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Cette étude présente un protocole de fabrication d’échafaudages bio-imprimés en 3D pour la cicatrisation des plaies chroniques. Les vésicules extracellulaires sont isolées à partir de cellules souches mésenchymateuses et chargées dans le noyau (alginate) avec la gaine fabriquée à partir de carboxyméthylcellulose et d’alginate lyase. Cette conception permet une dégradation contrôlée de l’échafaudage et une libération efficace des VE.
Cette étude décrit un protocole détaillé pour la fabrication d’échafaudages bio-imprimés en 3D conçus pour améliorer la cicatrisation des plaies chroniques. Le protocole consiste à isoler des vésicules extracellulaires (VE) à partir de cellules souches mésenchymateuses (CSM), connues pour leurs propriétés régénératives et immunomodulatrices. Ces véhicules électriques sont ensuite incorporés dans une structure d’échafaudage unique. L’échafaudage comporte un noyau composé d’alginate chargé de VE, entouré d’une gaine faite de carboxyméthylcellulose et d’alginate lyase. Cette conception innovante assure une dégradation contrôlée de l’échafaudage tout en favorisant une libération efficace et contrôlée des VE au site de la plaie. Le protocole couvre des étapes clés, notamment la préparation et la caractérisation des VE, la formulation de bio-encres pour la bio-impression 3D et l’optimisation des paramètres d’impression pour obtenir l’architecture cœur-gaine souhaitée. En combinant l’intégrité structurelle et la bioactivité, l’échafaudage vise à remédier aux limites des pansements conventionnels, en offrant une approche ciblée pour accélérer la régénération des tissus et réduire l’inflammation dans les plaies chroniques. Cette méthode fournit une stratégie reproductible et évolutive pour le développement de biomatériaux avancés avec des applications cliniques potentielles dans la gestion des plaies chroniques. Le protocole met également en évidence les considérations essentielles pour obtenir des résultats cohérents, garantissant l’adaptabilité aux applications thérapeutiques futures.
Les plaies chroniques, souvent liées à une inflammation excessive, nécessitent une prise en charge rapide pour prévenir des complications graves telles que les infections et la nécrose des tissus, qui peuvent entraîner des amputations. Malgré les progrès, les traitements actuels restent coûteux, peu pratiques, ont des effets secondaires et ont une efficacité limitée, ce qui souligne la nécessité de plus de pansements curatifs 1,2,3. Le développement d’une nouvelle génération de pansements spécialement conçus pour les plaies chroniques est essentiel pour relever ces défis. De plus, la nature complexe de la cicatrisation des plaies exige des matériaux de pansement dotés d’une gamme de propriétés, notamment l’hydratation, la flexibilité, l’adhérence, la bioactivité et la biodégradabilité4. Cette étude vise à développer un pansement bio-conçu qui intègre des vésicules extracellulaires (VE) avec un échafaudage bio-imprimé en 3D pour fournir un environnement thérapeutique contrôlé et accélérer la cicatrisation des plaies chroniques.
Les VE dérivées des cellules souches aident à la cicatrisation chronique des plaies en favorisant les réponses anti-inflammatoires, la croissance cellulaire, la migration et la formation de vaisseaux sanguins5. De plus, les VE peuvent délivrer des molécules bioactives, y compris des médicaments à petites molécules, des constructions de gènes et de protéines pour la gestion des plaies chroniques6. De plus, leur capacité à protéger la cargaison de la dégradation enzymatique améliore la stabilité et la biodisponibilité des agents thérapeutiques, offrant des avantages distincts par rapport aux facteurs de croissance conventionnels et aux médicaments à petites molécules, qui se dégradent souvent rapidement in vivo7. Malgré ces avantages, l’administration efficace et durable de VE aux tissus cibles reste un défi important.
Les échafaudages de bio-impression 3D peuvent servir de plate-forme d’administration aux VE pour renforcer leurs effets thérapeutiques8. Ces échafaudages imitent les environnements cellulaires naturels et permettent la libération contrôlée des VE 9,10. Ils protègent également les VE de la dégradation, améliorant ainsi la stabilité de leurs microARN et protéines11. Han et al. ont démontré que les VE peuvent être efficacement libérés à partir d’échafaudages GelMA bio-imprimés en 3D. Cette libération a conduit à une meilleure fixation cellulaire et à une expression génique accrue liée aux voies de mécanotransduction dans les cellules souches mésenchymateuses du coussinet adipeux buccal humain (hBFP-MSCs) ensemencées sur les échafaudages12. Born et al., en optimisant la concentration de l’agent de réticulation, ont obtenu une libération contrôlée des VE. Cette approche a démontré son efficacité dans la promotion de l’angiogenèse et offre une méthode prometteuse pour l’administration régulée des VE13.
La bio-impression 3D à gaine centrale permet de créer des structures complexes et multi-matériaux en imprimant un matériau de base enveloppé dans une gaine. Le noyau peut inclure des cellules, des facteurs de croissance ou des médicaments, tandis que la gaine offre un soutien mécanique et une protection ou agit comme une barrière. Cette méthode a des applications dans l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, telles que le développement de réseaux vasculaires, l’imitation de structures tissulaires naturelles et la création de systèmes d’administration de médicaments. Il permet un contrôle précis de la distribution et de la composition des matériaux, améliorant ainsi la fonctionnalité et la pertinence biologique des constructions. Par rapport aux techniques alternatives, la bio-impression 3D à gaine de noyau offre un contrôle précis de la distribution et de la composition des matériaux, améliorant ainsi la fonctionnalité et la pertinence biologique des constructions14,15.
La dégradation artificielle des pansements offre des avantages tels que la réduction de l’inconfort lors des changements, un environnement humide pour la cicatrisation et le contrôle des infections, une administration thérapeutique rapide et une régénération optimale des tissus 16,17,18. Les hydrogels d’alginate (Alg) et de carboxyméthylcellulose (CMCh) sont biocompatibles et efficaces pour délivrer des vésicules extracellulaires (VE) aux plaies, améliorant la cicatrisation grâce à la communication cellulaire et à la réduction de l’inflammation18. Dans cette étude, les VE ont été intégrés dans un noyau d’Alg, tandis qu’une gaine de CMCh et d’AlgLyase (AlgLyase) a été utilisée pour permettre une dégradation rapide du pansement et la livraison des VE. Cette conception de gaine centrale facilite la libération rapide des VE en réponse à la dégradation de l’échafaudage, améliorant ainsi leur efficacité thérapeutique et remédiant aux limites des traitements existants des plaies chroniques. L’objectif principal de cette étude est de développer un pansement bio-conçu qui améliore la cicatrisation des plaies en intégrant la libération contrôlée des VE avec un échafaudage dégradable réactif, améliorant ainsi les résultats du traitement des plaies chroniques.
La recherche sur les animaux a été menée en pleine conformité avec les normes éthiques établies par le Comité national de bioéthique et le Comité d’éthique animale de l’Université de Nizwa. L’approbation éthique de cette étude a été accordée sous l’autorisation ID : VCGSR, AREC/01/2023. Tous les animaux ont été logés dans des conditions de laboratoire standard, assurant des contrôles environnementaux optimaux, une nutrition appropriée et des soins complets pour préserver leur bien-être tout au long de l’étude. Toutes les procédures impliquant des animaux ont respecté strictement les politiques de l’établissement, les normes internationales de soins aux animaux et les directives ARRIVE.
1. Culture cellulaire
2. Isolation des VE
3. Étiquetage des VE avec PKH-26
4. 3D Bio-impression
5. Suivi de la sortie des VE
La libération in vivo de VE à partir des échafaudages Alg-EVs/CMCh et Alg-EVs/CMCh-AlgLyase est illustrée aux figures 1B et C. Comme prévu, l’échafaudage Alg-EVs/CMCh-AlgLyase a présenté un profil de libération plus rapide par rapport aux Alg-EVs/CMCh, en particulier aux points de temps de 2 h et 4 h. La libération de VE par les hydrogels est régie par une combinaison de mécanismes physicochimiques, notamment la diffus...
Un aspect central du protocole est la conception de l’échafaudage à gaine centrale, qui est essentielle pour obtenir une livraison efficace des VE. La conception intègre l’Alg comme matériau de base et une combinaison de CMCh et d’Alglyase comme gaine. Cette configuration facilite la libération contrôlée et rapide des VE. Le matériau de base, Alg, encapsule les VE, assurant leur protection et leur livraison localisée. La gaine, composée de CMCh et d’Alglyase, permet la ...
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun conflit d’intérêts.
Un merci spécial à Said Al-Hashmi et Abdulrahman Almharbi de Happy Production pour leur excellent travail de tournage. Nous exprimons également notre gratitude au ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation et à l’Université de Nizwa pour leur soutien financier et pour avoir fourni les ressources nécessaires.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
23 G Purple precision conical Nozzle | Cellink | KT0000002000 | To provide precise extrusion of bioinks with minimal clogging |
Alginate lyase (AlgLyase) | Sigma Aldrich | A1603-100MG | Algyase is an enzyme that degrades alginate. |
Amicon Ultra Centrifugal Filter, 30 kDa MWCO | Merck | UFC9030 | Used to wash PKH-26 labeled-EVs |
BCA assay Kit | Thermo Scientific | 10678484 | To determine the protein/EVs concentration |
Bioprinting System | Regemat | V1 | To fabricate core-sheath scaffold |
Bovine serum albumin (BSA) | sigma-aldrich | 05470-5G | To stop PKH 26 reaction |
Calcium chloride | Sigma Aldrich | C3306-100G | To crosslink and stabilize bioinks in tissue engineering |
Centrifuge | Sigma | 2-16P | Used for EVs isolation |
Centrifuge 5810 R | Eppendorf | 22625101 | Used for cell culture |
Class II Biological Safety Cabinet | Telstar | Bio II Advance | Cell culture |
CryoCube F570 Series - ULT Freezer | Eppendorf | F571240035 | To store EVs |
fluorescent microscope | OLYMPUS | IX73P1F | Used to check the residual PKH-26 in the filtrate |
Gentamicin (50 mg/mL) | Thermofisher | 15750 | Antibiotic for cell culture media |
GlutaMAX-I CTS, (100X), liquid | Thermofisher | A12860 | Cell culture media supplement |
HCl | Sigma Aldrich | 7647-01-0 | Buffer preparation |
HEPES | Carl Roth | Art. No. 6763.3 | Buffer preparation |
High viscous carboxymethyl cellulose (CMCh) | BDH | 27929 4T | CMCh is a water-soluble cellulose derivative. |
Incubator | New Brunswick | NB-170R | Cell culture |
Invivo imaging | PerkinElmer | IVIS Lumina XRMS Series III | To track EVs release, in vivo |
Magnet stirer | SalvisLAB | MC35 | For Bioinks preparation |
miRCURY Exosome Kits for Exosome Isolation | Qiagen | 76743 | Evs isolation |
NaOh | Daejung | 1310-73-2 | Buffer preparation |
phosphate buffered saline(PBS) | Thermo Scientific | J61196.AP | Cell culture |
PKH 26 | MCE | 154214-55-8 | Red fluorescent dye for labeling theEVs |
Sodium alginate (Alg) | Sigma Aldrich | A0682-100G | Natural polysaccharide derived from brown seaweed. |
Sodium chloride (NaCl) | Carl Roth | Art-Nr-P029.1 | Buffer preparation |
StemPro BM Mesenchymal Stem Cells | Thermofisher | A1382901 | Mesenchymal stem cells |
StemPro MSC SFM XenoFree | Thermofisher | A1067501 | Cell culture media |
Trypsin 0.25% | Thermofisher | 25050014 | Cell dissociation |
Vortex-Mixer | Daihan Scientific | VM-10 | Used to mix precipitation buffer with the conditioned media |
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