Frontiers in Materials

Extracellular Matrix

De interacties tussen extracellulaire matrix (ECM) eiwitten en cellen spelen een belangrijke rol in cytoskelet organisatie, celgroei, cel migratie, en weefselontwikkeling (Zhong et al., 1998; Sternlicht en Werb, 2001; Stevens en George, 2005). De ECM bevat afgescheiden moleculen die de celmicro-omgeving vormen. De hoofdbestanddelen van de ECM zijn een netwerk van hydrofiele, uitgebreide gels van glycosaminoglycanen (GAG’s) en vezeleiwitten, waaronder elastine, collagenen, laminine en fibronectine, die met elkaar in verbinding staan via inter- en intramoleculair specifieke bindingsdomeinen. GAG’s, zoals heparansulfaat, chondroïtinesulfaat en keratansulfaat, zijn sterk gezwollen koolhydraatpolymeren die aan ECM-eiwitten vastzitten om proteoglycanen te vormen. De GAG’s kunnen via osmose water vasthouden om de groeifactoren, de ECM en de cellen gehydrateerd en actief te houden. GAG-moleculen kunnen een breed scala aan biologische activiteiten reguleren, waaronder angiogenese, ontwikkelingsprocessen, tumormetastase en bloedstolling (Kim et al., 2011). Collagenen, bijvoorbeeld, zijn het meest voorkomende eiwit in de ECM en maken 90% uit van het eiwitgehalte van de botmatrix. Collagenen zijn in de ECM aanwezig als fibrillaire eiwitten en vormen een structurele steiger voor de huisvesting van cellen. Structureel wordt collageen opgebouwd uit procollageen, dat bestaat uit drie linkshandige schroeflijnen. Het vezelige procollageen is zo gerangschikt dat het een verlengde superhelixstructuur vormt met een diameter van ongeveer 1,5 nm en een lengte van 300 nm. De procollagenen kunnen zich in vivo en in vitro spontaan assembleren tot fibrillen met een lengte tot enkele microns, een breedte van 10 tot 500 nm en een periodiciteit van 67 nm. De aggregatietoestanden en ruimtelijke distributie van collagenen blijken de cellulaire ontwikkeling te moduleren, en signalering via integrineherkenning (Hui et al., 2008; Huang et al., 2010a).

Fibronectinen zijn glycoproteïnen die cellen hechten aan collageenscaffolds in de ECM, waardoor cellen kunnen migreren door de ECM. Bij de organisatie van de basale structuur van het ECM-netwerk en de controle van het celgedrag is de aanhechting van fibronectinen aan collagenen dan ook bijzonder cruciaal (roekelmann et al., 1991; Dalton et al., 1995). In genezende wonden, bijvoorbeeld, brengen fibroblasten hoge niveaus van gladde spieractine, procollageen, en fibronectine tot expressie. Het is aangetoond dat fibronectine een mediator is voor celaanhechting aan collageen. Celhechting aan de ECM is dus belangrijk voor de daaropvolgende gedragingen van differentiatie en proliferatie (Ingber, 2003). In de in vitro omgeving worden cellen op kweekoppervlakken uitgezaaid en al snel kunnen zij zich aanpassen aan hun omgeving door geschikte ECM-eiwitten, zoals fibronectine, uit te scheiden om de oppervlakken te hermodelleren voor een betere verspreiding en adhesie. De intermoleculaire interacties in ECM veranderen dynamisch met de cellulaire activiteiten. Dit complexe proces is gerelateerd aan de kweekomgeving, met inbegrip van het kweekmedium, geadsorbeerde eiwitten, het onderliggende substraat en de celtypes. Het is gebleken dat voldoende fibronectine vereist is voor celadhesie en -spreiding op met collageen afgezette oppervlakken (Grinnell en Minter, 1978; Dewez et al., 1999). Bovendien domineren de oppervlakte-eigenschappen van de onderliggende substraten de adhesie van de eiwitten, wat leidt tot verschillende oppervlakte-inhouden, conformatie en concentratie van de gedeponeerde eiwitten. Opgemerkt moet worden dat traditionele kweeksystemen, zoals glas, en weefselkweek polystyreen, die niet-specifieke eiwitadsorptie vergemakkelijken, niet in staat zijn om de interacties tussen cellen en een overeenkomstige component/eiwit in de ECM definitief te onderzoeken.

De meeste zoogdiercellen kunnen gewoon in vitro groeien wanneer zij gehecht zijn aan oppervlakken met afzetting van de ECM-eiwitten. De ECM biedt meer dan structurele en mechanische ondersteuning, implicaties in stamcel niches, ontwikkelingspatronen, en kanker vooruitgang. De fysische eigenschappen van de ECM kunnen ook een kritieke rol spelen in het signaleringsproces. ECM-structuren kunnen rekbaar en flexibel zijn, en de verschillende mechanische spanningen kunnen cryptische sites opleggen, die verder zouden kunnen reageren met hun receptoren of groeifactoren. Wat de mechanische eigenschappen betreft, kan de ECM verschillende graden van elasticiteit en stijfheid bezitten, van hard botweefsel tot zachte hersenen, naar gelang van hun constitutie, concentraties en crosslinking-structuren. De elasticiteit van de ECM kan verschillende orden van grootte bereiken, wat een belangrijke rol blijkt te spelen bij de controle van talrijke celfuncties, zoals cellulaire contractie, celproliferatie, migratie, differentiatie en celdood (Discher et al., 2005; Engler et al., 2006). Bovendien werd ontdekt dat de nanostructuren van ECM-eiwitten de activiteiten van een cel aanzienlijk kunnen beïnvloeden (Koyama et al., 1996; Jones et al., 1997; Huang et al., 2010a). Type I collageen vormt in de natuur spontaan een helixstructuur. Na behandeling met hitte en zuur wordt de regelmatige driedimensionale structuur van collageen vernietigd (gedenatureerd collageen of gelatine). Verrassend genoeg bevordert het gedenatureerde collageen de cellulaire spreiding en proliferatie van gladde spiercellen (SMC) ten opzichte van wild type collageen (natief collageen). In een mechanistisch onderzoek werd voorgesteld dat natief collageen de fosforylering van cycline-afhankelijk kinase 2 (Cdk2) en cycline E-geassocieerd kinase onderdrukt, terwijl de niveaus van de Cdk2-remmers p21Cip1/waf1, en p27Kip1 toenemen (Koyama et al., 1996). Het effect bleek de groei van pulmonale stamcellen in het primaire kweeksysteem te controleren (Huang et al., 2010a). Het systeem omvatte stromacellen, pulmonale stamcellen, en type I collageen. Wanneer de fibrillaire omvang van collageen toeneemt, nemen de proliferatie en verspreiding van mesenchymale stromale cellen af, wat leidt tot remming van de groei van primaire neonatale longcellen (Huang et al., 2010a). Daarom dienen mesenchymale stromale cellen als nichecellen om het vernieuwingsvermogen van pulmonale epitheliale stamcellen direct te reguleren.

Dynamische functionele biointerfaces

Om de herkennings- en regulatiemechanismen tussen de ECM en cellen beter te begrijpen, zijn verschillende modelsystemen opgezet op basis van functionele zelfgeassembleerde monolagen (SAM’s) (Roberts et al., 1998; Xiao et al., 1998; Rezania et al., 1999). De SAM’s van alkanethiolaten op goudoppervlakken kunnen mengsels van arginine-glycine-aspartaat (RGD) en oligo(ethyleenglycol) (OEG) verbindingen bevatten. RGD is een tripeptide dat celadhesie bevordert door binding aan integrinereceptoren op de celoppervlakte, terwijl OEG typisch wordt gebruikt om niet-specifieke adsorptie van eiwitten en cellen tegen te gaan. De fractie en de structuren van de RGD-tripeptidegroepen maakten manipulatie van het celadhesiegedrag mogelijk. De systemen maakten de opheldering van de complexe biologische activiteiten tot op zekere hoogte mogelijk. Zoals hierboven vermeld, kunnen de mechanische eigenschappen en de moleculaire interacties tussen ECM-componenten (d.w.z. fibronectine-collageen en GAG-collageen) in de micro-omgevingen de cellulaire activiteiten echter in belangrijke mate bepalen. Bovendien kan de relatief statische liganden op de oppervlakken niet weerspiegelen de dynamiek op cel-ECM contacten.

Omdat eiwit depositie op het oppervlak in een willekeurige manier zal falen om de interactie met cellen te definiëren, is een goed gekarakteriseerd platform nodig. Met het oog op de cellulaire activiteiten in weefsels te onderzoeken, moet een dergelijk platform vertonen meerdere functies, zoals mogelijkheden om specifieke liganden immobiliseren, misleidende cellulaire activiteiten geïnduceerd uit geadsorbeerde niet-doelwit eiwitten te voorkomen, en om uitgebreide en gehydrateerde ECM-achtige structuur te presenteren. Aldus worden de functionaliseerbare en niet-fouling eigenschappen van substraten substantieel als platform voor celgroei. Onder de vele niet-biofouling materialen die sterk eiwit niet-specifieke adsorptie (Ishihara et al., 1998; Chen et al., 2010; Jiang en Cao, 2010) kan weerstaan, worden lipide-gebaseerde materialen gedacht dat de beste voor biologische systemen, omdat ze een celmembraan-achtige micro-omgeving voor het onderzoeken van cel-cel en cel-biomateriaal interacties. In het bijzonder, de complexe cel-cel en cel-biomateriaal interacties zijn zeer dynamisch met een breed scala van biomoleculen in een spatiotemporele gecontroleerde wijze, zoals complexe intracellulaire signalering processen en structurele reorganisatie. Deze kunnen niet worden uitgevoerd door statische SAM-systemen. Om de complexiteit van het celmembraan en de bijbehorende processen in vitro te kunnen volgen, worden dynamische synthetische materialen ontwikkeld waarbij controle over ligandkarakteristieken zoals mobiliteit, dichtheid en presentatie mogelijk is. De modelcelmembranen, supported lipid bilayers (SLBs), bieden een bottom-up benadering om dynamische functionele bio-interfaces te construeren om zelfassemblage en ligand mobiliteit, presentatie en distributie op bepaalde locaties mogelijk te maken (Kocer en Jonkheijm, 2018). Daarom ligt de focus van dit artikel op het ontwikkelen van cel-ECM contacten met behulp van functionele SLBs om het complexe dynamische gedrag op te helderen om de belangrijkste kenmerken van de celmembranen en hun interacties met ECMs te exploiteren. Gebaseerd op SLBs, hebben studies een gefunctionaliseerde SLB gemodificeerd met kleine moleculen, zoals RGD peptide (Svedhem et al., 2003; Jensen et al., 2004; Ochsenhirt et al., 2006) en epidermale groeifactor (Nam et al., 2006) voor controles over cellulaire reacties geconstrueerd. Echter, om de reikwijdte en de complexiteit van de micro-omgeving te verbreden, kan een biomimetisch systeem geconstrueerd door conjugatie van ECM-eiwitten aan een gefunctionaliseerde SLB meer van toepassing zijn om de interacties tussen ECM-componenten en cellen te illustreren. De vloeibaarheid, gradiënt, mechanische eigenschappen, nanostructuren, inter-moleculaire (b.v. collageen-fibronectine) en intra-moleculaire (b.v. collageen-fibrillogenese) interacties van ECM-componenten op SLB’s kunnen worden gedefinieerd en geëvalueerd om de werkelijke cellulaire reacties in de micro-omgeving te onderzoeken, waardoor dit type celkweekplatform zich onderscheidt van andere platforms op vaste stoffen, zoals kunststoffen, metalen, oxiden en SAM’s. Daarom biedt SLB een robuust platform met unieke eigenschappen die vergelijkbaar zijn met het celmembraan, zoals non-fouling, hydratatie, laterale diffusie, en de mogelijkheid om de ruimtelijke locatie en dichtheid van liganden te controleren voor een groot potentieel in de medische wetenschap en engineering (Sackmann, 1996; Groves et al., 2001).

Extracellular Matrix-Supported Lipid Bilayer Systems

Het pionierswerk van de biomimetische celkweek systeem op basis van een ECM-geconjugeerde SLB werden uitgevoerd door de groep van Chang (Huang et al., 2010b). Zij construeerden een biomimetisch platform door type I collageen op SLB’s te functionaliseren om te dienen als substraat om de celcultuur te verifiëren en het celgedrag te onderzoeken, De functionaliseerbare lipide blaasjes samengesteld uit 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-fosfoethanolamine-N-(glutaryl) (DP-NGPE) en 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-fosfocholine (POPC) werden afgezet op een SiO2 substraat om SLB’s te vormen (figuur 1). De molaire fractie van DP-NGPE, een met carbonzuur gefunctionaliseerde fosfolipide, in de SLB’s werd gevarieerd van 0 tot 40%. Om de type I collageen-gefunctionaliseerde lipide bilaag samenstelling te maken, werden natief type I collageen moleculen in de kamer gebracht om te reageren geactiveerd DP-NGPE lipiden en stabiele collageen-lipide conjugaten te vormen met amide bindingen door amine koppeling chemie. De bindingskinetiek van de eiwitimmobilisatie en de filmeigenschappen van filmdikte, visco-elasticiteit, conformatie en vloeibaarheid werden gecontroleerd met behulp van een kwartskristalmicrobalans met dissipatie (QCM-D), atomaire-krachtmicroscopie (AFM), en fluorescentieherstel na fotobleken (FRAP). De resultaten toonden aan dat het collageen dat adsorbeerde op gefunctionaliseerde SLB’s met een hoog percentage DP-NGPE hun oppervlaktemassa, visco-elasticiteit, en zelfassemblage in fibrillaire structuren verhoogde. De gegevens van FRAP gaven aan dat de laterale lipidenmobiliteit tot 20% verminderd was na de koppeling van type I collageen aan de SLB’s. Gladde spiercellen (A10) verspreid en groeide op de collageen-functionalized platform in een regelmatige manier, in tegenstelling tot de POPC / DG-NGPE bilaag zonder collageen en de kale POPC lipide bilaag. De eenvoudige bottom-up biomimetische systeem, met belangrijke bestanddelen van het plasmamembraan en de ECM, bieden de mogelijkheid om cellulaire erkenning en reactie op ECM-elementen en fysieke aanwijzingen te onthullen.

Naast de punt-opgeloste studie, werden evolutionaire cellulaire reacties op het ECM-SLB systeem onderzocht door dezelfde groep (Huang et al., 2010c). In de studie werden de biomimetische ECM micromilieus vervaardigd door type I collageen en/of fibronectine te conjugeren op de functionaliseerbare SLB’s die geactiveerde DP-NGPE bevatten (figuur 2). De eiwit-geconjugeerde systemen werden kwantitatief gekarakteriseerd door QCM-D in termen van oppervlakte massa, visco-elasticiteit, en collageen-fibronectine interacties. De vertraging van de mobiliteit van de SLB na eiwitconjugatie en celkweek werd aangetoond met FRAP. NIH 3T3 fibroblasten werden gekweekt op de ECM-SLB constructen en op met zuurstofplasma behandeld polystyreen (PSo) voor een parallelle vergelijking. Op de ECM-SLB-culturen werd het grootste aantal cellen en de grootste verspreiding van fibroblasten gevonden op de met fibronectine afgezette SLB’s. Op de met ECM beklede PSo konden echter geen dergelijke onderscheidbare verschillen tussen alle eiwitgehalten worden waargenomen. Bovendien toonden immunofluorescente kleuringgegevens aan dat het adsorptieniveau van fibronectine, endogeen geproduceerd door 3T3 cellen, op PSo gebaseerde oppervlakken duidelijk hoger was dan dat op SLB-gebaseerde platforms. De bevindingen benadrukken de belangrijke rol van de anti-fouling aard van de onderliggende SLBs in het voorkomen van 3T3 cellen van remodeling effectief hun micro-omgeving. Integendeel, cellen kunnen gemakkelijk remodelleren door de niet-specifieke adsorptie van ECM-eiwitten op de op PSo gebaseerde platforms. Bijgevolg kan de ECM-SLB platform worden gebruikt voor het monitoren en reguleren van cellulaire specifieke reacties op ECM samenstellingen en de daaropvolgende signalering gebeurtenissen met extracellulaire environments.

Cho’s groep onderzocht het gedrag van cellen op lage stijfheid SLB gefunctionaliseerd met ofwel fibronectine of type I collageen via amine koppeling chemie (Vafaei et al., 2017a). Traditioneel vertonen plastic celkweekplaten een extreem stijf substraat, dat niet de echte mechanische stijfheid kon weerspiegelen die cellen ervaren in fysiologische micro-omgevingen. Recentelijk zijn elastomeren, zoals polydimethylsiloxaan (PDMS), gebruikt om brede stijfheidsregimes te moduleren om veel belangrijke inzichten te verschaffen in de rol van mechanische eigenschappen van de ECM in cellulaire reacties (Engler et al., 2006). Niettemin bieden de SLB systemen mogelijkheden om toegang te krijgen tot de zachtste en meest vloeibare interfaces om celactiviteiten in een fysiologische omgeving te monitoren. De lipide blaasjes samengesteld uit een zwitterionische 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-fosfatidylcholine (DOPC) en DP-NGPE, die vervolgens werden afgezet op SiO2 dekglaasjes door het oplosmiddel geassisteerde lipide bilaag (SALB) formatie methode (Tabaei et al., 2014; Vafaei et al., 2017b). Anders dan de conventionele vesicle fusion methode, die de spontane adsorptie en breuk van fosfolipide vesicles met zich meebrengt, en beperkt is tot slechts een subset van lipide samenstellingen en vaste dragers (Huang et al., 2010a,b,c), is de SALB vorming methode gebaseerd op het omgekeerde fase verdampingsfenomeen en impliceert lipide depositie op een hydrofiel vast oppervlak in een alcohol (Tabaei et al., 2014). De SALB-methode is met succes toegepast op een grote verscheidenheid van substraten, zoals Au, Al2O3, en grafeen, die hardnekkig zijn voor de conventionele methode (Tabaei et al., 2014; Jackman et al., 2015). De ECM-eiwitten van type I collageen en fibronectine werden chemisch geconjugeerd op SALB-geassisteerde SLB’s. De QCM-D studies werden uitgevoerd en vonden dat ECM’s op SLB minder dicht zijn en een hogere structurele flexibiliteit hebben dan wanneer geadsorbeerd op SiO2 (Vafaei et al., 2017b).

Daarnaast werd het SLB-gebaseerde substraat met lage stijfheid gefunctionaliseerd met type I collageen of fibronectine voor celaanhechtingsstudies (Vafaei et al., 2017a). De laterale vloeibaarheid van de SLB werd fijn afgesteld door de molaire fractie van DP-NGPE en cholesterol in de SLB te regelen. Specifieke aanhechting van cellen op de bilaag, uit de fluorescentiebeelden, werd aangegeven door een verrijking van de ECM-eiwitten en het verschijnen van een zone van depletie rond de cellen. Op de bilagen met een hoog cholesterolgehalte vertoonde >10% van de cellen een depletie van hetzij fibronectine of collageen. Dit wordt toegeschreven aan de verminderde laterale beweging van ECM-eiwitten, die wordt gecontroleerd door de viscositeit van de onderliggende bilaag. Daarom biedt het ECM-SLB-platform met toevoeging van cholesterol een bereik van substraatstijfheid voor potentiële biomedische toepassingen die celadhesie vereisen aan oppervlakken met extreem lage stijfheid, zoals neuronale weefsels.

Voor de ontwikkeling van een platform dat de celmicro-omgeving beter nabootst, werd een SLB gefunctionaliseerd met natuurlijke gedecellulariseerde extracellulaire matrix (dECM), die 3D-ultrastructuur behouden en de overleving en hechting van menselijke hepatocyten Huh 7,5 ondersteunen (figuur 3) (Vafaei et al, 2018). Het dECM werd geëxtraheerd uit kadavers van muizen en werden gedecellulariseerd met behulp van een mengsel van chloroform/methanoloplossing. Het dECM bevat GAG’s, collageen en fibronectine. De dECM-componenten werden met behulp van aminekoppelingschemie chemisch verbonden aan de SLB die DP-NGPE en DOPC bevat. QCM-D werd gebruikt om de vorming van de bilaag en de kinetiek van de daaropvolgende afzetting van dECM te controleren. Resultaten van FRAP bevestigden de vloeibaarheid van het membraan na functionalisering met dECM. Het platform ondersteunt de overleving en aanhechting van de cellen, en handhaaft de representatieve hepatocellulaire functie. Opvallend is dat de laterale clustering en organisatie van groeifactorreceptoren en celbindende liganden in aanwezigheid van weefselafgeleide dECM-componenten met het rijke biochemische profiel werden waargenomen op het platform.

Hao et al. rapporteerden het effect van de mechanische eigenschappen van een ECM-SLB op de differentiatie van neurale stamcellen (NSC’s) (Hao et al., 2018). SLB’s werden gebruikt als een kweekplatform om de dynamische eigenschappen van de vloeibare ECM na te bootsen. De vloeibaarheid van SLBs werd fijn gevarieerd door de oppervlakte-eigenschappen van de substraten. De SLB’s bevatten 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-fosfoethanolamine-N-(7-nitro-2-1, 3-benzoxadiazol-4-yl) (NBD-PE), 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-fosfocholine (DMPC), en 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-fosfoethanolamine-N-(succinyl) (Succinyl-PE). Uit de FRAP-metingen blijkt dat SLB op met piranha behandeld glas (P-SLB) een grotere vloeibaarheid vertoont dan SLB op met cholesterylchloroformaat getether-modificeerd glas (CC-SLB) of chitosan-modificeerd glas (Cs-SLB). Bovendien was de vloeibaarheid van CC-SLB iets lager dan die van Cs-SLB. Fibronectine werd vervolgens fysisch geadsorbeerd aan de SLB’s op verschillende substraten. De resultaten gaven aan dat het gedrag van de NSC’s sterk gerelateerd was aan de vloeibaarheid van de SLB’s. Verbeterde focale adhesie, een uitgerekte en verlengde cellulaire morfologie, een dicht netwerk van stress vezels, en verhoogde neuronale differentiatie werden waargenomen op de SLB met lage vloeibaarheid. Daarentegen werden minder focale adhesievorming, een ronde cellulaire morfologie, onrijpe stressvezels en meer astrocytendifferentiatie gevonden op de SLB met hoge vloeibaarheid. In mechanistische studies toonden ze aan dat activering van FAK-MEK/ERK signaalwegen een belangrijke route is naar de verbeterde focale adhesievorming en uiteindelijk de neuronale differentiatie van NSC’s op de SLB met lage vloeibaarheid bevorderde. Het werk verschafte inzicht in het effect van de dynamische ECM op stamcelgedrag en verbetert de werkzaamheid van stamceltoepassingen.

Tethered liposomen op SLB’s zijn vastgesteld voor DNA-hybridisatie (Benkoski en Hook, 2005; Yoshina-Ishii et al., 2005), biotine-streptavidine binding (Patel et al., 2009), en medicijnafgifte (Tseng en Chang, 2012). De gebonden liposoom systemen werden toegepast voor de reconstitutie van membraaneiwitten om eiwit-lipide en eiwit-eiwit interacties te bestuderen, evenals de inkapseling van eiwitten voor detectie van enkele biomolecule. Een biomimetische constructie met ECM-SLB’s werd gevormd met polyethyleenglycol (PEG), fibronectine en cholesterol-bevattende liposomen (Tseng en Chang, 2012). De SLB’s werden gemaakt van functionele 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-fosfoethanolamine-N-cap-biotinyl (b-PE) en zwitterionische POPC. De in het geneesmiddel ingekapselde liposomen werden geïmmobiliseerd door de biotine-streptavidine interactie (figuur 4). Het liposoom-SLB-construct dient als multifunctioneel platform voor geneesmiddelvrijgave en celhechting. De vorming van het fibronectine-liposoom-SLB modelplatform werd in situ gevolgd met QCM-D. De uitstekende stabiliteit van de aan het oppervlak gebonden liposomen op SLB’s werd vastgesteld met behulp van een ingekapselde fluorescerende probe. Hieruit blijkt dat < 20% van de fluorescente probe-inhoud in 8 dagen werd vrijgegeven. HeLa-cellen werden gekweekt op het fibronectine-liposoom-SLB-platform om de cellulaire interacties te onderzoeken. De fibronectine bleek van cruciaal belang te zijn om de HeLa-celadhesie op de platforms te verbeteren. Daarom werden de liposomen, na celadhesie, ruimtelijk gereorganiseerd en door de cellen opgeslokt. De oppervlaktedichtheid van doxorubicine-geladen liposomen bepaalt apoptose van HeLa-cellen, wat de effectiviteit van medicijnafgifte door de liposomen bevestigt. Daarom kan het multifunctionele modelplatform gunstig zijn als vooraf toegediend, gecontroleerd afgiftesysteem voor cel- en weefselgebaseerde assays.

Naast de ECM-eiwitten hebben GAGs meerdere functies in weefsels, waaronder het bieden van ondersteuning, het bemiddelen bij celdifferentiatie en -deling, en het deelnemen aan belangrijke interacties met eiwitten. Het begrijpen van GAG-gerelateerde interacties is van nature moeilijk en vereist goede en gedefinieerde platforms. Svedhem et al. toonden twee immobilisatiestrategieën om het GAG chondroïtinesulfaat (CS) chemisch te koppelen aan vloeibare SLB’s: 1. door het activeren van carboxylgroepen op CS voorafgaand aan de toevoeging van een geaminofunctionaliseerde lipide, d.w.z, 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-fosfoethanolamine-N-(lauroylamine) (DOPE-NH2); 2. door activering van carboxy-gefunctionaliseerde fosfolipiden, zoals 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-fosfoethanolamine-N-(lauroyl) (DOPE-COOH), gevolgd door de toevoeging van hydrazide-gefunctionaliseerd CS (Altgarde et al., 2013). De vorming van SLB’s en de daaropvolgende conjugatie werden in situ gevolgd met behulp van QCM-D. De resultaten tonen aan dat de twee strategieën dunne CS-films met vergelijkbare visco-elastische eigenschappen opleverden. De vloeibaarheid van de lipide bilaag werd niet beïnvloed door de conjugatie van CS. Aldus werd de toepassing van het ontwikkelde CS-platform op SLB’s geïllustreerd voor de botinducerende groeifactor botmorfogenetisch proteïne-2.

Samenvatting en vooruitzichten

Het opzetten van de micro-omgevingen voor groei en regulering van cellen in vitro blijft een uitdaging. De complexiteit van ECM’s ontbrak in de reguliere celkweek systemen, die de vloeibaarheid, gradiënt, mechanische eigenschappen, nanostructuren, en inter-en intra-moleculaire interacties omvat. Het biomimetische SLB systeem geconjugeerd met ECM componenten werpt enig licht op de werkelijke cellulaire reacties in de micro-omgeving in vivo. De SLB biedt unieke kenmerken van vloeibaarheid, weerstand tegen vervuiling, veelzijdigheid en biocompatibiliteit. Tot nu toe hebben we nog geen alternatief gevonden dat voor hetzelfde doel kan worden gebruikt. De fysische eigenschappen van SLB-ECM-platforms kunnen duidelijk worden gedefinieerd door toepassing van geavanceerde instrumenten, zoals QCM-D, AFM en FRAP, om de cellulaire reacties te correleren. Bovendien zou het dynamische gedrag van de cellen op de SLB-ECM platforms de moeite waard moeten zijn om te volgen omdat de ECM samenstellingen en structuren duurzaam veranderen met de groei van de cellen. Op het SLB-ECM platform kunnen onderzoekers de specifieke herkenningsinteracties tussen cellen en hun micro-omgeving observeren voor een directe vertaling van biologische activiteiten op het kunstmatige kweeksysteem. Buiten de fundamentele studies, wordt het SLB-ECM platform verondersteld nuttig te zijn voor verschillende toepassingen, zoals drug screening, zeldzame cellen vangen, regeneratie geneeskunde, en biosensing.

Author Contributions

C-JH is verantwoordelijk voor het zoeken naar literatuur en het schrijven. Y-CC is verantwoordelijk voor het schrijven en revisie.

Funding

MOST 105-2628-E-008-007-MY3; 106-2119-M-194-002; 107-0210-01-19-01; 107-2119-M-001-039 van het Ministerie van Wetenschap en Technologie (MOST), Taiwan, en Academia Sinica, Taiwan.

Conflict of Interest Statement

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd in de afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Aankondigingen

Wij erkennen het Ministerie van Wetenschap en Technologie (MOST 105-2628-E-008-007-MY3; 106-2119-M-194-002; 107-2119-M-001-039) voor de financiële ondersteuning van dit project.