Advanced scaffolds incorporating bacterial cellulose for improved 3D cell microenvironments

Abstract

Aquesta tesi explora el desenvolupament de bastides avançades, o scaffolds en anglès, per al cultiu cel·lular en 3D amb la perspectiva futura de contribuir a millorar el potencial terapèutic de les cèl·lules mesenquimals estromals (MSCs) en la medicina regenerativa. Les teràpies basades en MSCs són molt prometedores per a les malalties i els trastorns que encara no tenen tractament, gràcies a les seves capacitats antiinflamatòries i regeneratives. Tot i això, la seva translació clínica es veu obstaculitzada per algunes limitacions relacionades amb la seva expansió in vitro. Per superar aquests desafiaments, el precondicionament cel·lular és una estratègia prometedora, que consisteix a cultivar cèl·lules en un microentorn tridimensional (3D) similar al seu entorn natural. Els hidrogels biocompatibles, especialment aquells derivats de la matriu extracel·lular (ECM), són scaffolds adequats pel cultiu en 3D, ja que proporcionen un alt grau de semblança amb els entorns cel·lulars originals. Aprofitant l'estructura fibrosa i la nanoescala de la cel·lulosa bacteriana (BC), similar a la del col·lagen, així com la seva gran puresa, resistència mecànica i biocompatibilitat; en aquest treball es van fabricar hidrogels que imiten l'ECM per cultiu cel·lulars en 3D in vitro. Es van explorar tres tipus de scaffolds: a) scaffolds basats en fibres de BC natives que reprodueixen les propietats estructurals de l'ECM; b) scaffolds de fibres de BC funcionalitzades amb pèptids bioactius que milloren les propietats d'adhesió cel·lular; i c) scaffolds de fibres de BC combinades amb components de l'ECM derivats de tendons de cua de rata o pulmons de porc que generen scaffolds tridimensionals que afavoreixen el creixement cel·lular i imiten les propietats fisicoquímiques dels teixits nadius. A més, es va avaluar el precondicionament de les MSCs en aquests entorns fisiomimètics mitjançant l'estudi de característiques cel·lulars clau, com ara la morfologia, les forces de tracció i la motilitat, fonamentals per a l'eficàcia de les accions terapèutiques. Els resultats indiquen que els scaffolds basats en BC, especialment en combinació amb components d'ECM, creen un microentorn adequat pel condicionament de les MSCs, influint en el comportament migratori cel·lular. Aquest treball posa en relleu el potencial de la BC en el desenvolupament de scaffolds cel·lulars 3D personalitzables per avançar en el cultiu cel·lular en 3D i la medicina regenerativa.

Esta tesis explora el desarrollo de andamios avanzados, o scaffolds en inglés, para el cultivo celular en 3D con la perspectiva futura de contribuir a mejorar el potencial terapéutico de células mesenquimales estromales (MSCs) en medicina regenerativa. Las terapias basadas en MSCs son muy prometedoras para enfermedades y trastornos que aún no tienen tratamiento gracias a sus capacidades antiinflamatorias y regenerativas. Sin embargo, su traslación clínica se ve obstaculizada por algunas limitaciones relacionadas con su expansión in vitro. Para superar estos desafíos, el pre-acondicionamiento celular se ha revelado como una estrategia prometedora, que consiste en cultivar células en un microentorno tridimensional (3D) similar al nativo antes del trasplante. Los hidrogeles biocompatibles, especialmente aquellos derivados de la matriz extracelular (ECM), son scaffolds adecuados para el cultivo en 3D, que proporcionan un alto grado de semejanza con los entornos celulares nativos. Aprovechando la estructura fibrosa y la nanoescala de la celulosa bacteriana (BC), similar a la del colágeno, así como su gran pureza, resistencia mecánica y biocompatibilidad; en este trabajo se fabricaron hidrogeles que imitan la ECM para el cultivo celular 3D in vitro. Se exploraron tres tipos de scaffolds: a) scaffolds basados en fibras de BC nativas que reproducen las propiedades estructurales de la ECM, b) scaffolds de fibras de BC funcionalizadas con péptidos bioactivos que mejoran las propiedades de adhesión celular. y c) scaffolds de fibras de BC combinadas con componentes de la ECM derivados de tendones de cola de rata o pulmones de cerdo que generan scaffolds tridimensionales que favorecen el crecimiento celular e imitan las propiedades fisicoquímicas de los tejidos nativos. Además, se evaluó el acondicionamiento de las MSCs en estos entornos fisio-miméticos mediante el estudio de características celulares clave, como la morfología, las fuerzas de tracción y la motilidad, fundamentales para la eficacia de las acciones terapéutica. Los resultados indican que los scaffolds basados en BC, especialmente en combinación con componentes de ECM crean un microentorno adecuado para el pre-acondicionamiento de las MSCs, influyendo en el comportamiento migratorio celular. Este trabajo pone de relieve el potencial de la BC en el desarrollo de scaffolds celulares 3D personalizables para avanzar en el campo del cultivo celular en 3D y la medicina regenerativa.

This thesis explores the development of advanced scaffolds for 3D cell culture with the ultimate vision of contributing to enhancing the therapeutic potential of mesenchymal stromal cells (MSCs) in regenerative medicine. MSC-based therapies hold significant promise for diseases and disorders that have yet to be treated thanks to their anti-inflammatory and regenerative capabilities. However, clinical translation is hindered by some limitations related to their in vitro expansion. To overcome these challenges, cell priming, or preconditioning, has emerged as a promising strategy which consists in culturing cells in a 3D native-like microenvironment before transplantation. Biocompatible hydrogels, especially those derived from the extracellular matrix (ECM), are suitable scaffolds for 3D cell culture, as they provide a high degree of resemblance to the native cellular environments. Taking advantage of the bacterial cellulose’s (BC) fibrous and nanoscale structure similar to that of collagen, as well as its high purity, mechanical strength, and biocompatibility; this work produced hydrogels that mimic the ECM for 3D in vitro cell culture. Various scaffolds were explored based on a) native BC fibers, b) BC fibers functionalized with bioactive peptides that enhanced cell adhesion, and c) BC fibers combined with ECM-derived components from rat tail tendons or pig lungs, yielding 3D scaffolds that support cell growth and mimic the physico-chemical properties of native tissues. Additionally, MSC priming within these physiomimetic environments was evaluated by studying key cell characteristics, such as morphology, traction forces, and motility, which are critical for effective therapeutic actions. The findings indicate that BC-based scaffolds, particularly in combination with ECM components, create a suitable microenvironment for MSC priming, influencing cell migratory behavior. This work highlights the potential of BC in developing tailorable 3D cell-laden scaffolds to advance the field of 3D cell culture and regenerative medicine.