Modelli 3D dipendenti dall'impalcatura per uno screening ad alta produttività

Le colture cellulari 3D dipendenti dall'impalcatura si basano su un supporto fisico che spazia dalle superfici meccaniche alle strutture simili a matrice extracellulare (ECM) su cui le cellule vengono coltivate per aggregarsi, dividersi e migrare. Le proprietà fisiche e chimiche dell'impalcatura influenzeranno la struttura e le caratteristiche cellulari. Negli scaffold sintetici è possibile incorporare ormoni e fattori di crescita necessari per la crescita di uno specifico fenotipo cellulare. Pertanto la scelta dello scaffold, sia esso biologico o sintetico, le proprietà fisiche (porosità, rigidità e stabilità in condizioni di coltura) e chimiche (compatibilità) dello scaffold devono essere prese in considerazione, per ottenere una coltura vitale che possa successivamente essere utilizzata per alte screening dei farmaci sulla produttività (1).

Idrogel sintetici e biologici

Gli idrogel sono reti prodotte da catene polimeriche diluite con struttura e proprietà determinate, ottenute mediante legami incrociati intermolecolari o interfibrillari. Gli idrogel biologici provenienti da fonti naturali come collagene, fibrina o Matrigel sono biocompatibili, con proprietà adesive naturali e in grado di supportare molte funzioni fisiologiche cellulari. Ciò si traduce in una maggiore vitalità cellulare, proliferazione o differenziazione controllata e spesso un fenotipo cellulare tipicamente osservato in vivo. La modifica del tipo di idrogel utilizzato e delle sue concentrazioni viene spesso utilizzata per osservare la risposta delle cellule tumorali a misure terapeutiche che includono chemioterapia, immunoterapia e radiazioni (2,10).

Tuttavia, gli scaffold biologici più comunemente utilizzati come il collagene e il Matrigel sono disponibili in forma liquida ma devono essere maneggiati a temperature fredde per evitare la gelificazione prematura. Questo requisito di basse temperature ne limita l'uso nelle apparecchiature per la manipolazione dei liquidi utilizzate per gli screening ad alto rendimento nella scoperta di farmaci (10).

Gli idrogel sintetici ben progettati possono fungere da eccellente piattaforma da utilizzare nelle colture cellulari 3D. Possono rappresentare efficacemente proprietà simili all'ECM, includere siti proteolitici e fattori di crescita. Possono essere facilmente messi a punto per ottenere le proprietà fisiche e chimiche desiderate per promuovere la crescita di un particolare fenotipo cellulare. Inoltre i polimeri sintetici hanno l'ulteriore vantaggio di essere relativamente economici, relativamente inerti e riproducibili, consentendo così l'acquisizione di risultati coerenti e affidabili. I recenti progressi nelle scienze dei materiali hanno generato piccoli idrogel a base di peptidi come una nuova impalcatura per colture cellulari 3D utilizzabile per studi di scoperta di farmaci. Questi idrogel sono altamente versatili e le proprietà dei materiali possono essere modulate sostituendo gli amminoacidi, estendendo o accorciando la sequenza peptidica (3).

I peptidi sintetici comuni effettivamente utilizzati per la coltura 3D sono: i peptidi derivati ​​dal lievito EAK16 e RADA16 (4), i peptidi Fmoc-FF (fluorenilmetossicarbonil-difenilalanina) (5) e Fmoc-RGD (fluorenilmetossicarbonil arginina-glicina-acido aspartico) (6 ). Un singolo derivato di sostituzione acida del peptide MAX1, MAX8, ha dimostrato di essere compatibile con le apparecchiature per la manipolazione dei liquidi, rendendolo adatto per la scoperta di farmaci ad alto rendimento (7).

organoidi

Negli ultimi anni la tecnologia degli organoidi si è rapidamente evoluta fino a diventare una tecnica di coltura 3D che si traduce in cellule 3D auto-organizzanti e autorinnovanti derivate da tessuti primari, cellule staminali embrionali o cellule staminali pluripotenti indotte, che contengono struttura e funzione simili a quelle del tessuto di origine (8). Gli organoidi derivati ​​da cellule umane hanno aperto la strada a modelli fisiologicamente rilevanti per studiare lo sviluppo e la progressione delle malattie umane. I modelli organoidi 3D avanzati si dimostrano inoltre una piattaforma efficace per lo sviluppo di farmaci, economicamente vantaggiosa, con modelli precisi di malattie umane, che non possono essere ricreati in modelli animali (9).

L'applicazione più comune delle colture organoidi è la profilazione del trascrittoma, con tecnologie in evoluzione compatibili per lo screening dei farmaci ad alto rendimento. Gli organoidi renali sono stati studiati negli screening di tossicità, insieme a un modello di fibrosi cistica sviluppato per gli screening farmacologici. Negli ultimi anni sono state sviluppate co-colture di nicchia di cellule staminali intestinali per screening farmacologici ad alto rendimento. Inoltre, i tumeroidi (oranoidi sviluppati da tessuti tumorali specifici del paziente) hanno fornito una piattaforma di coltura 3D più rappresentativa per lo sviluppo di farmaci personalizzati (10).

Riferimenti

  1.  Caliari, SR e Burdick, JA (2016). Una guida pratica agli idrogel per colture cellulari. Naz. Metodi
    13, 405-414.
  2. Worthington, P., Pochan, DJ e Langhans, SA (2015). Idrogel peptidici – matrici versatili per
    Colture cellulari 3D nella medicina del cancro. Davanti. Oncol. 5:92. doi: 10.3389/fonc.2015.00092Worthington, P.,
    Pochan, DJ e Langhans, SA (2015). Idrogel peptidici – matrici versatili per colture cellulari 3D in
    medicina contro il cancro. Davanti. Oncol. 5:92.
  3. Zhang, YS e Khademhosseini, A. (2017). Progressi nell'ingegneria degli idrogel. Scienza
    356:eaaf3627.
  4. Guilbaud, JB, Vey, E., Boothroyd, S., Smith, AM, Ulijn, RV, Saiani, A., et al. (2010). Enzimatico
    sintesi catalizzata e gelificazione innescata di peptidi ionici. Langmuir 26, 11297–11303.
  5. Zhou, M., Smith, AM, Das, AK, Hodson, NW, Collins, RF, Ulijn, RV, et al. (2009). Idrogel autoassemblati a base di peptidi come impalcature per cellule dipendenti dall'ancoraggio. Biomateriali 30, 2523–2530.
  6. Worthington, P., Drake, KM, Li, Z., Napper, AD, Pochan, DJ e Langhans, SA (2017). Idrogel Betahairpin come impalcature per la scoperta di farmaci ad alto rendimento in colture cellulari tridimensionali. Anale. Biochimica. 535, 25–34.
  7. Simian, M. e Bissell, MJ (2017). Organoidi: una prospettiva storica del pensiero in tre
    dimensioni. J. Cell Biol. 216, 31–40.
  8. Dutta, D., Heo, I. e Clevers, H. (2017). Modellazione della malattia in sistemi organoidi 3D derivati ​​da cellule staminali. Tendenze Mol. Med. 23, 393–410.
  9. Langhans SA (2018) Modelli tridimensionali di colture cellulari in vitro nella scoperta di farmaci e nei farmaci
    Riposizionando. Davanti. Farmaco. 9:6.