Método sin moldes para generar un modelo 3D de tejido intestinal mediante hidrogeles

El grupo Sistemas Biomiméticos para ingeniería celular, dirigido por Elena Martínez, ha desarrollado un nuevo método para generar tejido intestinal en 3D mediante el uso de hidrogeles. Este nuevo modelo in vitro se ha mejorado proporcionando a las células un entorno fisiológicamente realista, que incluye arquitectura tisular, interacciones célula-matriz y señalización química, sin dejar de ser compatibles con las técnicas estándar de caracterización celular.

Los tejidos epiteliales contienen micro topografías tridimensionales complejas que son esenciales para desarrollar correctamente su función.

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Proyección confocal de un cultivo de células epiteliales Caco-2 crecido sobre microestructuras 3D de PEGDA-AA a día 14. Los nucleos están marcados en azul y la F-actina se muestra en verde. Barra de escala = 150 µm

Estas microestructuras 3D proporcionan a las células las señales fisicoquímicas y mecánicas necesarias para guiar su autoorganización hacia estructuras funcionales de tejido. En el intestino delgado, las vellosidades y criptas intestinales proporcionan al tejido una gran superficie, lo que incrementa el volumen y tiempo de residencia de los fluidos, mejorando su función absortiva de nutrientes y fármacos.

Sin embargo, la mayoría de los modelos in vitro no implementan estas características 3D. Los modelos convencionales se basan en monocapas planas de células sobre sustratos duros, lo que no resulta óptimo para la capacidad predictiva de los ensayos preclínicos actuales. Hasta ahora, el problema principal era la disponibilidad de técnicas de fabricación simples que pudieran reproducir las geometrías complejas de los tejidos en materiales poliméricos blandos, como son los hidrogeles. Los hidrogeles son polímeros hidrofílicos con alto contenido de agua que mimetizan las propiedades mecánicas de los tejidos y se utilizan como sustratos para el cultivo celular principalmente en 2D

Este método presenta una nueva tecnología para fabricar hidrogeles en 3D mimetizando la arquitectura del intestino delgado. Éste nuevo método usa la fotolitografía convencional para fabricar microestructuras 3D con geometrías complejas en hidrogeles de polietilenglicol (PEGDA) en un único paso y sin necesidad de usar moldes. Este nuevo método es simple y rentable para producir modelos de epitelio intestinal que pueden integrarse fácilmente en plataformas estándar de cultivo celular.

Con este nuevo procedimiento, se ha demostrado la idoneidad de la técnica de fotolitografía para la producción de microestructuras 3D con morfologías sin la necesidad de moldear y desmoldar.

En este nuevo proceso se consiguen gradientes controlados de oxígeno durante la fotopolimerización. Al controlar los parámetros de fabricación, como la cinética de difusión y consumo de oxígeno, la distancia de la fuente de luz y la dosis de exposición, las dimensiones y geometría de las microestructuras se pueden definir a la perfección. Además, la copolimerización del polietilenglicol con ácido acrílico mejora el control de la dinámica de los procesos de reacción-difusión que gobiernan la polimerización. Por otra parte, el ácido acrílico permite la incorporación controlada de ligandos para la adhesión celular mientras que conserva las propiedades mecánicas de los hidrogeles.

Los polímeros sintéticos, como por ejemplo PEGDA, tienen ventajas sobre los polímeros naturales, entre ellas, la posibilidad de ajustar las propiedades o que no son biodegradables, y pueden soportar condiciones de cultivo celular a largo plazo. Mediante el ajuste adecuado de la composición del polímero y los parámetros de fabricación, es posible imitar fielmente la arquitectura 3D de células del epitelio del intestino delgado en hidrogeles sintéticos. Además, este método permite la fabricación de estos hidrogeles en membranas porosas que se adaptan a las placas de cultivo celular convencional y permiten medir las propiedades funcionales de la barrera celular intestinal, como por ejemplo su integridad y permeabilidad, mediante los métodos estándar. Estos resultados demuestran que esta tecnología de microfabricación sin moldes es una herramienta fácil de usar que replica fielmente las microtopografias 3D a nivel de tejido en hidrogeles.


Artículo de referencia: 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