Fácil manipulação das arquiteturas em hidrogel à base de proteínas para aplicações de cultura de células

Hidrogel é materiais que formam redes 3D insolúveis capaz de ligação a grandes quantidades de água. Tais materiais podem fornecer excelentes condições ambientais para as células vivas. Atualmente, existe uma crescente interesse na geração de estruturas tridimensionais de hidrogel e no desenvolvimento de processos para adequar suas propriedades químicas e físicas. Uma vez que este é alcançado, um modelo para o crescimento das células e a manipulação do comportamento celular pode ser gerado^1,2,3,4. Estas estruturas 3D não só criam um ambiente mais natural e realista do que abordagens convencionais bidimensionais, mas eles também revelar novas possibilidades para o crescimento de células-tronco ou tumor modelos⁵. Diferentes materiais possuem uma gama de características que principalmente depende do tamanho dos poros do gel de⁶. Os poros desempenham um papel crucial em aplicações de cultura de células, a engenharia de tecidos e o crescimento direcionado de células-tronco. Por exemplo, oxigênio e nutrientes difundem pela matrix, e quantidades adequadas devem ser capazes de atingir as células⁷. Por outro lado, metabólitos prejudiciais devem ser removidos logo que possível, e espaço suficiente para o crescimento da célula deve ser disponível⁷. Consequentemente, as propriedades do material e, portanto, o tamanho dos poros, influenciam severamente os potencial benefício e possível aplicações da matriz. Dependendo as propriedades do material, processos de crescimento de células diferentes podem ocorrer em cultura de células 3D, incluindo a formação de estruturas neuronais; o crescimento e diferenciação das células da pele ou osso; e o crescimento direcionado de linhas de células-tronco especiais, como hepatócitos ou fibroblastos^{2,3,8,9,10,11}. Outro ponto crucial, influenciando a possível aplicação de um material é a sua estabilidade no sentido de estímulos externos¹². Por exemplo, o hidrogel deve manter sua integridade mecânica em meios de cultura celular ou o corpo humano.

Nos últimos anos, pesquisas sobre cultura de células 3D hidrogel intensificou-se, e muitos estudos foram realizados para resolver as arquiteturas 3D dos sistemas¹³. Hidrogel composto por componentes quimicamente sintetizados mais comumente é investigados, porque podem ser facilmente sintetizados e quimicamente modificados e eles apresentam alta estabilidade (veja Zhu et al, 2011 para uma revisão)⁵. No entanto, as proteínas têm muitas propriedades benéficas: tão chamados “polímeros de precisão”, eles são biocompatíveis; Eles têm um comprimento definido; Eles são relativamente fáceis de modificar; e eles têm um grande número de sites de destino^14,15. A este respeito, estruturas inovadoras, altamente específicas podem ser geradas para aplicação em muitos campos. Neste estudo, um hidrogel à base de proteína de¹⁶ foi usado para demonstrar a capacidade de bem estabelecidos métodos para influenciar a arquitetura 3D do material. Além disso, a capacidade de e aplicabilidade para geração de poros também foi investigada.

Muitas técnicas diferentes estão disponíveis para modificar estruturas 3D, incluindo ambos os métodos simples e técnicas sofisticadas, altamente especializadas de diferentes áreas da ciência de materiais. Uma técnica comum é o uso de eletrofiação para gerar estruturas bem definidas¹⁷. Carregada de fibras são puxadas a partir de uma solução por um campo elétrico e em seguida solidificam após a exposição ao oxigênio. Desta forma, podem ser produzidas fibras no intervalo de vários nanômetros até alguns mícrons. Técnicas adicionais para ajustar o tamanho, estrutura e distribuição dos poros dentro da matriz são macia litografia, fotolitografia, focalização hidrodinâmica, electro-pulverização e bio-imprimir^18,19,20. Uma desvantagem significativa dessas técnicas é sua dependência específico, caros equipamentos e produtos químicos especiais ou materiais. Além disso, a experiência com estas técnicas, muitas vezes não é diretamente transferível para materiais à base de proteínas, e muitos dos produtos químicos e métodos não são celulares compatíveis.

Por outro lado, muitas técnicas não se baseará equipamento especial, tornando-os mais fácil e mais barato para aplicar e reproduzir. Um método generalizado para manipulação de estrutura é solvente fundição^21,22,23. As partículas são adicionadas antes da reação de polimerização e são distribuídas homogênea até para saturar a solução. Após a polimerização, uma mudança de condições, tais como uma diluição ou uma alteração de pH, leva para a solvatação das partículas, enquanto os poros permanecem dentro do material. Os produtos químicos utilizados nestas técnicas, tais como sal, açúcar, parafina, gelatina e giz, são baratas e prontamente disponíveis. Na liofilização, hidrogel inchadas está congelados. A sublimação subsequente das fases líquidas sob um vácuo é então realizada^23,24,25. Sublimação da água da rede é suficientemente suave para manter as estruturas 3D específicas do material. Em gás de espuma, uma solução é transmitida com um gás durante a polimerização ocorre, deixando os poros dentro do gel de²¹. O tamanho e a distribuição dos poros podem ser ajustadas dependendo do fluxo de gás.

Para formar a proteína hidrogel, BSA é reagido com cloreto de tetrakis (hidroximetil) do phosphonium (THPC) em uma reação de Mannich-tipo para permitir a formação de ligações covalentes entre aminas primárias e os grupos hidroxi de 4 braços vinculador molécula²⁶. Possíveis intermediários prejudiciais são removidos por lavagem excessiva do material, depois que a reação ocorre.

Este estudo demonstra a possibilidade de tratar de um material à base de BSA com diferentes técnicas para manipular e ajustar o tamanho dos poros. Cada uma das técnicas pode ser usada em qualquer laboratório em todo o mundo, como nenhum equipamento especial é necessário. Além disso, diferentes parâmetros, tais como inchaço ratio, degradabilidade enzimática, estabilidade do pH e sensibilidade à temperatura, foram examinados e comparados uns aos outros, especialmente respeitam à influência das diferentes técnicas na geração de arquiteturas 3D. Finalmente, os materiais foram acrescidos com peptídeos de célula-adesivo para investigar a possível aplicação dos materiais para cultura de células. Utilizaram-se duas linhas de célula diferente modelo: A549 e MCF7.