Fácil manipulación de arquitecturas en Hidrogeles basados en proteínas para aplicaciones de la cultura de célula

Los hidrogeles son materiales que forman redes 3D insolubles capaces de atar grandes cantidades de agua. Este tipo de materiales puede proporcionar excelentes condiciones ambientales para las células vivas. Actualmente, existe un creciente interés en la generación de estructuras tridimensionales de hidrogel y en el desarrollo de los procesos para adaptar sus propiedades químicas y físicas. Una vez que esto se logra, una plantilla para el crecimiento de las células y la manipulación del comportamiento celular puede ser generado^1,2,3,4. Estas estructuras 3D no sólo crean un ambiente más natural y realista que los enfoques convencionales de dos dimensiones, pero también revelan nuevas posibilidades para el crecimiento de las células madre o tumor modelos⁵. Diferentes materiales poseen una serie de características que dependen principalmente del tamaño del poro del gel⁶. Los poros juegan un papel crucial en aplicaciones de cultivo celular, ingeniería de tejidos y el crecimiento dirigido de células madre. Por ejemplo, el oxígeno y los nutrientes difunden a través de la matriz, y cantidades adecuadas deben ser capaces de llegar a las células⁷. Por otro lado, metabolitos nocivos deben eliminarse lo antes posible, y espacio suficiente para el crecimiento de la célula debe estar disponible⁷. En consecuencia, las propiedades del material y por lo tanto el tamaño del poro, influyen severamente las posibles beneficio y posibles aplicaciones de la matriz. Dependiendo de las propiedades de los materiales, procesos de crecimiento de la célula diferentes pueden ocurrir en cultura celular 3D, incluyendo la formación de estructuras neuronales; el crecimiento y la diferenciación de las células de la piel o el hueso; y el crecimiento dirigido de líneas celulares especiales, como los hepatocitos o fibroblastos^{2,3,8,9,10,11}. Otro de los puntos crucial que influyen en la posible aplicación de un material es su estabilidad hacia estímulos externos¹². Por ejemplo, el hidrogel debe mantener su integridad mecánica en medios de cultivo celular o en el cuerpo humano.

En los últimos años de investigación en 3D de la célula cultura hidrogeles se intensificó, y se llevaron a cabo muchos estudios para resolver la arquitectura 3D de los sistemas¹³. Hidrogeles compuestos de componentes químicamente sintetizados comúnmente son investigados porque pueden ser sintetizados fácilmente y modificar químicamente y exhiben alta estabilidad (véase Zhu et al., 2011 una revisión)⁵. Sin embargo, las proteínas tienen muchas propiedades beneficiosas: como supuesto “polímeros de precisión”, son biocompatibles; tienen una longitud definida; son relativamente fáciles de modificar; y tienen un gran número de sitios de destino^14,15. En este sentido, se pueden generar estructuras altamente específicas, innovadoras para su aplicación en muchos campos. En este estudio, un hidrogel basado en proteína¹⁶ fue utilizado para demostrar la capacidad de métodos bien establecidos para influir en la arquitectura 3D del material. Además, también se investigó la capacidad de y la aplicabilidad a la generación de poro.

Existen muchas técnicas diferentes modificar estructuras 3D, incluyendo métodos sencillos y técnicas sofisticadas y altamente especializadas de diversos campos de la ciencia de los materiales. Una técnica generalizada es el uso de electrospinning para generar estructuras bien definidas¹⁷. Cargada fibras se tiran de una solución por un campo eléctrico y luego solidifican con la exposición al oxígeno. De esta manera, se pueden producir las fibras en la gama de varios nanómetros hasta varias micras. Técnicas adicionales para ajustar el tamaño, estructura y distribución de los poros dentro de la matriz son la litografía blanda, Fotolitografía, enfoque hidrodinámico, electro-rociado y bio-impresión^18,19,20. Un inconveniente importante de estas técnicas es su dependencia de equipos específicos, caros y productos químicos especiales o materiales. Además, experiencia con estas técnicas a menudo no es directamente transferible a los materiales basados en proteína, y muchos de los productos químicos y métodos no son compatibles la célula.

Por otra parte, muchas de las técnicas no se apoyan en equipos especiales, haciéndolos más fácil y más barato aplicar y reproducir. Un método generalizado para la manipulación de la estructura es de fundición solvente^21,22,23. Las partículas se agregan antes de la reacción de polimerización y se distribuyen de forma homogénea para saturar la solución. Después de la polimerización, un cambio de condiciones, como una disolución o un cambio de pH, conduce a la solvatación de las partículas, mientras que los poros permanecen dentro del material. Los productos químicos utilizados en estas técnicas, tales como sal, azúcar, parafina, gelatina y tiza, son baratos y fácilmente disponibles. En la liofilización, son congelados hidrogeles hinchados. La sublimación posterior de las fases líquidas bajo un vacío es entonces realizado^23,24,25. La sublimación del agua de la red es lo suficientemente suave para mantener las estructuras 3D específicas del material. En el gas que hace espuma, una solución es transmitida con un gas mientras que la polimerización ocurre, dejando poros en el gel de²¹. El tamaño y la distribución de los poros pueden ajustarse dependiendo de la corriente del gas.

Para formar el proteína del hidrogel, BSA está reaccionada cloruradas tetrakis (hidroximetil) fosfonio (THPC) en una reacción tipo Mannich para permitir la formación de enlaces covalentes entre aminas primarias y los grupos hidroxilo de la molécula de vinculador de cuatro brazos²⁶. Posibles productos intermedios nocivos se eliminan por lavado excesivo del material después de que la reacción ocurra.

Este estudio demuestra la posibilidad de tratar un material a base de BSA con diversas técnicas para manipular y adaptar el tamaño de los poros. Cada una de las técnicas puede utilizarse en cualquier laboratorio a nivel mundial, ya que ningún equipo especial es necesario. Además, diferentes parámetros, tales como relación de hinchazón, degradabilidad enzimática, estabilidad de pH y sensibilidad de la temperatura, fueron examinados y comparados con otras, especialmente respetan a la influencia de las diferentes técnicas en la generación de arquitecturas de 3D. Por último, los materiales fueron funcionalizados con péptidos de célula-adhesivo para investigar la posible aplicación de los materiales para cultivo celular. Se utilizaron dos líneas celulares de diferentes modelos: A549 y MCF7.