Stabilire un approccio riproducibile per studiare le funzioni cellulari delle cellule vegetali con bioprinting 3D

La stampa 3D di cellule vegetali promette bene per lo studio della funzione cellulare 

Un nuovo studio della North Carolina State University mostra un modo riproducibile di studiare la comunicazione cellulare tra vari tipi di cellule vegetali mediante la “biostampa” di queste cellule tramite una stampante 3D. Imparare di più su come le cellule vegetali comunicano tra loro – e con il loro ambiente – è la chiave per capire di più sulle funzioni delle cellule vegetali e potrebbe portare alla creazione di varietà di colture migliori e ambienti di crescita ottimali.

I ricercatori hanno biostampato cellule della pianta modello Arabidopsis thaliana e dei semi di soia per studiare non solo se le cellule vegetali sarebbero vissute dopo essere state biostampate – e per quanto tempo – ma anche per esaminare come acquisiscono e cambiano la loro identità e funzione. 

“Una radice di una pianta ha molti tipi cellulari diversi con funzioni specializzate”, ha affermato Lisa Van den Broeck, ricercatrice post-dottorato dello Stato dell’NC che è la prima autrice di un articolo che descrive il lavoro. “Ci sono anche diversi insiemi di geni espressi; alcuni sono specifici della cellula. Volevamo sapere cosa succede dopo che hai biostampato le cellule vive e le hai collocate in un ambiente che hai progettato: sono vive e stanno facendo quello che dovrebbero fare?

Il processo di biostampa 3D delle cellule vegetali è meccanicamente simile all’inchiostro da stampa o alla plastica, con alcune modifiche necessarie.

“Invece dell’inchiostro per la stampa 3D o della plastica, utilizziamo ‘bioink’ o cellule vegetali viventi”, ha affermato Van den Broeck. “La meccanica è la stessa in entrambi i processi con alcune differenze notevoli per le cellule vegetali: un filtro ultravioletto utilizzato per mantenere l’ambiente sterile e più testine di stampa, anziché una sola, per stampare diversi bioinchiostri contemporaneamente”.

Cellule vegetali vive senza pareti cellulari, o protoplasti, sono state biostampate insieme a sostanze nutritive, ormoni della crescita e un agente addensante chiamato agarosio, un composto a base di alghe. L’agarosio aiuta a fornire alle cellule forza e impalcature, simili alla malta che sostiene i mattoni nel muro di un edificio.

“Abbiamo scoperto che è fondamentale utilizzare un’adeguata impalcatura”, ha affermato Ross Sozzani, professore di biologia vegetale e microbica presso l’NC State e co-autore dell’articolo. “Quando stampi il bioink, devi che sia liquido, ma quando esce, deve essere solido. Imitare l’ambiente naturale aiuta a mantenere i segnali e i segnali cellulari che si verificano come farebbero nel suolo”.

La ricerca ha mostrato che più della metà delle cellule biostampate in 3D erano vitali e divise nel tempo per formare microcalli, o piccole colonie di cellule.

“Ci aspettavamo una buona vitalità il giorno in cui le cellule sono state biostampate, ma non avevamo mai mantenuto le cellule oltre poche ore dopo la biostampa, quindi non avevamo idea di cosa sarebbe successo giorni dopo”, ha detto Van den Broeck. “Range di vitalità simili vengono mostrate dopo aver pipettato manualmente le cellule, quindi il processo di stampa 3D non sembra fare nulla di dannoso per le cellule”. 

“Questo è un processo manuale difficile e la biostampa 3D controlla la pressione delle goccioline e la velocità con cui le goccioline vengono stampate”, ha affermato Sozzani. “La biostampa offre migliori opportunità per l’elaborazione ad alta produttività e il controllo sull’architettura delle celle dopo la biostampa, come strati o forme a nido d’ape”. 

I ricercatori hanno anche biostampato singole cellule per verificare se potevano rigenerarsi, dividersi e moltiplicarsi. I risultati hanno mostrato che le cellule della radice e del germoglio di Arabidopsis avevano bisogno di diverse combinazioni di nutrienti e impalcature per una vitalità ottimale. 

Nel frattempo, oltre il 40% delle singole cellule embrionali di soia sono rimaste vitali due settimane dopo la biostampa e si sono anche divise nel tempo per formare microcalli. 

“Questo dimostra che la biostampa 3D può essere utile per studiare la rigenerazione cellulare nelle piante coltivate”, ha affermato Sozzani.

Infine, i ricercatori hanno studiato l’identità cellulare delle cellule biostampate. Le cellule della radice di Arabidopsis e le cellule embrionali di soia sono note per gli alti tassi di proliferazione e la mancanza di identità fisse. In altre parole, come le cellule staminali animali o umane, queste cellule possono diventare diversi tipi cellulari. 

“Abbiamo scoperto che le cellule biostampate possono assumere l’identità delle cellule staminali; si dividono, crescono ed esprimono geni specifici”, ha detto Van den Broeck. “Quando si bioprint, si stampa un’intera popolazione di tipi cellulari. Siamo stati in grado di esaminare i geni espressi dalle singole cellule dopo la biostampa 3D per comprendere eventuali cambiamenti nell’identità cellulare”.

I ricercatori hanno in programma di continuare il loro lavoro studiando la comunicazione cellulare dopo la biostampa 3D, anche a livello unicellulare.

“Tutto sommato, questo studio mostra il potente potenziale dell’utilizzo della biostampa 3D per identificare i composti ottimali necessari per supportare la vitalità e la comunicazione delle cellule vegetali in un ambiente controllato”, ha affermato Sozzani.

La ricerca appare in Science Advances ed è stata supportata dalla sovvenzione EAGER della National Science Foundation MCB n. 203928 e da BASF Plant Sciences. Tim Horn, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l’NC State, è un co-autore dell’articolo.

– Kulikowski –

Nota per i redattori : Segue un riassunto dell’articolo.

“Stabilire un approccio riproducibile per studiare le funzioni cellulari delle cellule vegetali con bioprinting 3D”

Astratto: L’acquisizione di segnali da cellula a cellula in un ambiente tridimensionale (3D) è fondamentale per studiare le funzioni cellulari. Una delle principali sfide negli attuali metodi di coltura è la mancanza di un’accurata acquisizione di ambienti 3D multicellulari. In questo studio, abbiamo stabilito una struttura per la biostampa 3D di cellule vegetali per studiare la vitalità cellulare, la divisione cellulare e l’identità cellulare. Abbiamo stabilito la vitalità cellulare a lungo termine per le cellule di Arabidopsis e di soia biostampate. Per analizzare i set di dati di immagini di grandi dimensioni generati, abbiamo sviluppato una pipeline di analisi delle immagini ad alta velocità. Inoltre, abbiamo mostrato il rientro del ciclo cellulare delle cellule bioprintate per le quali la tempistica coincide con l’induzione dei geni del ciclo cellulare centrale e dei geni correlati alla rigenerazione, portando infine alla formazione di microcallus. Scorso, l’identità delle cellule radicali di Arabidopsis biostampate che esprimono marcatori endodermici è stata mantenuta per periodi più lunghi. Il quadro qui stabilito apre la strada a un uso generale della biostampa 3D per lo studio della riprogrammazione cellulare e del rientro del ciclo cellulare verso la rigenerazione dei tessuti.