Engineering of capillary-like structures embedded in hydrogels for 3D cell culture

Abstract

Nowadays, the biggest challenge in tissue engineering consists in developing structures and in the application of strategies to emulate the anatomical and cellular complexity and vascularization of native tissues to maintain cell viability and functionality. The presence of functional blood vessel networks is essential to ensure adequate nutrient flow and oxygen diffusion throughout the support structure, two key requirements for maintaining cell viability. This work aimed to develop a complex in vitro model that mimics the native vascular network. To this end, a multilayered membrane made of six bilayers of chitosan (CHI)/alginate (ALG) or CHI/ALG-RGD (tripeptide of Arginine (R)-Glycine (G)- Aspartic acid (D) responsible for the cellular adhesion to the extracellular matrix (ECM)) were produced via Layer-by-Layer (LbL) assembly technology on the ALG printed structures. The ALG structures coated with the multilayered membranes were embedded in xanthan gum, chemically modified with methacrylated groups in order to obtain a mechanically robust hydrogel structure after photocrosslinking by UV light exposure. The liquification of the ALG printed structures, coated with the CHI/ALG, CHI/ALG-RGD or without the multilayers membranes, with ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), led to the formation of microchannels in which human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were cultured for 24 hours. The obtained results demonstrate that the microchannels encompassing CHI/ALG-RGD multilayered membranes contributed to a larger cellular adhesion, demonstrating their potential to be applied in tissue engineering and regenerative medicine strategies.

Atualmente, o maior desafio em engenharia de tecidos consiste no desenvolvimento de estruturas e aplicação de estratégias que visem mimetizar a complexidade anatómica e celular, assim como a vascularização de tecidos nativos, de forma a manter a viabilidade e funcionalidade das células. A presença de estruturas funcionais à base de vasos sanguíneos é essencial para garantir o fluxo adequado de nutrientes, assim como a difusão de oxigénio em toda a estrutura de suporte, dois requisitos essenciais para manter a viabilidade celular. Este trabalho teve como objetivo desenvolver um modelo complexo in vitro que mimetize a rede vascular nativa. Com esse intuito, membranas multicamadas compreendendo seis bicamadas de quitosana (CHI)/alginato (ALG) e CHI/ALG-RGD (tripéptido de Arginina (R)-Glicina (G)-Ácido aspártico (D) responsável pela adesão de células à matriz extracelular) foram produzidas, via tecnologia de deposição camada-a-camada (do inglês Layer-by-Layer assembly technology), em estruturas impressas de ALG. As fibras de ALG revestidas com os filmes multicamadas foram embebidas em goma xantana, quimicamente modificada com grupos metacrilatos, de modo a obter uma estrutura de hidrogel mecanicamente robusta após foto-reticulação por ação da luz UV. A liquefação das estruturas impressas de ALG, contendo as multicamadas de CHI/ALG ou CHi/ALG-RGD, com ácido etilenodiamino tetra-acético (EDTA), levou à formação de microcanais nos quais se cultivaram células endoteliais humanas, extraídas da veia umbilical durante 24 horas. Os resultados obtidos demonstraram que os microcanais compreendendo as membranas multicamadas à base de CHI/ALG-RGD contribuíram para uma maior adesão celular, demonstrando o seu potencial para estratégias de engenharia de tecidos e medicina regenerativa.