Characterization and functionalization of hydrogels for cell culture

Abstract

Mechanotransduction is the response to and/or the production of mechanical stimuli exerted upon, or by cells, that is coupled to biochemical signals. Cells are surrounded by extracellular matrix (ECM) which has specific mechanical properties and composition depending on the tissue. These components bind to and activate integrins, which results in intracellular signaling that involves the actin cytoskeleton and myosin motor proteins. In neurodegenerative diseases, modifications occur in the ECM composition and rigidity that seem to inhibit oligodendrocyte differentiation and remyelination of the affected area. Oligodendrocytes (OLs) are the myelin-producing cells of the central nervous system (CNS). OL differentiation is modulated by, among other factors, ECM proteins like laminin and fibronectin and by substrate rigidity. Cells also sense substrate stiffness when cultured in vitro. In order to mimic this mechanical component, polyacrylamide platforms were created with defined stiffness, considering the stiffness of the target tissue relevant for this study – the brain. These platforms were functionalized with ECM proteins or small peptides (derived from ECM proteins), that allow to study the impact of these factors on cellular differentiation, in contrast with standard cell culture conditions. The main achievement in this study was to maintain and differentiate oligodendrocytes using a fully defined compliant substrate. Several peptides derived from the laminin-alpha2 chain were used, to provide adhesion to the cells and allow their differentiation. This exploratory study suggests that the peptides under study have a potential to be explored in the future using primary cells and fully evaluate their capacity to modulate oligodendrocyte differentiation, namely to understand which biochemical pathways are involved.

Mecanotransdução é a resposta e/ou a produção de um estímulo mecânico exercido sobre ou por células, que é acoplado a sinais bioquímicos. As células estão rodeadas por matriz extracelular (ECM) que tem propriedades mecânicas e de composição específicas, dependendo do tecido. Estes componentes ligam-se a integrinas e activam-nas, resultando em sinalização intracelular que envolve o citoesqueleto de actina e proteínas motoras. Em doenças neurodegenerativas, são observadas modificações na composição da matriz extracelular e da sua rigidez que pode resultar na inibição de diferenciação de oligodendrócitos e de remielinização das áreas afectadas. Os oligodendrócitos (OLs) são células do sistema nervoso central (CNS) responsáveis pela produção de mielina. A sua diferenciação é modulada por, entre outros fatores, proteínas presentes na matriz extracelular como laminina e fibronectina e pela rigidez do substrato. As células são também sensíveis à rigidez do substrato quando cultivadas in vitro. De forma a mimetizar essa componente mecânica, foram criadas plataformas de poli-acrilamida como substrato com rigidez definida, tendo em consideração o tecido que pretendemos mimetizar - o cérebro. Estas plataformas foram funcionalizadas com proteínas da ECM ou pequenos péptidos presentes nessas mesmas proteínas, permitindo estudar e modular a influência destes mesmos fatores na diferenciação celular, em contraste com condições de cultura standard. A principal novidade deste estudo consiste na manutenção e diferenciação de oligodendrócitos in vitro utilizando um substrato compatível e definido. Foram para isso utilizados péptidos derivados da laminina-alfa2, que promoveram a adesão e diferenciação das células. Este estudo exploratório sugere que os péptidos sob estudo têm potencial para ser utilizados no futuro na modulação da diferenciação de células primárias e perceber qual o papel destes nas vias bioquímicas intracelulares envolvidas.