En general, los hidrogeles se han utilizado como materiales de soporte para la inmovilización de células en un chip microfluídico. Se han empleado diferentes estrategias para la preparación de soportes tridimensionales de células y hidrogeles. En esta revisión, analizamos los principales hidrogeles que pueden utilizarse en sistemas microfluídicos y los métodos empleados para crear estos soportes.
Los principales tipos de hidrogeles
Alginato
El alginato está ampliamente presente en las paredes celulares de las algas pardas; es hidrófilo y, al hidratarse, forma una goma viscosa. En nuestro caso, los alginatos —polisacáridos derivados de las algas— que forman el hidrogel pueden utilizarse potencialmente para la síntesis de un andamio celular tras la adición de iones de calcio. Se sabe que el alginato forma estructuras reticuladas, denominadas «estructuras de caja de huevos», en presencia de cationes metálicos divalentes, como el calcio y el magnesio. Este hidrogel presenta varias características interesantes, como su elevada capacidad de absorción y su biocompatibilidad, cualidades muy apreciadas para aplicaciones clínicas o biológicas. Además, la modificación química del alginato mediante la introducción de grupos funcionales en el grupo carboxílico lo convierte en un material inteligente debido a su reactividad a la luz, la temperatura y las perturbaciones hipersónicas. La adhesión del alginato a las células también puede mejorarse mediante la introducción de moléculas de adhesión celular en las cadenas laterales. El alginato se ha aprovechado en forma de hidrogeles isotrópicos.
Matrigel
La matriz extracelular de las células está compuesta en gran parte por colágeno. Así, mientras que el cultivo en 3D lleva ya varios años revolucionando el mundo de la investigación, la posibilidad de recrear una matriz tridimensional también ha ido ganando terreno. En este sentido, la marca Matrigel® de Corning hace posible esta hazaña. De hecho, el Matrigel®, compuesto principalmente por colágeno, permite que las células mantengan su morfología original en un andamio tridimensional, lo que proporciona un entorno adecuado para conservar el fenotipo funcional de dichas células.
Gelatina
La temperatura de fusión de la gelatina es de 40 °C. Por encima de esta temperatura, las cadenas de gelatina adoptan una forma enrollada. La solución de gelatina se encuentra en una fase líquida viscosa, denominada fase «sol». Por debajo de los 30 °C, se produce una renaturalización de la estructura nativa de triple hélice, y las cadenas vuelven a formar una red tridimensional de segmentos helicoidales conectados por bobinas de una sola cadena. La gelatina se comporta entonces de forma elástica y se encuentra en la denominada fase «gel». La transición entre las espirales y las hélices es completamente reversible, y el paso de una fase a otra se denomina transición «sol-gel». Por todas estas propiedades físicas, la gelatina es, al igual que los hidrogeles presentados anteriormente, un material idóneo para la encapsulación celular.
Mezcla de hidrogeles
Aunque cada uno de estos hidrogeles tiene sus propias características y puede utilizarse por separado para encapsular las células, la mejor solución es una mezcla de hidrogeles. En microfluídica, no es raro combinar alginato con Matrigel, por ejemplo, para gelificar gotitas que contienen células. De hecho, esta combinación de hidrogeles permite, en particular, aumentar la extensión celular [de Guzmán et al. 2008, J. Microencapsul].
Métodos para crear andamios tridimensionales en microfluídica
El mecanismo de gelificación de un hidrogel puede resultar a veces complicado, lo que dificulta la preparación y la manipulación de los geles. De hecho, existen tres métodos principales para obtener un andamio tridimensional en microfluídica: el método de flotación forzada, el método de la gota suspendida y el método basado en la agitación. En la siguiente tabla se recogen todas las ventajas y desventajas de estos tres métodos.
| Método | Ventajas | Desventajas |
| Enfoque de «flotación forzada»: impedir que las células se adhieran a su superficie | -Relativamente sencillo – Barato -Apto para ensayos de alto rendimiento -Los esferoides producidos son fácilmente accesibles | – Variabilidad en el tamaño y la forma de las células si no se especifica un número fijo de células por pocillo -El recubrimiento de placas «hazlo tú mismo» requiere relativamente mucho trabajo |
| método de gota suspendida: favorece el crecimiento celular en suspensión | -Es económico si se utiliza una placa estándar de 96 pocillos – Esferoides homogéneos adecuados para ensayos de alto rendimiento -Los esferoides producidos son fácilmente accesibles | -Resulta más caro si se utilizan placas especializadas -Requiere mucho trabajo si se preparan las placas internamente -El reducido volumen del cultivo dificulta el cambio de medio sin alterar las células (se propone un manejo más sencillo con formatos disponibles en el mercado) |
| Enfoque basado en la agitación: estimular que las células se adhieran entre sí para formar esferoides tridimensionales | – Fácil de cultivar en cultivo celular – La producción a gran escala es relativamente fácil de llevar a cabo – El movimiento de la cultura favorece el transporte de nutrientes – Los esferoides producidos son fácilmente accesibles | – Se requiere equipamiento especializado – No se puede controlar el número de células ni el tamaño del esferoide (esto se puede solucionar con una etapa de cultivo adicional; véase «Métodos de flotación forzada») – Requiere mucho tiempo para el HTS debido al paso adicional necesario para obtener esferoides homogéneos – Células que podrían estar expuestas a fuerzas de cizallamiento en los matraces giratorios (lo cual podría resultar problemático para las células sensibles) |
Tabla 1. Ventajas e inconvenientes propuestos de los distintos métodos de cultivo celular en 3D. Extraído y adaptado de Breslin y O’Driscoll, 2013, Drug Discovery Today.
Cultivo celular en 3D: ventajas y desventajas
[…] sintéticos (fabricados, por ejemplo, con cerámica o polímeros) o naturales, como los componentes extracelulares y los hidrogeles, para recrear el entorno de un órgano tanto desde el punto de vista mecánico como […]