Optimiser la viabilité cellulaire en gouttelette

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 11304 (2015) Citer cet article

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La biofabrication implique généralement l'utilisation de gouttelettes de liquide pour transporter les cellules vers la structure imprimée. Cependant, la viabilité des cellules après impact est mal contrôlée et mal comprise, ce qui entrave les applications telles que la pulvérisation cellulaire, la bio-impression à jet d'encre et le transfert cellulaire assisté par laser. Nous présentons ici un modèle analytique décrivant la viabilité cellulaire après impact en fonction des caractéristiques des gouttelettes entourant la cellule. Le modèle relie (1) la survie cellulaire en fonction de l'allongement de la membrane cellulaire, (2) l'allongement de la membrane en fonction de la taille et de la vitesse des gouttelettes contenant les cellules et (3) les propriétés du substrat. Le modèle est validé par des mesures de viabilité cellulaire lors de la pulvérisation cellulaire, une méthode de biofabrication utilisée pour le traitement des brûlures. Les résultats permettent une optimisation rationnelle de toute technologie de dépôt cellulaire à base de gouttelettes et nous incluons des suggestions pratiques pour améliorer la viabilité cellulaire lors de la pulvérisation cellulaire.

Le dépôt cellulaire à base de gouttelettes fait l’objet d’une attention croissante en tant qu’outil permettant de construire ou de remplir divers tissus biologiques. Des exemples frappants sont le traitement par pulvérisation cellulaire des brûlures1,2 ou des ulcères3, qui permettent une cicatrisation plus rapide et améliorée et sont actuellement introduits dans la pratique clinique. Avec une application réussie en place, nous cherchons à nous étendre à d’autres domaines cliniques, notamment les procédures laparoscopiques, endoscopiques et arthroscopiques4. Cela ouvre la possibilité d’une thérapie cellulaire mini-invasive pour la régénération des tissus. Un deuxième exemple est la fabrication de remplacements de tissus fonctionnels en laboratoire, pour permettre la guérison de tissus non fonctionnels5,6,7. Dans les technologies actuelles de biofabrication, notamment la bio-impression par jet d'encre8,9,10, le transfert direct induit par laser11, la bio-impression par valve12,13 et la pulvérisation cellulaire2,14,15,16,17, le transport cellulaire à partir de la suspension cellulaire initiale, appelé « bio "-ink", sur le tissu fabriqué est obtenu par éjection et dépôt de gouttelettes de liquide. Bien que ces technologies permettent un dépôt cellulaire de haute viabilité, un débit limité, une précision limitée et des bio-encres contenant des cellules mal optimisées constituent des obstacles majeurs au dépôt contrôlé de cellules, comme celui requis pour la fabrication de tissus fonctionnels5,7.

Pour résoudre ces problèmes et ainsi optimiser le dépôt cellulaire à base de gouttelettes, la connaissance de la viabilité cellulaire en fonction de la taille des gouttelettes contenant les cellules et de la vitesse d’impact est cruciale. Idéalement, les impacts uniques et hautement reproductibles de gouttelettes contenant une seule cellule devraient être surveillés pour une large gamme de paramètres d'impact (taille des gouttelettes, vitesse et propriétés du matériau). Les systèmes de goutte à la demande fournissent de telles gouttelettes hautement reproductibles, mais l’espace des paramètres d’impact est généralement relativement étroit pour les liquides contenant des cellules utilisés18,19,20,21,22,23. Par conséquent, pour étudier la viabilité cellulaire après impact, nous utilisons le dépôt par pulvérisation cellulaire, qui permet une gamme beaucoup plus large de paramètres d’impact. L'influence substantielle des paramètres de pulvérisation sur la viabilité cellulaire après impact suggère que la viabilité cellulaire peut être contrôlée, fournissant ainsi un système modèle pour évaluer la survie cellulaire après impact. De plus, la contrainte de cisaillement exercée sur la cellule à l'intérieur de la buse de pulvérisation est bien inférieure à la contrainte de cisaillement lors de l'impact, ce qui permet d'évaluer le seul processus d'impact (pour d'autres technologies, ce n'est pas le cas, comme expliqué dans la section I supplémentaire).

Les travaux actuels visent à comprendre l’influence de l’impact des gouttelettes sur la viabilité cellulaire, applicable à la fois aux technologies de dépôt à la demande et de dépôt par pulvérisation. Nous introduisons un modèle décrivant la viabilité cellulaire en fonction de la taille des gouttelettes contenant les cellules, de la viscosité et de la vitesse d'impact. Le modèle est validé par des expériences de pulvérisation cellulaire, suivant une approche en deux étapes. Tout d’abord, la taille des gouttelettes et la vitesse d’impact sont mesurées et utilisées pour obtenir les prédictions du modèle comme décrit. Ensuite, la viabilité cellulaire après pulvérisation est mesurée en fonction de la pression de l'air, de la viscosité du liquide, de la distance buse-substrat et de la rigidité du substrat. Le modèle décrit avec précision les mesures de viabilité en fonction des paramètres d'entrée. Ces résultats constituent un outil puissant pour évaluer et améliorer de manière rationnelle les traitements cliniques par pulvérisation et les applications d’ingénierie tissulaire.