Micropatterned 3D Hydrogel System to Study Endothelial-Mesenchymal Stem Cell Interactions

Uno dei principali obiettivi della ricerca nel campo dell’ingegneria dei tessuti è la pre-vascolarizzazione dei tessuti ingegnerizzati, in quanto il trasporto dei nutrienti alle cellule è essenziale per sostenere la loro funzione in vivo. Nonostante sia provato che le cellule endoteliali insieme con le cellule del tessuto connettivo circondante sono i costituenti integrali per la formazione dei vasi sanguigni stabili, la sorgente cellulare più appropriata e le condizioni di cultura ottimali per ottenere reti vascolari ingegnerizzate devono ancora essere determinati. Sono stati individuati diversi tipi di cellule che possono costituire le pareti dei vasi sanguigni. In questo studio sono state utilizzate cellule staminali mesenchimali isolate da sorgenti diverse, come dalla vena e dall’arteria ombelicale, e sono state paragonate con quelle isolate dal midollo osseo. Le cellule isolate dalla vena e dall’arteria ombelicale hanno un fenotipo cellulare simile a quello delle cellule mesenchimali staminali derivate da midollo osseo e hanno il potenziale di differenziare in tessuto adiposo e osseo. Nel nostro studio presentiamo un modello innovativo, basato sulla tecnologia del “micropattering”, ideale per studiare la co-cultura di cellule endoteliali e cellule mesenchimali derivanti da sorgenti diverse. La microtecnologia ha permesso di avere il controllo preciso del microambiente cellulare, sfruttando la possibilità di poter localizzare le cellule mesenchimali nei canali a varie distanze dalle cellule endoteliali dentro il sistema tridimensionale del gel di fibrina. Le distanze tra i canali erano 500, 1000 e 2000 µm. La ramificazione di cellule derivanti da sorgenti diverse è stata monitorizzata entro i primi tre giorni, a partire dall’incapsulazione, per dimostrare l’eventuale effetto chemotattico esistente tra i due diversi tipi cellulari con il variare della distanza tra di loro. La lunghezza dei singoli prolungamenti cellulari è stata misurata come la distanza di migrazione di cellule mesenchimali staminali verso le cellule endoteliali. I risultati ottenuti dimostrano che le cellule mesenchimali da midollo osseo e dalla arteria ombelicale rispondono in modo dipendente dalla distanza, quindi più piccola era la distanza tra le due sorgenti cellulari, maggiore era la migrazione delle cellule; mentre le cellule derivanti dalla vena ombelicale hanno migrato verso le cellule endoteliali in modo indipendente dalla distanza che c’era tra di loro. Inoltre, le cellule endoteliali incapsulate nel gel tridimensionale sono capaci di creare delle reti vascolari formate da strutture tubolari, che sono stabilizzate in presenza delle cellule mesenchimali. Nel nostro studio, la formazione delle reti vascolari è dipendente dal sorgente di cellule staminali mesenchimali. Dopo due settimane di coltura, le cellule staminali mesenchimali dal midollo osseo hanno dimostrato la maggiore stabilizzazione delle reti vascolari, promuovendo strutture tubolari ben definite, lunghe e ramificate. Le cellule derivate dalla vena e dall’arteria ombelicale, invece, non hanno avuto lo stesso effetto sulle cellule endoteliali. Il modello qui presentato è un approccio innovativo di studiare le comunicazioni tra diversi tipi cellulari, a varie distanze, senza l’uso di un’attrezzatura complicata e costosa. Questo stesso modello potrebbe essere usato in altre numerose applicazioni e ci permette di studiare le interazioni importanti tra tipi cellulari differenti variando delle condizioni del loro microambiente.