Manipulation facile des Architectures à base de protéines Hydrogels pour Applications de Culture de cellules

Les hydrogels sont des matériaux qui forment des réseaux insolubles 3D capable de se lier de grandes quantités d’eau. Ces matières peuvent fournir d’excellentes conditions environnementales pour les cellules vivantes. Actuellement, il y un intérêt croissant dans la génération de structures tridimensionnelles hydrogel et dans le développement de procédés d’adapter leurs propriétés chimiques et physiques. Une fois que ce résultat est obtenu, un modèle pour la croissance des cellules et la manipulation du comportement cellulaire peut être généré^1,2,3,4. Ces structures 3D non seulement de créer un environnement plus naturel et réaliste que les approches classiques de deux dimensions, mais ils également révéler de nouvelles possibilités pour la croissance des cellules souches ou tumeur modèles⁵. Différents matériaux possèdent un éventail de caractéristiques qui dépendent principalement de la taille des pores du gel⁶. Les pores jouent un rôle crucial dans les applications de culture de cellules, génie tissulaire et la croissance dirigée de cellules souches. Par exemple, oxygène et nutriments diffusent à travers la matrice, et une quantité adéquate doit être en mesure d’atteindre les cellules de⁷. En revanche, les métabolites nuisibles doivent être retirés aussi vite que possible et suffisamment d’espace pour la croissance cellulaire doit être disponible⁷. Par conséquent, les propriétés du matériau et donc la taille des pores, influencent fortement les applications potentielles, avantage et, éventuellement, de la matrice. Selon les propriétés des matériaux, des processus différents-la croissance des cellules peuvent se produire dans une culture cellulaire 3D, y compris la formation des structures neuronales ; la croissance et la différenciation des cellules de la peau ou des os ; et la croissance dirigée spécial de lignées de cellules, comme les hépatocytes ou fibroblastes^{2,3,8,9,10,11}. Un autre point crucial qui influent sur l’application éventuelle d’un matériau est sa stabilité à des stimuli externes¹². Par exemple, l’hydrogel doit maintenir son intégrité mécanique dans les milieux de culture cellulaire ou le corps humain.

Ces dernières années, la recherche sur 3D cell culture hydrogels intensifiées, et de nombreuses études ont été menées pour résoudre les architectures 3D des systèmes¹³. Hydrogels composées d’éléments chimiquement synthétisés sont étudiées plus souvent parce qu’ils peuvent être facilement synthétisés et chimiquement modifiées et qu’ils présentent une haute stabilité (voir Zhu et al., 2011 pour un examen)⁵. Cependant, les protéines ont de nombreuses propriétés bénéfiques : comme ce que l’on appelle « polymères de précision, » ils sont biocompatibles ; ils ont une longueur définie ; ils sont relativement faciles à modifier ; et ils ont un grand nombre de cibles sites^14,15. À cet égard, des structures très spécifiques et innovantes peuvent être générés pour application dans de nombreux domaines. Dans cette étude, un hydrogel à base de protéines¹⁶ a été utilisé pour démontrer l’aptitude des méthodes bien établies pour influencer l’architecture 3D de la matière. En outre, la capacité d’et l’applicabilité à la génération de pore a été également étudiée.

Il existe beaucoup de techniques différentes modifier des structures 3D, y compris les méthodes simples et des techniques sophistiquées, hautement spécialisés de différents domaines de la science des matériaux. Une technique très répandue est l’utilisation d’électrofilage pour générer des structures bien définies,¹⁷. Fibres chargées sont tirés d’une solution par un champ électrique et puis se solidifient au contact de l’oxygène. De cette façon, les fibres de l’ordre de quelques nanomètres à quelques microns peuvent être produites. Autres techniques pour régler la taille, la structure et la distribution des pores dans la matrice sont doux lithographie, photolithographie, focalisation hydrodynamique, electro-pulvérisation et bio-impression^18,19,20. Un inconvénient important de ces techniques est leur dépendance envers l’équipement spécifique et coûteux et des produits chimiques spéciaux ou des matériaux. En outre, expérience avec ces techniques n’est souvent pas directement transférable aux matériaux à base de protéine, et la plupart des produits chimiques et méthodes ne sont pas portable compatible.

En revanche, beaucoup de techniques ne comptez pas sur un équipement spécial, ce qui les rend plus facile et moins coûteux à appliquer et à reproduire. Une méthode répandue pour la manipulation de la structure est coulée solvant^21,22,23. Les particules sont ajoutés avant la réaction de polymérisation et sont distribués de façon homogène pour saturer la solution. Après la polymérisation, une modification des conditions, comme une dilution ou une modification de pH, mène à la solvatation des particules, tandis que les pores restent dans le matériau. Les produits chimiques utilisés dans ces techniques, comme le sel, sucre, paraffine, gélatine et la craie, sont bon marché et facilement disponible. En lyophilisation, hydrogels gonflés sont gelés. La sublimation subséquente des phases liquides sous un vide est ensuite effectué^23,24,25. Sublimation de l’eau du réseau est assez douce pour maintenir les structures 3D spécifiques du matériau. En gaz écumant, une solution est transmis en continu avec un gaz alors que la polymérisation se déroule, en laissant les pores dans le gel de²¹. La taille et la distribution des pores est réglable selon le flux de gaz.

Pour former l’hydrogel de protéine, BSA réagit avec le chlorure de tétrakis (hydroxyméthyl) phosphonium (THPC) dans une réaction de Mannich-type afin de permettre la formation de liaisons covalentes entre les amines primaires et les groupes hydroxyles de la molécule de quatre bras linker²⁶. Intermédiaires nuisibles possibles sont éliminés par lavage excessif du matériel après que la réaction se produit.

Cette étude démontre la possibilité de traiter un matériau à base de BSA avec différentes techniques pour manipuler et adapter la taille des pores. Chacune des techniques peut être utilisé dans n’importe quel laboratoire dans le monde entier, car aucun équipement spécial n’est nécessaire. En outre, différents paramètres, tels que taux de gonflement, dégradabilité enzymatique, stabilité de pH et sensibilité à la température, examinées et comparées entre elles, en particulier quant à l’influence des différentes techniques sur la génération des architectures 3D. Enfin, les matériaux ont été fonctionnalisés avec des peptides de cellule-adhésif pour examiner l’application possible du matériel pour la culture cellulaire. Deux lignées de cellules de différents modèles ont été utilisées : A549 et MCF7.