2.5 încapsularea celulelor
încapsularea celulelor sau capacitatea biomaterialelor de a reține celulele pentru transplant este esențială pentru supraviețuirea celulelor transplantate și efectele lor terapeutice să aibă loc. Pe lângă atașarea celulară la suprafața biomaterialului, suspensia celulară în hidrogeluri 3D este, de asemenea, o strategie viabilă. Biomaterialele care sunt în mod obișnuit transformate în hidrogeluri includ colagen, fibrină, acid hialuronic (HA), chitosan, alginat și poli(etilen glicol) (Peg) (Ford și colab., 2006; Hatami și colab., 2009; McCreedy și colab., 2014; Mosahebi și colab., 2003; Thompson și colab., 2018; Zahir și colab., 2008). În ultimii ani, hidrogelurile au atras multă atenție ca matrice internă pentru conducta de ghidare nervoasă. Hidrogelurile pot fi, de asemenea, utilizate ca schele de sine stătătoare, în special pentru SCI, deoarece proprietățile lor mecanice se potrivesc îndeaproape cu ECM-ul măduvei spinării native (Macaya și Spector, 2012; Madigan și colab., 2009). Prin compararea diferitelor macro-arhitecturi utilizate pentru SCI, s-a arătat că proiectele de cale deschisă au avut performanțe mai bune decât proiectele închise, cum ar fi cilindrul, tubul și multicanalul, care au afectat negativ țesutul înconjurător, dublând lungimea defectului (Wong și colab., 2008). Având în vedere că măduva spinării are ambele conexiuni longitudinale (adică tractul spinocerebelar, tractul corticospinal etc.), precum și conexiunile laterale între diferite tipuri de interneuroni și neuroni motori, este preferabilă extinderea neuritei către toate direcțiile (Friedman și colab., 2002; Kiehn și Butt, 2003). Proprietățile inerente ale hidrogelilor, cum ar fi macroporos și moale, permit schimburi de molecule, adeziune celulară și migrație care ar putea fi benefice regenerării neuronale (Macaya și Spector, 2012; Madigan și colab., 2009; Novikova și colab., 2006; Xie și colab., 2009; Yuan și colab., 2004). Un alt avantaj major al hidrogelurilor este injectabilitatea lor. Materialele injectabile se pot conforma cu ușurință formei cavității leziunii în SCI. Acest lucru elimină necesitatea de a găzdui schele cu geometrie definită, care poate implica îndepărtarea țesutului sănătos din jurul locului leziunii. Materialul injectabil trebuie să se solidifice în condiții fiziologice, de obicei în câteva minute, pentru a menține încapsularea celulelor transplantate.
Mai mulți parametri de proiectare trebuie luați în considerare pentru hidrogelurile care sunt utilizate ca platforme de livrare a celulelor (Macaya și Spector, 2012; Shoichet și colab., 2007). După cum sa discutat anterior, porozitatea, rezistența mecanică și rata de degradare sunt parametri importanți de proiectare pentru Biomateriale. Timpul de gelificare este, de asemenea, critic pentru transplantul de celule. În general, un proces relativ rapid de gelificare sau reticulare în condiții ușoare este preferat pentru a menține localizarea celulelor încapsulate și/sau a agenților terapeutici și pentru a evita deteriorarea suplimentară la locul leziunii. Deoarece majoritatea hidrogelurilor se intersectează fie prin declanșatoare chimice, fie fizice, celulele transplantate trebuie să poată supraviețui în aceste condiții. Reticulatorul chimic poate fi citotoxic, în timp ce declanșatorii fizici pot implica deplasarea celulelor în condiții non-fiziologice (temperatură, pH) care nu sunt favorabile supraviețuirii lor. Inițiatorii chimici și reticulatorii necesari pentru formarea hidrogelurilor nu ar trebui să aibă un impact negativ asupra populațiilor de celule transplantate. În special pentru hidrogelurile injectabile, reticulatoarele chimice nu pot fi spălate in vivo sau stinse înainte de implantare. Metodele comune de reticulare chimică includ polimerizarea inițiată foto, reticulare enzimatică și moleculară. Polimerizările inițiate foto implică adesea utilizarea luminii ultraviolete (UV) cu o moleculă foto-inițiator. În timp ce această metodă permite gelificarea rapidă, lumina UV și foto-inițiatorul pot induce apoptoza (Hynes și colab., 2007). Pentru hidrogelurile reticulate enzimatice, efectele enzimelor asupra tipurilor de celule transplantate trebuie luate în considerare și investigate (Yang și colab., 2016). Reticulatoarele moleculare prezintă avantajul modulului de forfecare și a ratei de degradare (Sundararaghavan și colab., 2008); cu toate acestea, ele pot fi, de asemenea, citotoxice în funcție de concentrație și de tipurile de celule încapsulate (Barker și colab., 1980; Liang și colab., 2003). Strategiile comune de reticulare fizică includ temperatura, reticulare Ionică, și sisteme de auto-asamblare. Avantajul declanșatorilor fizici este că aceștia pot apărea adesea în soluții apoase. Parametrii importanți de luat în considerare sunt modificările drastice ale temperaturii și pH-ului care pot induce moartea celulelor (Gillette și colab., 2008; Wang și colab., 2008). O clasă importantă de hidrogeluri de auto-asamblare este hidrogelul de subțiere a forfecării. Cerințele cheie pentru hidrogelurile de subțiere a forfecării sunt capacitatea de a curge sub presiune modestă, gel rapid după injecție și de a menține o rezistență mecanică suficientă în timpul procesului de implantare. Gelificarea lentă poate duce la sedimentarea celulelor transplantate și a medicamentelor. Important, metodele fizice de reticulare duc adesea la hidrogeluri slabe, cu moduli variind de la zeci la sute de Pa. Această gamă corespunde rezistenței mecanice a măduvei spinării, făcându-le potrivite pentru repararea SCI. Cu toate acestea, o astfel de rezistență mecanică ar putea să nu fie suficientă pentru repararea PNI.
o altă problemă potențială cu utilizarea hidrogelurilor este dacă axonii regeneratori și celulele de susținere pot remodela eficient hidrogelurile pentru a fi un mediu permisiv de creștere. Studiile anterioare care au folosit hidrogeluri au arătat că regenerarea nervilor periferici pe termen lung pentru defectul subcritic la șoareci (5 mm) a fost compromisă din cauza impedimentului fizic reprezentat de hidrogelurile solide (Madison și colab., 1987; Valentini și colab., 1987). Acest lucru poate evidenția importanța remodelării matricei folosind proteaze, cum ar fi metaloproteinaza matricială (MMP) 9, pentru regenerarea eficientă (Nordstrom și colab., 1995; Shubayev și Myers, 2004). Studii suplimentare au explorat efectele compoziției matricei de colagen asupra diferențierii ESC murine. Mai exact, concentrația de colagen afectează capacitatea corpurilor embrioide din CES, de a se diferenția în interiorul schelei (Battista și colab., 2005). La concentrații mari de colagen, celulele nu au putut migra și au devenit apoptotice, indicând o concentrație optimă de matrice pentru migrarea celulelor și contactul celulă–celulă este necesar pentru supraviețuirea și diferențierea celulelor stem.
