Mètode sense motlles per a generar un model 3D de teixit intestinal mitjançant hidrogels

El grup Sistemes Biomimètics per enginyeria cel·lular, dirigit per Elena Martínez, ha desenvolupat un nou mètode per a generar teixit intestinal en 3D mitjançant l’ús d’hidrogels. Aquest nou model in vitro s’ha pogut millorar proporcionant a les cèl·lules un entorn fisiològicament realista, que inclou arquitectura tissular, interaccions cèl·lula-matriu i senyalització química, sense deixar de ser compatibles amb les tècniques estàndard de caracterització cel·lular.

Els teixits epitelials contenen microtopografies tridimensionals complexes que són essencials per a desenvolupar correctament la seva funció.

Read more…

Projeccio confocal d’un cultiu de cèl·lules epitelials Caco-2 que ha crescut sobre microestructures 3D de PEGDA-AA a dia 14. Els nuclis estàn marcats en blau i la F-actina en verd. Barra d’escala = 150 µm

Aquestes microestructures 3D proporcionen a les cèl·lules els senyals fisicoquímics i mecàniques necessaris per a guiar la seva autoorganització cap a estructures funcionals de teixit. A l’intestí prim, les vellositats i criptes intestinals proporcionen al teixit una gran superfície, el que incrementa el volum i temps de residència de fluids, millorant la seva funció absortiva de nutrients i fàrmacs.

No obstant això, la majoria dels models in vitro no implementen aquestes característiques 3D. Els models convencionals es basen en monocapes planes de cèl·lules sobre substrats durs, el que no resulta òptim per a la capacitat predictiva dels assaigs preclínics actuals. Fins ara, el problema principal era la disponibilitat de tècniques de fabricació simples que poguessin reproduir les geometries complexes dels teixits en materials polimèrics tous, com són els hidrogels. Els hidrogels són polímers hidrofílics amb alt contingut d’aigua que mimetitzen les propietats mecàniques dels teixits i s’utilitzen com a substrats per al cultiu cel·lular principalment en 2D.

Aquest mètode presenta una nova tecnologia per a fabricar hidrogels en 3D mimetitzant l’arquitectura de l’intestí prim. Aquest nou mètode utilitza la fotolitografia convencional per a fabricar estructures 3D amb geometries complexes en hidrogels de polietilenglicol (PEGDA) en un únic pas i sense la necessitat d’utilitzar motlles. Aquest nou mètode és simple i rendible per a produir models d’epiteli intestinal que poden integrar-se fàcilment en plataformes estàndard de cultiu cel·lular.

Amb aquest nou procediment, s’ha demostrat la idoneïtat de la tècnica de fotolitografia per a la producció de microestructures 3D amb morfologies sense la necessitat de  crear motlles.

En aquest nou procés s’aconsegueixen gradients controlats d’oxigen durant la fotopolimerització. Al controlar els paràmetres de fabricació, com la cinètica de difusió i consum d’oxigen, la distància de la font de llum i la dosis d’exposició, les dimensions i geometria de les microestructures es poden definir a la perfecció. A més, la copolimerització del polietilenglicol amb àcid acrílic millora el control de la dinàmica dels processos de reacció-difusió que governen la polimerització. Per una altra banda, l’àcid acrílic permet la incorporació controlada de lligands per a l’adhesió cel·lular mentre que conserva les propietats mecàniques dels hidrogels.

Els polímers sintètics, com per exemple PEGDA, tenen avantatges davant els polímers naturals, com per exemple, la possibilitat d’ajustar les propietats o el fet que no són biodegradables i per tant, poden suportar condicions de cultiu cel·lular a llarg termini. Mitjançant l’ajust adequat de la composició del polímer i els paràmetres de fabricació, és possible imitar fidelment l’arquitectura 3D de cèl·lules de l’epiteli de l’intestí prim en hidrogels sintètics. A més, aquest mètode permet la fabricació d’aquests hidrogels en membranes poroses que s’adapten a les plaques de cultiu cel·lular convencional i permeten mesurar les propietats funcionals de la barrera cel·lular intestinal, com per exemple la seva integritat i permeabilitat, mitjançant els mètodes estàndard. Aquests resultats demostren que aquesta tecnologia de microfabricació sense motlles és una eina fàcil d’usar que replica fidelment les microtopografies 3D a escala de teixit en hidrogels.


Article de referència: Albert G Castaño, María García-Díaz, Núria Torras, Gizem Altay, Jordi Comelles and Elena Martínez. Dynamic photopolymerization produces complex microstructures on hydrogels in a moldless approach to generate a 3D intestinal tissue model. Biofabrication, 2019. https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab0478