O método de fabricação de gel peptídico descrito aqui permite que o usuário defina e crie um ambiente de cultura 3D sob medida. Embora o ambiente mecânico seja determinado principalmente pela concentração de peptídeos, os componentes da matriz de interesse também podem ser adicionados em densidades controladas, conforme mostrado pelo exemplo de cálculo na Figura 1. Em sua forma mais simples, no entanto, o protocolo de gel peptídico fornece um método para encapsular células em um ambiente 3D livre de matriz. A Figura 2 mostra como essa abordagem pode ser combinada com uma ampla gama de modelos de câncer, incluindo linhas de células cancerígenas marcadas com fluorescência (Figura 2A) e material de xenoenxerto derivado do paciente (PDX) (Figura 2B, C). É importante ressaltar que as linhagens celulares e o material PDX podem ser cultivados dentro dos géis em condições livres de soro (Figura 2C, D), fornecendo um sistema de cultura 3D com composição totalmente definida.
Como o peptídeo em si não contém nenhum motivo de ligação celular, as células encapsuladas normalmente exibem uma morfologia arredondada nos géis peptídicos não modificados. A Figura 3A demonstra isso para fibroblastos mamários humanos em um gel peptídico de 6 mg / mL, em comparação com sua morfologia alongada clássica observada em Matrigel puro e um gel de colágeno puro. É importante, no entanto, que o protocolo de gel peptídico permite a incorporação de componentes da matriz de interesse. A Figura 3A demonstra como a adição de 200 μg/mL de colágeno I pode restaurar a morfologia alongada dos fibroblastos nos géis peptídicos.
As adições de matriz também podem apoiar o crescimento e a organização de outros tipos de células, por exemplo, MCF10A, conforme mostrado na Figura 3B. Nesse caso, a adição de 100 μg/mL de colágeno I a um gel peptídico de 6 mg/mL permite a formação de estruturas acinares no dia 7. Mais complexidade também pode ser introduzida pela incorporação de uma camada de células de suporte em co-cultura indireta. A Figura 3C demonstra como a abordagem combinada de incorporação de matriz e co-cultura indireta com fibroblastos mamários humanos pode aumentar o crescimento e a organização do MCF10A.
Outro parâmetro importante é a concentração de peptídeo usada na fabricação de gel peptídico. A Figura 4A mostra um exemplo de como o controle da concentração de peptídeos, neste caso entre 4 e 10 mg / mL, resulta em uma rigidez que varia entre 100s a 1000s de Pa. Esses géis podem ser fabricados sem matriz ou podem ser criados com adições de matriz para permitir o controle simultâneo da rigidez e da composição. Os géis peptídicos com adições de matriz podem ser seccionados e corados para permitir que a distribuição dessas adições seja visualizada. A Figura 4B, C mostra duas abordagens para fazer isso: incorporação em ágar 4% seguida de processamento de tecido padrão e inclusão em parafina para imuno-histoquímica (Figura 4B) ou incorporação em ágar 2% seguida de seccionamento de vibratomo e coloração fluorescente (Figura 4C).
Ao modificar a composição dos géis peptídicos, é crucial garantir que essas alterações não impactem o ambiente mecânico inicialmente apresentado às células. A Figura 4D demonstra como as modificações na concentração do peptídeo podem ser usadas para compensar quaisquer alterações na rigidez do gel do peptídeo na incorporação da matriz. As medições de reologia oscilatória em massa da rigidez do gel (módulo de armazenamento, G') podem então distinguir entre os efeitos da composição do gel e da rigidez na morfologia celular. Conforme mostrado nas imagens de campo claro, as células MDA MB 231 desenvolvem uma morfologia alongada na adição de colágeno a géis peptídicos de 10 mg / mL ou 15 mg / mL. A Figura 4E mostra que essas células alongadas coram positivo para pFAK, indicando uma interação com a matriz circundante. O ambiente inicialmente livre de matriz dos géis peptídicos também os torna uma plataforma ideal para estudar a síntese celular e a deposição de componentes da matriz de interesse. A Figura 4F mostra a deposição localizada de colágeno I pelas células MCF7 encapsuladas em géis peptídicos de 10 mg/mL.
Uma das principais vantagens dos géis peptídicos é a facilidade com que os métodos laboratoriais padrão podem ser aplicados à sua análise. O material pode ser extraído para qRT-PCR para determinar perfis de expressão gênica (como mostrado em nossa recente publicação5). A imagem por microscopia de campo claro também permite a visualização em tempo real do crescimento celular. A Figura 5 mostra alguns dos problemas típicos de solução de problemas que podem ser encontrados em géis peptídicos malsucedidos: mistura incompleta do precursor do gel (Figura 5A,B); otimização incorreta da concentração de peptídeos (Figura 5C,D) ou densidade de semeadura (Figura 5E,F); e neutralização incorreta do colágeno ácido antes da incorporação nos géis peptídicos (Figura 5G,H). A concentração de peptídeos e a densidade de semeadura, em particular, devem ser otimizadas para cada linhagem celular e fonte de peptídeos, para garantir que o ambiente de cultura seja adequadamente definido e representativo da aplicação de interesse.

Figura 1: Um exemplo de cálculo para composição de matriz e densidade de semeadura. Este exemplo de fluxo de trabalho descreve o procedimento que seria seguido para semear dois precursores de gel de peptídeo com adições de 100 μg/mL de colágeno, a uma densidade celular final de 1 x 105 células/mL. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Os géis peptídicos livres de matriz fornecem uma plataforma de cultura 3D adequada para modelos de câncer derivados de pacientes e linhagens celulares. (A) As linhagens celulares de câncer colorretal HCT116 e câncer de mama MCF7, expressando constitutivamente os marcadores fluorescentes mCherry e tdTomato, respectivamente, formam aglomerados de células em géis de 6 mg / mL no dia 9 (esquerda) e podem ser visualizadas ao vivo usando microscopia fluorescente (direita, barra de escala de 50 μm); (B) Células de xenoenxerto derivadas de pacientes (PDX) de um paciente com câncer de mama triplo negativo (BR8) formam aglomerados de células no dia 7 em géis peptídicos de 10 mg / mL; (C) As células PDX de tumores de mama positivos para receptores de estrogênio (BB3RC31) podem ser cultivadas em condições livres de soro18, mostradas com controle de matriz de membrana basal (por exemplo, Matrigel) na passagem combinada para comparação; (D) As células de câncer de mama MCF7 são viáveis em géis peptídicos de 6 mg/mL em condições sem matriz e sem soro, conforme avaliado usando um ensaio de células VIVAS/MORTAS no dia 7. KSR = reposição de soro knockout, meio MS = meio mamosfera19. Barra de escala 100 μm, a menos que especificado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: A complexidade do gel peptídico pode ser aumentada pela introdução de adições de matriz e co-cultura. (A) A linha celular de fibroblastos mamários humanos HMFU19 requer adições de colágeno para restaurar uma morfologia alongada em um gel peptídico de 6 mg / mL, mostrado com matriz de membrana basal pura (por exemplo, Matrigel) e gel de colágeno I de cauda de rato de 1,5 mg / mL para comparação, barra de escala de 50 μm; (B) As células normais da mama MCF10A formam estruturas acinares no dia 7 em géis peptídicos de 6 mg / mL com adição de 100 μg / mL de colágeno humano I, barra de escala de 100 μm; (C) A adição combinada de componentes da matriz fibronectina / HA (ácido hialurônico, peso molecular 804 kDa) e HMFU19 em co-cultura indireta aumenta o tamanho e a organização dos ácinos MCF10A em géis peptídicos de 10 mg / mL, conforme avaliado pela coloração de caspase 3 clivada, barra de escala de 50 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Os géis peptídicos permitem o controle independente da rigidez e composição e a avaliação da matriz depositada nas células. (A) Medições de reologia em massa demonstrando uma faixa de rigidez típica (módulo de armazenamento, G ') alcançável pelo controle da concentração de peptídeos, * indica p < 0,05; (B) Imuno-histoquímica mostrando coloração de 150 μg/mL de colágeno I em gel peptídico de 10 mg/mL com MCF7 encapsulado (dia 7, barra de escala de 100 μm); (C) Imunofluorescência da distribuição do colágeno I em um gel peptídico de 6 mg/mL com 200 μg/mL de colágeno I humano, por inclusão em ágar e seccionamento de vibratome, barra de escala de 25 μm; (D) A adição de 200 μg / mL de colágeno I dá uma diminuição modesta no módulo de armazenamento, G ', de géis peptídicos de 10 mg / mL (reologia oscilatória em massa), compensada pelo aumento da concentração de peptídeos para 15 mg / mL. MDA MB 231 células de câncer de mama triplo negativo são mostradas em cada condição (dia 7, barra de escala 50 μm); (E) MDA MB 231 em géis peptídicos de 15 mg/mL com 200 μg/mL de colágeno humano I mostram alongamento e interação com a matriz via coloração pFAK (dia 14, barra de escala 50 μm); (F) Coloração in situ da deposição de colágeno MCF7 I em um gel peptídico de 10 mg/mL inicialmente livre de matriz (dia 10, barra de escala de 100 μm). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Problemas comuns de solução de problemas de gel peptídico podem ser resolvidos usando microscopia de campo claro. As células mostradas são células epiteliais mamárias normais MCF10A, no dia 7, a menos que especificado. (A) Um precursor de gel corretamente misturado deve ser opticamente claro, sem inconsistências, enquanto (B) mistura / neutralização insuficiente pode causar heterogeneidades / estrias visíveis no gel peptídico (setas brancas); (C) MCF10A forma estruturas acinares em géis peptídicos de 6 mg / mL na adição de co-cultura indireta HMFU19, no entanto (D) a 15 mg / mL a concentração de peptídeos é muito alta para permitir a formação de acinar; (E) MCF10A semeado a 5 x 105 células/mL forma estruturas acinares em géis de 6 mg/mL com adição de 100 μg/mL de colágeno I, no entanto (F) a densidade celular de 2 x 105 células/mL é muito baixa para permitir a formação acinar; (G) As adições de colágeno podem produzir grandes aglomerados de células no dia 14, no entanto, (H) a adição incorreta (neutralização do colágeno muito cedo no processo) pode impedir o crescimento do aglomerado. Barra de escala 100 μm. Clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.