który bardziej naśladuje środowisko in vivo. 8,9,10,11,12 Polimery są mechanicznie przestrajalne i mogą być chemicznie modyfikowane w celu włączenia biomimetycznych fragmentów peptydów.11,12,13 Bioobojętny polimer glikolu polietylenowego (PEG) może być używany do budowy biomimetycznych BM, a ostatnie prace szczegółowo opisały syntezę mechanicznie przestrajalnych żeli PEG z kwasem argininowo-glicynowo-asparaginowym (RGD) z porowatymi sieciami, które wspierają wzrost komórek i chemotaksję komórek zapalnych. 14 Chociaż opublikowane podłoża oparte na PEG dostarczyły bardziej realistycznego modelu ludzkiego ECM niż przepuszczalne podpory, wiele z tych modeli jest niezwykle grubych, z głębokością około 775 μm, co ogranicza zdolność do tworzenia kultur dwuwarstwowych z kontaktami komórka-komórka. 14
Tutaj prezentujemy protokół tworzenia naśladownictwa BM opartego na polimerze PEG, który pokonuje wiele ograniczeń obecnych technologii hodowli dwuwarstwowych komórek. Opracowaliśmy metodę szablonów, która włącza tlenek, szeroko stosowany materiał do produkcji mikrokrystalicznej, do polimeru podczas syntezy i sieciowania, który jest następnie i selektywnie usuwany z powstałego polimeru luzem. Proces ten generuje losową porowatą sieć, naśladując krętą i wzajemnie połączoną sieć porów ludzkich BM. Ponadto porowatość można zmienić poprzez zmianę wielkości i kształtu mikrokryształów tlenku poprzez modyfikację stechiometrii reakcji podczas produkcji igły. Opracowana tutaj technika tworzy ultracienki hydrożel, który naśladuje grubość ludzkiego BM. Wreszcie, mechanika, porowatość i skład biochemiczny tych konstruktów podobnych do BM mogą być łatwo zmienione w celu wytworzenia mikrośrodowiska, które jest najbardziej podobne do tego obserwowanego in vivo.