Hydrogels voor 3D-celcultuur in de microfluïdica: een overzicht

Hydrogelen worden doorgaans gebruikt als scaffold-materialen voor de immobilisatie van cellen in een microfluïdische chip. Er zijn verschillende strategieën toegepast voor de bereiding van driedimensionale cel-hydrogel-scaffolds. In dit overzicht bespreken we de belangrijkste hydrogelen die kunnen worden gebruikt in microfluïdische systemen en de methoden om deze scaffolds te creëren.

De belangrijkste typen hydrogelen

Alginaat

Alginaat is wijd verspreid in de celwanden van bruinwieren, is亲hydrofiel en vormt een viskeuze gom wanneer het gehydrateerd is. In ons geval vormen alginaten – uit algen verkregen polysachariden – een hydrogel die potentieel kan worden gebruikt voor de synthese van celscaffolds na toevoeging van calciumionen. Alginaat staat erom bekend dat het netvormige structuren vormt, eierdoosstructuren genaamd, in aanwezigheid van tweewaardige metaalkationen zoals calcium en magnesium. Deze hydrogel heeft verschillende interessante eigenschappen, zoals een hoge absorptiecapaciteit en biocompatibiliteit, wat hooggewaardeerde eigenschappen zijn voor klinische of biologische toepassingen. Bovendien maakt de chemische modificatie van alginaat door het introduceren van functionele groepen in de carboxylgroep het tot een slim materiaal vanwege de reactiviteit op licht, temperatuur en hypersonische verstoringen. De adhesie van alginaat aan cellen kan ook worden verbeterd door de introductie van celadhesiemoleculen in de zijketens. Alginaat is toegepast in de vorm van isotrope hydrogelen.

Matrigel

De extracellulaire matrix van de cellen bestaat voor een groot deel uit collageen. Terwijl 3D-kweek de onderzoekswereld al enkele jaren revolutioneert, heeft ook de mogelijkheid om een 3D-matrix na te bootsen aan terrein gewonnen. Zo maakt het merk Corning Matrigel® dit hoogstandje mogelijk. Matrigel®, dat hoofdzakelijk uit collageen bestaat, stelt cellen inderdaad in staat om hun oorspronkelijke morfologie te behouden in een 3D-scaffolding die een geschikte omgeving biedt om het functionele fenotype van deze cellen te behouden.

Gelatine

De smelttemperatuur van gelatine is 40°C. Boven deze temperatuur bevinden de gelatineketingen zich in kluwenvorm. De gelatinea oplossing bevindt zich in een viskeuze vloeibare fase, de zogenaamde "sol"-fase. Onder 30°C vindt een renaturatie plaats van de oorspronkelijke driedubbele helixstructuur, en vormen de ketens opnieuw een driedimensionaal netwerk van helixsegmenten die verbonden zijn door enkelstrengs kluwens. Gelatine gedraagt zich dan elastisch en bevindt zich in de zogenaamde "gel"-fase. De overgang tussen de kluwens en de helices is volledig omkeerbaar en de overgang van de ene fase naar de andere wordt de "sol-gel"-overgang genoemd. Vanwege al deze fysische eigenschappen is gelatine, net als de hierboven gepresenteerde hydrogelen, een materiaal bij uitstek voor celinkapseling.

Mengsel van hydrogelen

Hoewel elk van deze hydrogelen zijn eigen kenmerken heeft en afzonderlijk kan worden gebruikt om cellen in te kapselen, is de beste oplossing een mengsel van hydrogelen. In de microfluïdica is het niet ongebruikelijk om alginaat te combineren met matrigel, bijvoorbeeld om druppels die cellen bevatten te geleren. Deze combinatie van hydrogel zorgt er met name voor dat de celfusie en celspreading toenemen [de Guzman et al. 2008 J. Microencapsul].

Methoden om een 3D-scaffold te creëren in de microfluïdica

Het geleringsmechanisme van een hydrogel kan soms complex zijn, wat de bereiding en hantering van gels gecompliceerd maakt. Eigenlijk zijn er 3 hoofdmethoden om een 3D-scaffold te realiseren in de microfluïdica: de 'forced-floating'-methode, de 'hanging drop'-methode en de op agitaties gebaseerde methode. In de onderstaande tabel vindt u alle voor- en nadelen van deze 3 methoden.

Tabel 1. Voorgestelde voor- en nadelen van verschillende 3D-celkweekmethoden. Overgenomen en aangepast op basis van Breslin en O’Driscoll, 2013, Drug Discovery Today.