Biofunctionalized liquefied capsules as three dimensional basement membranes to promote vascularization and tissue integration

Abstract

In the last years, liquid-core microcapsules composed by a permselective polyelectrolyte membranes have been successfully explored as self-regulated compartmentalized biosystems for bone and cartilage regeneration, allowing the confinement of biological cargo while enabling the diffusion of essential molecules for cell survival. Taking the advantage of the unique liquefied environment, we propose a novel design of capsule-shaped membranes that could mimic the composition, structure and biofunctions of the in vivo basement membrane. Basement membranes are a type of extracellular matrix present between epithelial or endothelial and connective tissues. This highly conserved network, composed mainly by laminin and type IV collagen connected by nidogen, heparan sulfate proteoglycans and other molecules, functions as a natural scaffold for tissue formation, compartmentalizing and providing mechanical support for the surrounding cells as well as modulating their behaviour through sequestrating/releasing key molecules. Inspired on the natural biochemical and biophysical properties of the in vivo basement membrane, liquid-core microcapsules composed by a basement membrane protein multilayered shell were successfully constructed by resorting to electrohydrodynamic atomization for the production of the alginate templates and layer-by-layer technique to assembly type IV collagen and laminin buildingup the basement membrane shell. These mimetic-like capsule-shaped membranes have shown to act as a permselective barrier allowing diffusion of nutrients and other essential molecules, while preventing cell migration due to their larger size. Apart from physical barrier and compartmentalized functions, these biomimetic compartmentalized systems have exhibited interwoven nanofibrous networks that supported cell attachment. We foresee the application of these 3D capsule-shaped basement membranes as contributors to angiogenesis and vascularization approaches as well as in vitro screening models.

Nos últimos anos, microcápsulas liquefeitas compostas por membranas de polieletrólitos com permeabilidade seletiva têm sido exploradas com sucesso como biossistemas compartimentalizados com autorregulação para a regeneração óssea e cartilaginosa, permitindo o confinamento do material biológico ao mesmo tempo que possibilita a difusão de moléculas essenciais para a sobrevivência celular. Aproveitando a vantagem do ambiente liquefeito único, propomos um novo design de membranas em forma de cápsula que podem mimetizar a composição, estrutura e biofunções da membrana basal in vivo. As membranas basais são um tipo de matriz extracelular presente entre os tecidos epitelial ou endotelial e conjuntivo. Esta rede altamente conservada, composta principalmente por laminina e colagénio tipo IV ligados por nidogénio, proteoglicanos de sulfato de heparano e outras moléculas, funciona como uma plataforma natural para a formação de tecidos ao compartimentalizar e fornecer suporte mecânico às células circundantes, bem como modular o seu comportamento por meio de sequestro / liberação de moléculas. Inspiradas nas propriedades bioquímicas e biofísicas naturais da membrana basal in vivo, as microcápsulas liquefeitas compostas por uma membrana de multicamadas de proteínas da membrana basal foram construídas com sucesso. Para tal recorreu-se à atomização electrohidrodinâmica, para a produção gotas de alginato, e à técnica de layer-by-layer para montagem das camadas de colagénio tipo IV e laminina. Estas membranas em forma de cápsula que mimetizam a membrana basal têm mostrado atuar como uma barreira com permeabilidade seletiva, ao permitir a difusão de nutrientes e outras moléculas essenciais, enquanto evita a migração celular. Além da barreira física e da compartimentalização, estes sistemas biomiméticos exibiram redes nanofibrosas entrelaçadas que forneceram suporte estrutural para fixação de células endoteliais. Prevemos a aplicação dessas membranas basais em forma de cápsula 3D como contribuintes para estudos de angiogénese e vascularização, bem como modelos de triagem in vitro.