Eukaryote cellen in levende weefsels kunnen belangrijke fysiologische processen beïnvloeden, zoals apoptose en celmigratie op basis van dynamische patroonvorming met ruimtelijk variërende oriëntaties. Echter, het is nog een uitdaging om een ​​vooraf ontworpen kaart van oriëntatieorde op een groeiend weefsel in het laboratorium te projecteren. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Taras Turiv en een onderzoeksteam in chemische fysica, geavanceerde materialen en biomedische wetenschappen aan de Kent State University, Ohio, ONS., heeft een nieuwe benadering uitgewerkt om celmonolagen van menselijke dermale fibroblasten te produceren. Ze ontwierpen de oriëntatiepatronen en topologische defecten met behulp van een foto-uitgelijnd vloeibaar kristalelastomeer (LCE) dat anisotroop opzwol in een waterig medium. Het team schreef de patronen in de LCE in, en de weefselmonolaag repliceerde de patronen om sterke variaties in celfenotypes (grootte en vorm) te veroorzaken, hun oppervlaktedichtheid en aantal dichtheidsfluctuaties. De nieuwe benadering kan het collectieve gedrag van cellen in levende weefsels tijdens celdifferentiatie en weefselmorfogenese regelen voor brede toepassingen in bio-engineering en regeneratieve geneeskunde.

Cellen die levende weefsels vormen, vertonen vaak oriëntatievolgorde wanneer ze in nauw contact staan ​​vanwege de onderlinge uitlijning van anisometrische cellen. De richting van de gemiddelde oriëntatie kan variëren in ruimte en tijd om topologische defecten te produceren die bekend staan ​​als disclinaties. Dergelijke defecten kunnen in het weefsel bewegen om een ​​belangrijke rol te spelen tijdens druk-dilatatieve spanningen en processen, inclusief dode celextractie. Het vermogen om een ​​weefselscaffold van levende cellen te ontwerpen met oriëntatie en controle is belangrijk voor biomedische onderzoekers om levende materie te onderzoeken en te manipuleren. Wetenschappers hebben al geordende celassemblages geproduceerd op lithografisch vervaardigde oppervlakken, inclusief de randen van microkanalen, in microgroeven en oppervlakken met materiaalstijfheidsgradiënten. In dit werk, Turiv et al. ontworpen weefsels met een hoge mate van oriënterende orde en vooraf bepaalde ruimtelijk variërende richting, gebaseerd op een sjabloon van regisseurpatronen op LCE-substraten. Het team gebruikte menselijke dermale fibroblast (HDF) cellen als de bouweenheden van het sjabloonweefsel.

Fibroblasten zijn de meest voorkomende bindweefselcellen van zoogdieren en ze behouden meestal een platte langwerpige vorm met belangrijke rollen tijdens weefselherstel en -herstructurering, evenals wondgenezing. Wetenschappers kunnen deze cellen herprogrammeren tot pluripotente stamcellen voor veelbelovende toepassingen in diagnostiek en therapie. In dit werk, de gecombineerde effecten van celzaaien en deling van gedessineerde HDF-weefsels op vooraf ontworpen LCE-substraten produceerden confluente weefsels. De gestructureerde LCE had een duidelijke impact op het weefsel, waar ze het uitlijningspatroon en de ruimtelijke verdeling van cellen controleerden, hun dichtheid, schommelingen, en fenotype. De van een patroon voorziene LCE toonde locaties van topologische defecten in weefsels door anisotrope oppervlakte-interacties op vooraf bepaalde locaties. Omdat de cellulaire uitlijning en topologische defecten biochemische processen op microschaal kunnen beheersen, dit werk opent de mogelijkheid om oppervlakken te ontwerpen voor gecontroleerde weefselpatronen om ze te ontwerpen voor specifieke functies.

Tijdens de experimenten, Turiv et al. ondersteunde het LCE-substraat door een glasplaat en bedekte het met indiumtinoxide (ITO) om de oppervlakteruwheid te verminderen, gevolgd door een laag lichtgevoelige azokleurstof te coaten en uiteindelijk het substraat te bedekken met een waterig medium van celcultuur. De oppervlaktekorrels op het materiaal dienden als geleidingsrail voor HDF-cellen. Toen de HDF-cellen in celkweek werden gesuspendeerd, ze leken rond maar nadat ze in het substraat waren gezet, ze ontwikkelden een langwerpig uiterlijk. De wetenschappers registreerden samenvloeiing (groei) resultaten van gecombineerde effecten van celzaaien. De resultaten toonden aan dat de oriëntatievolgorde optrad als gevolg van directe interacties tussen cellen en het LCE-substraat. De substraten hielpen zowel lichamen als kernen van HDF-cellen uit te lijnen als een belangrijk kenmerk voor veel celfuncties, waaronder eiwitexpressie, beweeglijkheid, stofwisseling en differentiatie.

De HDF-cellen op LCE organiseerden zichzelf in uitgelijnde assemblages volgens vooraf opgelegde aanwijzingen. Het team merkte op dat het gedrag van cellen en celdichtheid varieerde naarmate ze defectkernen en andere topologische inconsistenties (gebogen type defecten of splay-type defecten) op de LCE-substraten naderden. The substrates markedly impacted the HDF cells that were in contact with each other, resulting in collectively strong differences in the size and shape of cells. The marked differences indicated the influence of the predesigned patterns on the HDF cell phenotype (size and shape). Based on additional results, Turiv et al. credited the number density fluctuations in tissues to be influenced by the surface charge of director patterns and studied the issue in detail in a larger surface area.

Op deze manier, Taras Turiv and colleagues showed the dynamics and propagation of defects in patterned tissues and how they could be halted through surface anchoring forces. The scientists used LCE substrates with photopatterned structures of varying molecular orientations to grow biological tissues with predesigned cell alignment. The substrates affected cell alignment as well as cell surface density and cell phenotypes. The team noted higher density of cells in defect cores with positive topological charge, while cell density was lower near negative defects. The cells mechanistically aligned to the substrates by swelling upon contact with the aqueous cell culture medium, followed by aligning to predesigned photopatterned direction. This approach will allow materials scientists and bioengineers to design biological tissues with predetermined cell alignment and precise location of orientational defects. The outcomes can facilitate controlled cell migration, differentiation. and apoptosis. The work can be further optimized to advance the understanding of fundamental mechanisms underlying tissue development and regeneration.

© 2020 Wetenschap X Netwerk