Generalmente, gli idrogel sono stati impiegati come materiali scaffold per l'immobilizzazione cellulare all'interno di un chip microfluidico. Sono state adottate diverse strategie per la preparazione di scaffold tridimensionali cellula-idrogel. In questa rassegna, trattiamo i principali idrogel utilizzabili nei sistemi microfluidici e i metodi impiegati per realizzare tali scaffold.
I principali tipi di idrogel
Alginato
L'alginato è ampiamente distribuito nelle pareti cellulari delle alghe brune; è idrofilo e forma una gomma viscosa quando viene idratato. Nel nostro caso, gli alginati – polisaccaridi derivati dalle alghe – formano l'idrogel e possono potenzialmente essere impiegati per la sintesi di scaffold cellulari dopo l'aggiunta di ioni di calcio. È noto che l'alginato forma strutture reticolate denominate strutture a scatola d'uovo in presenza di cationi metallici bivalenti come calcio e magnesio. Questo idrogel presenta diverse caratteristiche interessanti, quali l'elevata capacità di assorbimento e la biocompatibilità, requisiti estremamente ricercati per applicazioni cliniche o biologiche. Inoltre, la modifica chimica dell'alginato mediante l'introduzione di gruppi funzionali nel gruppo carbossilico lo rende uno smart material grazie alla sua reattività alla luce, alla temperatura e alle sollecitazioni ipersoniche. L'adesione dell'alginato alle cellule può inoltre essere migliorata introducendo molecole di adesione cellulare nelle catene laterali. L'alginato è stato sfruttato sotto forma di idrogel isotropi.
Matrigel
La matrice extracellulare delle cellule è composta in gran parte da collagene. Di conseguenza, mentre le colture 3D rivoluzionano il mondo della ricerca già da diversi anni, si è fatta strada anche la possibilità di ricreare una matrice 3D. In questo contesto, il Matrigel® del marchio Corning rende possibile tale impresa. Infatti, il Matrigel®, composto principalmente da collagene, consente alle cellule di preservare la loro morfologia originaria all'interno di uno scaffold 3D, fornendo un ambiente appropriato per mantenere il fenotipo funzionale delle cellule stesse.
Gelatina
La temperatura di fusione della gelatina è di 40°C. Al di sopra di questa temperatura, le catene di gelatina si trovano in forma di coil. La soluzione di gelatina si trova in una fase liquida viscosa, denominata fase "sol". Al di sotto di 30°C si verifica una rinaturazione della struttura a tripla elica nativa e le catene formano nuovamente un network tridimensionale di segmenti elicoidali collegati da coil a singolo filamento. La gelatina si comporta quindi in modo elastico, trovandosi nella cosiddetta fase "gel". La transizione tra i coil e le eliche è completamente reversibile e il passaggio da una fase all'altra è definito transizione "sol-gel". In virtù di tutte queste proprietà fisiche, la gelatina rappresenta, al pari degli idrogel precedentemente presentati, un materiale d'elezione per l'incapsulamento cellulare.
Miscela di idrogel
Sebbene ciascuno di questi idrogel possieda le proprie peculiarità e possa essere utilizzato singolarmente per incapsulare le cellule, la soluzione ottimale consiste in una miscela di idrogel. In microfluidica non è insolito combinare l'alginato con il Matrigel, ad esempio per gelificare gocce contenenti cellule. Questa associazione di idrogel permette infatti di incrementare, tra le altre cose, lo spreading cellulare [de Guzman et al. 2008 J. Microencapsul].
Metodi per creare uno scaffold 3D in microfluidica
Il meccanismo di gelificazione di un idrogel può talvolta rivelarsi complesso, rendendo difficoltose la preparazione e la manipolazione dei gel. In realtà, esistono 3 metodi principali per realizzare uno scaffold 3D in microfluidica: il metodo del galleggiamento forzato (forced-floating), il metodo della goccia sospesa (hanging drop) e il metodo basato sull'agitazione. Nella tabella seguente sono riepilogati tutti i vantaggi e gli svantaggi di questi 3 metodi.
| Metodo | Vantaggi | Svantaggi |
| approccio del galleggiamento forzato: impedisce alle cellule di aderire alla superficie | -Relativamente semplice -Economico -Adatto per test ad alto rendimento (high-throughput) -Gli sferoidi prodotti sono facilmente accessibili | -Variabilità nelle dimensioni e nella forma delle cellule se il numero di cellule per pozzetto non è costante -Il rivestimento delle piastre fai-da-te (DIY) richiede un lavoro relativamente intenso |
| approccio della goccia sospesa: supporta la crescita cellulare in sospensione | -Economico se si utilizzano piastre standard da 96 pozzetti -Sferoidi omogenei adatti per test ad alto rendimento (high-throughput) -Gli sferoidi prodotti sono facilmente accessibili | -Più costoso se si utilizzano piastre specializzate -Impegnativo in termini di manodopera se le piastre vengono preparate internamente -Il volume di coltura ridotto rende difficile il cambio del medium senza disturbare le cellule (è proposta una manipolazione più agevole con formati disponibili in commercio) |
| approccio basato sull'agitazione: incoraggia le cellule ad aderire tra loro per formare sferoidi 3D | -Semplice per la coltura cellulare – Produzione su larga scala relativamente semplice da realizzare – Il movimento della coltura favorisce il trasporto dei nutrienti – Gli sferoidi prodotti sono facilmente accessibili | – Richiesta di apparecchiature specializzate – Assenza di controllo sul numero di cellule o sulle dimensioni dello sferoide (problematica superabile con una fase di coltura aggiuntiva; si vedano i "Metodi di galleggiamento forzato”) – Processo dispendioso in termini di tempo per l'HTS a causa della fase supplementare richiesta per ottenere sferoidi omogenei – Possibile esposizione delle cellule a forze di taglio nei bioreattori a beuta (spinner flask), aspetto che potrebbe risultare problematico per cellule sensibili |
Tabella 1. Vantaggi e svantaggi proposti per i diversi metodi di coltura cellulare 3D. Estratto e modificato da Breslin e O’Driscoll, 2013, Drug Discovery Today.
Coltura cellulare 3D: vantaggi e svantaggi
[…] sintetici (realizzati ad esempio in ceramica o polimeri) o naturali, come componenti extracellulari e idrogel, per ricreare l'ambiente di un organo sia a livello meccanico che […]