Riparazione e guarigione della pelle: ricerca sui bioink di collagene e polisaccaridi

Ricercatori australiani e cinesi continuano la recente tendenza a esplorare gli usi della stampa 3D e della bioprinting per la rigenerazione dei tessuti e la guarigione delle ferite, rivedendo le ultime ricerche e tecniche in ” Progressi nella ricerca di bioink a base di collagene naturale, polisaccaride e loro derivati ​​per la pelle Bioprinting 3D ” .

Una volta danneggiata, l’epidermide può diventare fragile e deve essere guarita il più rapidamente possibile, specialmente per i pazienti più anziani. Agendo come protezione per tutto il corpo, la pelle è in realtà considerata un organo e il più grande di tutti. Mentre un semplice graffio o una lieve bruciatura possono guarire rapidamente, lesioni più gravi possono essere fatali, con gli autori che hanno sottolineato nella loro recensione che circa 300.000 persone muoiono ogni anno a causa di ustioni, con milioni di altre persone che soffrono a causa di vari livelli di trattamento. Dopo un grave trauma alla pelle, molti trattamenti oggi includono:

autografts
allotrapianti
Sostituto della pelle
Terapia cellulare
Terapia con citochine
Tuttavia, questi trattamenti spesso non sono sufficienti e possono comportare tempi di guarigione prolungati, trattamenti proibitivi e altre lesioni secondarie. Il bioprinting, tuttavia, offre risultati positivi nell’ingegneria dei tessuti, e soprattutto poiché oggi continuano numerose ricerche in innumerevoli aree, come la semina di fibroblasti , la fabbricazione di impalcature per aiutare nella rigenerazione ossea e lo studio di una varietà di materiali per idrogel . In questa recensione, gli autori hanno approfondito i tipi specifici di bioink più adatti per la riparazione della pelle.

“La selezione del bioink appropriato è importante in quanto influenzerà la struttura generale e le risposte cellulari”, hanno spiegato gli autori nell’introduzione al loro articolo.

“In particolare, l’idrogel di collagene viene comunemente utilizzato per la riparazione della pelle, perché il collagene è il polimero naturale a base proteica più abbondante nel tessuto cutaneo ed è un componente principale della matrice extracellulare nativa (ECM), il che significa che è in grado di fornire un microambiente favorevole “.

Nella creazione di bioink, i biomateriali come il collagene vengono solitamente rafforzati con miscele e compositi nel tentativo di replicare la pelle umana. La sfida è imitare:

Anatomia nativa
Fisiologia della pelle
Tessuto circostante

Rappresentazione schematica dei principali requisiti relativi alla bioprinting 3D per la rigenerazione della pelle. La pelle artificiale è stata stampata con tecnologie di bioprinting a getto d’inchiostro, laser, estrusione o stereolitografia (SLA) con un bioink incapsulante cellulare, che consiste di biomateriali, cellule costituenti, cellule staminali e molecole di segnalazione, o bioink acellulare che contiene solo biomateriali. La proprietà meccanica della pelle artificiale è stata migliorata aggiungendo il reticolante e alcuni farmaci o bioestratto sono stati aggiunti per ottenere la pelle multifunzionale per la guarigione delle ferite, come antinfiammatoria e antibatterica. Abbreviazioni: KC: cheratinociti, FB: fibroblasti; MC: Melanociti, SC: Cellule staminali, dECM: Matrice extracellulare decellularizzata

La pelle stampata in 3D può essere applicata sulla ferita stessa o coltivata per il trapianto in seguito.

Il processo di base della skin per bioprinting 3D. Varie cellule come cheratinociti, fibroblasti e melanociti vengono raccolte dal paziente e coltivate in un sistema di coltura cellulare. Un biomateriale adatto viene miscelato con le cellule e il bioink formato viene alimentato al sistema di bioprinting. Quindi la pelle viene stampata con la tecnologia di bioprinting 3D appropriata secondo il modello 3D che viene catturato dalla ferita utilizzando approcci CAD / CAM. La pelle stampata potrebbe essere stampata direttamente sulla superficie della ferita o coltivata in condizioni appropriate per ottenere la pelle matura per il trapianto. Adattato da [22] con licenza di accesso aperto.

I ricercatori utilizzano una varietà di tecniche diverse, tra cui:
Bioprinting a getto d’inchiostro
Bioprinting laser
Bioprinting di estrusione
Bioprinting stereolitografico
Bioprinting microfluidico

Confronto di cinque tipi di tecniche di bioprinting.

Nella maggior parte dei bioprinting, i ricercatori cercano stampabilità, biocompatibilità e mancanza di tossicità, buona adesione cellulare e proprietà meccaniche adeguate. Il collagene è spesso usato a causa della sua somiglianza con la pelle; tuttavia, la resistenza meccanica e l’adesione cellulare sono spesso inferiori, lasciando i ricercatori a impiegare additivi.

Vengono spesso utilizzati anche altri materiali, come:

Gelatina
alginato
Fibrina
Acido ialuronico
Il chitosano
Pectina

Metodi di reticolazione e tempo degli idrogel comunemente usati per la bioprinting cutaneo.

Principali fattori di crescita, citochine e chemochine che partecipano alla guarigione delle ferite.

Poiché il bioink deve imitare il più possibile l’ECM, i ricercatori devono spesso adattarlo per una migliore sostenibilità delle cellule.

Bioink decellularized extracellular matrix (dECM) per bioprinting cutaneo. (A) Analisi qualitativa con H&E, tricromia di Masson e colorazione DAPI (a sinistra) e analisi quantitativa (a destra) del bioink dECM derivato dalla pelle, tra cui collagene, GAG, elastina, acido ialuronico e DNA, che ha indicato che rimuove con successo i componenti cellulari dal tessuto cutaneo nativo. (B) Fotografie rappresentative (a sinistra) di equivalenti cutanei in vitro stampati con cellule 3D, valori di resistenza elettrica per ciascun gruppo (S-HSE è il gruppo che utilizza il bioink dECM derivato dalla pelle, e gli altri sono il gruppo di controllo) (al centro) e le proteine espressioni (a destra) del gruppo S-HSE il giorno 10 dopo la cultura ALI. Involucrin (IVL): marcatore di differenziazione epidermica precoce; cheratina 10 (K10): marcatore di differenziazione epidermica tardiva. (C) Fotografie rappresentative dei tessuti della ferita della pelle il giorno 21 (gap della ferita, linee nere mostrano le distanze tra i bordi delle ferite in avanzamento) (a sinistra) e le aree della ferita rispetto a quelle originali, indicando la pelle bioprinted basata sulla guarigione della ferita accelerata con bioink dECM. Riprodotto con il permesso di [122]; copyright Elsevier, 2018. (D) Fotografie dei moduli di riscaldamento superiore e inferiore installati nelle apparecchiature di stampa 3D (a sinistra) e diagramma concettuale delle condizioni di non riscaldamento e di riscaldamento (a destra). (E) Analisi qualitativa (in basso) e quantitativa (in alto) delle attività cellulari in diverse condizioni di riscaldamento. attività in diverse condizioni di riscaldamento. Riprodotto da [23] con licenza di accesso aperto. indicando la pelle bioprinted basata sulla guarigione della ferita accelerata con bioink dECM. Riprodotto con il permesso di [122]; copyright Elsevier, 2018. (D) Fotografie dei moduli di riscaldamento superiore e inferiore installati nelle apparecchiature di stampa 3D (a sinistra) e diagramma concettuale delle condizioni di non riscaldamento e di riscaldamento (a destra). (E) Analisi qualitativa (in basso) e quantitativa (in alto) delle attività cellulari in diverse condizioni di riscaldamento. attività in diverse condizioni di riscaldamento. Riprodotto da [23] con licenza di accesso aperto. indicando la pelle bioprinted basata sulla guarigione della ferita accelerata con bioink dECM. Riprodotto con il permesso di [122]; copyright Elsevier, 2018. (D) Fotografie dei moduli di riscaldamento superiore e inferiore installati nelle apparecchiature di stampa 3D (a sinistra) e diagramma concettuale delle condizioni di non riscaldamento e di riscaldamento (a destra). (E) Analisi qualitativa (in basso) e quantitativa (in alto) delle attività cellulari in diverse condizioni di riscaldamento. attività in diverse condizioni di riscaldamento. Riprodotto da [23] con licenza di accesso aperto. (E) Analisi qualitativa (in basso) e quantitativa (in alto) delle attività cellulari in diverse condizioni di riscaldamento. attività in diverse condizioni di riscaldamento. Riprodotto da [23] con licenza di accesso aperto. (E) Analisi qualitativa (in basso) e quantitativa (in alto) delle attività cellulari in diverse condizioni di riscaldamento. attività in diverse condizioni di riscaldamento. Riprodotto da [23] con licenza di accesso aperto.

L’uso di polimeri per la miscelazione continua a suscitare l’interesse degli scienziati in quanto in alcuni casi sono in grado di abbinare meglio la pelle umana. La reticolazione è importante anche per la stabilità della struttura, con i bioink acellulari e incapsulanti nelle cellule “che svolgono un ruolo critico”.
“Nonostante i progressi nell’uso delle cellule della pelle (cheratinociti, fibroblasti e melanociti) e delle cellule staminali multipotenti (ADSC, MSC) nella bioprinting dei costrutti dei tessuti della pelle, l’uso di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) può offrire maggiori opportunità nella bioprinting della pelle” hanno concluso i ricercatori. “Inoltre, i progressi nella bioprinting cutaneo possono anche venire dalla co-coltura di varie cellule che si trovano di solito negli strati cutanei e nei tessuti correlati tra cui cheratinociti, fibroblasti, periciti, cellule neurali e cellule del legamento.

“In futuro, è fondamentale progettare la pelle perfettamente funzionale mediante strutture di bioprinting che imitano da vicino l’anatomia e la fisiologia native della pelle e dei tessuti circostanti.”

Diagramma schematico della bioprinting 3D. (A) Le bioprinter a getto d’inchiostro piezoelettrico formano impulsi mediante pressione piezoelettrica per forzare le goccioline dall’ugello, mentre le bioprinter termiche utilizzano impulsi di pressione dell’aria prodotti da una testina di stampa che viene riscaldata elettricamente. (B) Le bioprinter laser utilizzano il laser focalizzato su un substrato assorbente per generare pressioni che spingono il bioink su un substrato di collettore. (C) Le bioprinters di estrusione utilizzano sistemi di erogazione pneumatica, a pistone o a vite per estrudere sfere continue di bioink. (D) Le bioprinter stereolitografiche utilizzano un proiettore di luce digitale per reticolare in modo selettivo il bioink piano per piano. Le immagini (A) – (D) sono state adattate con il permesso di [66]; copyright journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2019. (E) Diagramma schematico della tradizionale bioprinting 3D del processo inverso di taglio delle patate; laser (B), getto d’inchiostro (A), l’estrusione (C), la stereolitografia (D) sembrano essere l’assemblaggio di patate da purè di patate (a), patate a dadini (b), patate filari (c) e fogli di patate (d), rispettivamente. (F) Le bioprinter microfluidiche utilizzano un dispositivo a base microfluidica per estrudere un foglio di biopolimero con un preciso controllo spazio-temporale sulla proporzione componente del bioink. (a) Illustrazione della proposta skin printer per la formazione di un sostituto cutaneo popolato da cellule in una cartuccia per stampante microfabricata e applicazione in vivo. L’immagine (Fa) è stata riprodotta con il permesso di [51]; copyright Chemical and Biological Microsystems Society, 2013. (b) Rendere l’immagine della bioprinter portatile. O1 una maniglia, O2 un motore passo-passo per definire la velocità di deposizione, O3 due moduli pompa a siringa di bordo che controllano le portate della soluzione di bioink e cross-linker, O4 bioink, Soluzione reticolante O5, supporto per siringa O6, cartuccia microfluidica O7 stampata in 3D per l’organizzazione spaziale delle soluzioni e la formazione del foglio. L’immagine (Fb) è stata riprodotta con il permesso di [65]; copyright Royal Society of Chemistry, 2018.

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