Ottimizzazione della vitalità cellulare nelle goccioline

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 11304 (2015) Citare questo articolo

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La biofabbricazione prevede comunemente l'uso di goccioline liquide per trasportare le cellule alla struttura stampata. Tuttavia, la vitalità delle cellule dopo l’impatto è scarsamente controllata e compresa, il che ostacola le applicazioni tra cui l’irrorazione cellulare, la biostampa a getto d’inchiostro e il trasferimento cellulare assistito da laser. Qui presentiamo un modello analitico che descrive la vitalità cellulare dopo l'impatto in funzione delle caratteristiche delle goccioline circostanti la cellula. Il modello collega (1) la sopravvivenza cellulare in funzione dell'allungamento della membrana cellulare, (2) l'allungamento della membrana in funzione della dimensione e della velocità delle goccioline contenenti cellule e (3) le proprietà del substrato. Il modello è convalidato mediante misurazioni della vitalità cellulare nell'irrorazione cellulare, che è un metodo per la biofabbricazione e utilizzato per il trattamento delle ferite da ustione. I risultati consentono un'ottimizzazione razionale di qualsiasi tecnologia di deposizione cellulare basata su goccioline e includiamo suggerimenti pratici per migliorare la vitalità cellulare nell'irrorazione cellulare.

La deposizione cellulare basata su goccioline sta ricevendo crescente attenzione come strumento per costruire o riempire una varietà di tessuti biologici. Esempi eclatanti sono il trattamento con spray cellulare delle ustioni1,2 o delle ulcere3, che forniscono una guarigione più rapida e migliorata e sono attualmente introdotti nella pratica clinica. Con un'applicazione di successo, cerchiamo di espanderci ad altre aree cliniche, comprese le procedure laparoscopiche, endoscopiche e artroscopiche4. Ciò apre la possibilità ad una terapia cellulare minimamente invasiva per la rigenerazione dei tessuti. Un secondo esempio è la fabbricazione di sostituzioni di tessuti funzionali in laboratorio, per consentire la cura dei tessuti non funzionali5,6,7. Nelle attuali tecnologie di biofabbricazione, tra cui la biostampa a getto d'inchiostro8,9,10, il trasferimento in avanti indotto dal laser11, la biostampa basata su valvola12,13 e la spruzzatura cellulare2,14,15,16,17, il trasporto cellulare dalla sospensione cellulare iniziale, chiamato "bio -inchiostro”, al tessuto prodotto è ottenuto mediante espulsione e deposizione di goccioline liquide. Sebbene queste tecnologie consentano una deposizione cellulare ad alta vitalità, una produttività limitata, una precisione limitata e bioinchiostri contenenti cellule scarsamente ottimizzati rappresentano i principali ostacoli alla deposizione controllata di cellule, come richiesto per la fabbricazione di tessuti funzionali5,7.

Per risolvere questi problemi e quindi ottimizzare la deposizione cellulare basata su goccioline, è fondamentale la conoscenza della vitalità cellulare in funzione della dimensione delle goccioline contenenti cellule e della velocità di impatto. Idealmente, gli impatti singoli e altamente riproducibili di goccioline contenenti una singola cellula verrebbero monitorati per un'ampia gamma di parametri di impatto (dimensione delle goccioline, velocità e proprietà del materiale). I sistemi drop-on-demand forniscono goccioline altamente riproducibili, ma solitamente lo spazio dei parametri di impatto è relativamente ristretto per i liquidi contenenti cellule utilizzati18,19,20,21,22,23. Pertanto, per studiare la vitalità cellulare post-impatto, utilizziamo la deposizione spray cellulare, che consente una gamma molto più ampia di parametri di impatto. L'influenza sostanziale dei parametri di spruzzo sulla vitalità cellulare post-impatto2,15,16,17,24 suggerisce che la vitalità cellulare può essere controllata, fornendo un sistema modello per valutare la sopravvivenza cellulare dopo l'impatto. Inoltre, lo stress di taglio esercitato sulla cella all'interno dell'ugello di spruzzatura è molto inferiore allo stress di taglio durante l'impatto, il che consente di valutare solo il processo di impatto (per altre tecnologie questo non è il caso, come spiegato nella sezione I supplementare).

Il lavoro attuale mira a comprendere l'influenza dell'impatto delle goccioline sulla vitalità cellulare, che è applicabile sia alle tecnologie drop-on-demand che a quelle di deposizione spray. Introduciamo un modello che descrive la vitalità cellulare in funzione della dimensione delle gocce contenenti cellule, della viscosità e della velocità di impatto. Il modello è validato mediante esperimenti di spray cellulare, seguendo un approccio in due fasi. Innanzitutto, la dimensione delle goccioline e la velocità dell'impatto vengono misurate e utilizzate per ottenere previsioni del modello come descritto. Successivamente, la vitalità cellulare dopo la spruzzatura viene misurata in funzione della pressione dell'aria, della viscosità del liquido, della distanza ugello-substrato e della rigidità del substrato. Viene mostrato che il modello descrive accuratamente le misurazioni della vitalità in funzione dei parametri di input. Questi risultati forniscono un potente strumento per valutare e migliorare razionalmente i trattamenti spray clinici e le applicazioni di ingegneria tissutale.