Bioprinting strategies to engineer biomimetic 3D models of skin burn wounds

• Main Author: Bebiano, Luís Miguel Brunhoso
• Publication Date: 2022
• Format: Master thesis
• Language: eng
• Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
• Download full: http://hdl.handle.net/10400.22/22173
• topic: Bioimpressão 3D; Click Chemistry; Hidrogel; Modelo de pele 3D; Pele; Queimadura de pele; 3D Bioprinting; 3D skin model; Burn wound; Hydrogels; Skin

As queimaduras da pele são consideradas um grave problema de saúde pública em todo o mundo, sendo uma das principais causas de morbidade, dor e, em alguns casos, desfiguração do paciente. Apesar de existirem terapias comercialmente disponíveis, como os curativos modernos e os substitutos da pele, ainda existem limitações críticas no que respeita ao desenvolvimento de terapias mais eficazes que possam diminuir a ocorrência de fibrose e melhorar os resultados estéticos e funcionais. Para tal, torna-se crucial melhorar a nossa compreensão sobre as respostas e mecanismos a nível celular e da matriz extracelular (MEC) que ocorrem após a lesão. Com o objetivo de endereçar as limitações mencionadas, uma nova bioink constituída por um único polímero foi desenvolvida para criar modelos 3D in vitro relevantes a nível patofisiológico de queimaduras da pele. Inicialmente, uma bioink derivada de pectina e funcionalizada com grupos funcionais maleimida foi desenvolvida usando uma estratégia de reticulação dupla através de gelificação iónica e da reação de adição de Michael. Esta estratégia permitiu não só modular as propriedades mecânicas (2593.00 ± 261.50 até 5860.00 ± 386.10 Pa) dos hidrogéis na gama de valores da pela nativa, mas também recriar importantes propriedades da MEC da pele a nível bioquímico e biofísico. Um estudo sistemático foi realizado para avaliar a influência de agentes reticulantes degradáveis ou não degradáveis através das metaloproteinases da matriz nas propriedades do hidrogel e na resposta celular. Curiosamente, todas as formulações permitiram a formação de hidrogéis com uma distribuição uniforme de fibroblastos da derme em 3D, embora os resultados sugiram que os hidrogéis degradáveis permitem uma maior formação de redes celulares interconectadas. Além disso, os hidrogéis degradáveis também aumentaram a deposição de componentes da MEC em comparação com os hidrogéis não degradáveis. Para criar um modelo in vitro 3D de pele em bicamada, os queratinócitos foram cultivados na parte superior de hidrogéis contendo fibroblastos (derme), e mantidos em cultura por 28 dias. Após este período de tempo, um modelo de pele in vitro estruturalmente semelhante à pele nativa foi obtido e usado para criar de forma eficiente um modelo 3D de queimadura de pele usando uma vara de aço inoxidável a 65 °C durante 120s. Especificamente, a abordagem experimental desenvolvida permitiu induzir uma queimadura caracterizada por morte celular localizada, ou seja, dentro da região da queimadura, sem afetar a viabilidade celular na região saudável circundante. De facto, o ensaio de Live/Dead sugere que a resposta celular na região da queimadura é dependente do tempo uma vez que células mortas foram detetadas apenas num período tardio após a lesão (7 dias), mas não ao dia 1 pós-lesão. Por último, uma estratégia de bioimpressão 3D foi implementada para criar um hidrogel que permita a perfusão diretamente num chip personalizado gerado por impressão 3D. Esta estratégia permitiu demonstrar a integração das abordagens experimentais desenvolvidas na dissertação com a finalidade de gerar modelos 3D vascularizados de queimaduras de pele. No geral, neste trabalho é reportado pela primeira vez o desenvolvimento de um modelo biomimético de pele in vitro recapitulando as principais características de queimaduras de pele com resultados promissores para aplicações de engenharia de tecidos, incluindo a reprodução de patologias de pele, o teste de fármacos e a cicatrização de feridas.