Aqui descrevemos as diretrizes para montar um modelo de tecido semelhante ao cérebro 3D compartimentado. O modelo é caracterizado por uma densa cultura polarizada de neurônios, resultando no desenvolvimento de dois compartimentos morfologicamente diferentes: um contendo corpos celulares densamente compactados, o segundo contendo redes axonais puras. No geral, a arquitetura do andaime e o padrão de crescimento imitam o tecido cortical do cérebro, incluindo as seis camadas laminares e os tratos de substância branca21.
O modelo de tecido à base de proteína de seda em forma de rosquinha permite modificações e ajustes de propriedades mecânicas, formas estruturais versáteis, cargas de hidrogel e componentes celulares. Assim, este modelo de tecido estabelece uma plataforma base para uma ampla gama de estudos. A seda é uma candidata favorável para plataformas de biomateriais devido à sua biocompatibilidade, processamento à base de água e propriedades mecânicas e de degradação robustas22. A matriz de seda também serve como uma âncora estável para reduzir a contração do gel de colágeno ao longo do tempo em cultura. As propriedades como concentração de seda e porosidade do andaime usado neste modelo foram previamente ajustadas para alcançar o crescimento celular ideal e propriedades mecânicas, resultando em elasticidade do tecido semelhante ao cérebro18,23,24. Sugerimos manter esses parâmetros constantes para garantir o resultado bem-sucedido e a reprodutibilidade dos experimentos.
A formação da rede neuronal 3D foi alcançada pela combinação de dois tipos de biomateriais com diferentes propriedades mecânicas: um andaime rígido para fornecer ancoragem neuronal e uma matriz de gel mais macia para permitir a penetração e conectividade do axônio em 3D. As preferências materiais seletivas do andaime de seda e do hidrogel macio fornecem o princípio subjacente para compartimentar os neurônios das conexões axonais. Devido à natureza inerte do andaime de seda, a funcionalização com poli-D-lisina é necessária para a fixação neuronal. No entanto, outros fatores promotores de adesão celular podem ser aplicados, como RGD25 ou fibronectina26. Para alcançar a formação da rede 3D, o andaime de seda precisa ser preenchido com hidrogel em tempo hábil, assim que os neurônios estiverem ligados ao andaime. Da mesma forma, o preenchimento da matriz de colágeno pode ser substituído por outros hidrogéis, permitindo assim o estudo da influência de ambientes extracelulares 3D na formação da rede axonal para servir como uma plataforma para avaliar novos hidrogéis em termos de compatibilidade neuronal. Além disso, além dos neurônios corticais de ratos, outras fontes neuronais, como neurônios do hipocampo ou neurônios derivados de células pluripotentes induzidas (iPSc), podem ser utilizadas. Além disso, o modelo de tecido pode ser usado para estudar interações heterocelulares, incluindo células gliais junto com neurônios e para construir tecidos cerebrais mais complexos.
Como mostrado anteriormente, nosso modelo pode ser utilizado para avaliar a funcionalidade neuronal em microambiente 3D com uma variedade de ensaios, como viabilidade celular, expressão gênica, LC-MS/MS e eletrofisiologia, demonstrando assim a relevância fisiológica do modelo18. Outros métodos, que são frequentemente utilizados para avaliar construções de engenharia de tecidos 3D, como imunocoloração e microscopia8,9,11 , também podem ser usados para avaliar a distribuição celular e a extensão da formação da rede axonal. No entanto, deve-se notar que, devido à alta densidade da matriz de colágeno, a penetração de anticorpos e a profundidade da imagem são limitadas a algumas centenas de micrômetros. Além disso, a relação sinal-ruído pode ser afetada por fluorescência de fundo inespecífica. Isso pode ser superado com o uso de marcadores de células lipofílicas e proteínas fluorescentes geneticamente expressas, que diminuem a necessidade de imunomarcação11. Alternativamente, a imagem pode ser realizada com microscopia de 2 fótons em vez da técnica usual de um fóton, o que pode reduzir a perda de sinal, fotobranqueamento e pode ser estendido a várias centenas de micrômetros de profundidade.
Resumindo, o tecido semelhante ao cérebro à base de seda e colágeno oferece uma plataforma robusta para estudar redes neuronais em 3D e é um ponto de partida para o desenvolvimento de modelos mais avançados de distúrbios neurológicos no futuro. Independentemente do modo de avaliação, a relativa simplicidade deste modelo de tecido suporta sua utilidade, sucesso e reprodutibilidade.