Hidrogel universal para a formação e Bioimpressão de iPSC

As células tronco de pluripotência induzida (iPSC) foram uma importante quebra de paradigma no cenário científico, rendendo um prêmio nobel para o pesquisador Shinya Yamanaka, que as descobriu. Reportadas primeiramente em 2006, as iPSC podem ser obtidas através de células já diferenciadas que são reprogramadas para regredirem ao estado indiferenciado (não especializado). Células da pele ou sanguíneas, por exemplo, já foram reprogramadas de volta a um estado pluripotente, similar ao embrionário, resultando em uma fonte celular que pode se diferenciar em inúmeros precursores, como sanguíneo, neuronal, pancreático, ósseo, etc (Fig 1).


Fig 1. Esquema representativo do conceito de células tronco de pluripotência induzida (iPSC) [Fonte: Google image].

Por ser uma fonte “ilimitada” de células tronco, as iPSC representam até hoje uma alternativa as fontes tradicionais de células tronco, como as de medula óssea, e tem sido preferencialmente aplicada no estudo de doenças e triagem de fármacos. Muitos estudos, inclusive, as utilizam como matérias-primas na Bioimpressão, a fim de gerar construídos tissulares que antes seriam de difícil biofabricação, como o tecido cerebral.


Apesar do potencial que as iPSC representam, uma das limitações dessa técnica é a baixa eficiência e estabilidade na reprogramação das células, para retornarem ao estágio de células tronco. Para superar essa limitação, um time de pesquisadores desenvolveu um hidrogel universal que permite a formação eficiente de esferoides de iPSC

O hidrogel, denominado PGmatrix-M, é composto pelo peptídeo h9 modificado para assumir um caráter mais hidrofóbico. A alteração na hidrofobicidade foi importante para aumentar a viscosidade, a força e a capacidade de auto reparo do hidrogel (Fig 2).


Fig 2. Morfologia do hidrogel PGmatrix-M vista através da microscopia de força atômica [Retirado de Li et al., 2021].

A densidade de 2x10^5 células foi encapsulada em PGmatrix-M, para a formação dos esferoides de iPSC. Os esferoides formados possuíram o diâmetro final entre 20-50 µm. Ao comparar com as iPSC produzidas em monocamada (2D), os esferoides de iPSC apresentaram maior viabilidade, estabilidade cromossômica e de pluripotência. Ou seja, iPSC cultivadas em 3D indicaram ser melhores fontes de células tronco do que as cultivadas em 2D.


Os autores também compararam o hidrogel desenvolvido (PGmatrix-M) contra o padrão ouro utilizado no cultivo de iPSC (Mebiol). Foi visto que, os esferoides de iPSC cultivados em PGmatrix-M apresentaram maior viabilidade celular, assim como morfologia mais esférica. A estabilidade na morfologia de um cultivo 3D é importante pois diminui a variabilidade experimental, assim como garante a dispensa mais controlada pelo bico de uma Bioimpressora, por exemplo, evitando entupimentos ou falhas estruturais no construído bioimpresso.

Uma vez estabelecido o cultivo bem sucedido dos esferoides de iPSC em PGmatrix-M, os pesquisadores avaliaram se o mesmo hidrogel seria capaz de suportar o processo de Bioimpressão, ou seja, como seria a sua printabilidade (Fig 3). Para isso, a Bioimpressão por extrusão foi realizada e o conjunto PGmatrix-M encapsulado com os esferoides (biotinta), foi avaliado.


Fig 3. Teste de printabilidade do hidrogel PGmatrix-M com 1, 1.5, 3%. (B) A concentração de 3% foi escolhida para o processo de Bioimpressão por suportar diferentes tamanhos e formas geométricas [Retirado de li et al., 2021]

O hidrogel apresentou boa printabilidade, sem comprometimento dos esferoides. A viabilidade dos esferoides pós Bioimpressão permaneceu acima de 95%, sem perda da pluripotência. O hidrogel se mostrou estruturalmente estável e o construído bioimpresso se manteve viável em cinéticas de até 90 dias de cultivo (Fig 3).


Fig 3. Somente o hidrogel impresso (parte superior), construído Bioimpresso contendo hidrogel + esferoides (parte inferior) [Retirado de Li et al., 2021]

Devido a modificação hidrofóbica realizada pelos pesquisadores, o PGmatrix-M foi capaz de ser Bioimpresso sem a necessidade de adicionar qualquer agente reticulante, como UV/ temperatura. Enquanto a grande parte dos estudos utilizam hidrogéis que precisam de algum tratamento para que ele possa ser estruturalmente estável durante o processo de Bioimpressão, o PGmatrix-M consegue suportar um cultivo de alta densidade celular sem perder a sua capacidade de auto recuperar.


O estudo, publicado em julho de 2021, conta com autores líderes na área de Medicina Regenerativa e Engenharia Tecidual, como o renomado pesquisador Anthony Atala, do Wake Forest Institute, e Yu Zhang da Universidade de Harvard.


Referência

LI, Quan; QI, Guangyan; LIU, Xuming; BAI, Jianfa; ZHAO, Jikai; TANG, Guosheng; ZHANG, Yu Shrike; CHEN‐TSAI, Ruby; ZHANG, Meng; WANG, Donghai. Universal Peptide Hydrogel for Scalable Physiological Formation and Bioprinting of 3D Spheroids from Human Induced Pluripotent Stem Cells. Advanced Functional Materials, [S.L.], p. 2104046, 16 jul. 2021. Wiley. http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202104046.

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