皮膚組織工学のための内皮細胞、真皮線維芽細胞、多層ケラチノサイト層のバイオファブリケーション

Biofabrication of endothelial cell, dermal fibroblast, and multilayered keratinocyte layers for skin tissue engineering.

• Natan Barros
• Hanjun Kim
• Marcus J Goudie
• KangJu Lee
• Praveen Bandaru
• Ethan A Banton
• Einollah Sarikhani
• Wujin Sun
• Shiming Zhang
• Hyun-Jong Cho
• Martin C Hartel
• Serge Ostrovidov
• Samad Ahadian
• Saber Hussain
• Nureddin Ashammakhi
• Mehmet R Dokmeci
• Rondinelli Donizetti Herculano
• Junmin Lee
• Ali Khademhosseini

抄録

皮膚は、その大きな表面積とアクセスのしやすさから、多くの生物学的・化学的薬剤にさらされており、多くの生理的目的を果たしています。しかし、現在の皮膚モデルは、皮膚組織の多面的な機能を再現するには限界があり、その理由は、皮膚フレームワークを構築するための生体材料や異なる皮膚層での技術の最適化の努力が不足しているためです。ここでは、生体材料ベースのアプローチとバイオエンジニアリング技術を用いて、内皮細胞ネットワーク、真皮線維芽細胞、多層ケラチノサイトの層を有する3D皮膚モデルを開発した。ゼラチンメタクリロイル（GelMA）ベースのバイオインクとアルギン酸の異なる部分を混合した場合の機械的特性を分析した結果、7.5%のGelMAと2%のアルギン酸を混合した場合には、内皮細胞の生存率を最適化するために、バイオプリンティングされた内皮がより良いモデル化されることが明らかになった。マトリックスの硬さは、ヒト皮膚線維芽細胞におけるプロコラーゲンIα-1とマトリックスメタロプロテアーゼ-1の産生レベルを調節し、その生存性、増殖、および広がりに影響を与える上で重要な役割を果たしている。さらに、ヒトケラチノサイトをゼラチンコーティングで複数回播種することは、その生存性を維持しながら多層ケラチノサイトを作成するための培養時間を短縮するのに有用であることが証明されている。皮膚組織の各層のために選択された生体材料を作製する能力は、再生医療や疾患モデリングのための皮膚システムのバイオファブリケーションに意味を持っています。

The skin serves a substantial number of physiological purposes and is exposed to numerous biological and chemical agents owing to its large surface area and accessibility. Yet, current skin models are limited in emulating the multifaceted functions of skin tissues due to a lack of effort on the optimization of biomaterials and techniques at different skin layers for building skin frameworks. Here, we use biomaterial-based approaches and bioengineered techniques to develop a 3D skin model with layers of endothelial cell networks, dermal fibroblasts, and multilayered keratinocytes. Analysis of mechanical properties of gelatin methacryloyl (GelMA)-based bioinks mixed with different portions of alginate revealed bioprinted endothelium could be better modeled to optimize endothelial cell viability with a mixture of 7.5% GelMA and 2% alginate. Matrix stiffness plays a crucial role in modulating produced levels of Pro-Collagen I alpha-1 and matrix metalloproteinase-1 in human dermal fibroblasts and affecting their viability, proliferation, and spreading. Moreover, seeding human keratinocytes with gelatin-coating multiple times proves helpful in reducing culture time to create multilayered keratinocytes while maintaining their viability. The ability to fabricate selected biomaterials for each layer of skin tissues has implications in the biofabrication of skin systems for regenerative medicine and disease modeling.

© 2020 IOP Publishing Ltd.