Development and characterization of electrospun polymer scaffolds for 3D cell culture model to mimic human intestine system

Abstract

Intestinal tissue engineering is a subfield of tissue engineering, which utilizes biomaterials to mimic the extracellular matrix (ECM) for tissue regeneration, repairment, simulating intestine function in 3D models. It combines scaffolds, which are obtained from natural, semisynthetic or synthetic polymer by using different fabrication methods, with various intestinal cells. In this thesis, polycarbonate (PC), polycaprolactone (PCL) and Polyvinylidene fluoride (PVDF), which are synthetic polymers, were used for fabrication of scaffolds by electrospinning to obtain an alternative material against commercial Transwell supports. Thus, electrospun PC, PCL and PVDF scaffold containing a 12-well Transwell insert was designed by sandwiching between two PMMA circles. To observe cellular behavior on scaffolds Caco-2 cells, which are most used human colorectal cancer cells in the intestinal tissue engineering system, were cultured on electrospun PC, PCL and PVDF scaffolds. According to cell viability analysis, toxic effect was not observed at the end of 21 days culturing period. Additionally, DAPI/Actin and collagen staining was performed for 21-days and results proved that intra/intercellular components and proteins were expressed successfully. As known in literature, Caco-2 cells make a tight junction that is formed by paracellular interactions after 3-4 weeks culturing. To analyze tight junction integrity, phenol red transport and transepithelial resistance were measured. The permeability of phenol red for PCL scaffold exhibited a significant decrease from 50% to 12% after 21 days on the contrary of PC and PVDF. In parallel, TEER measurements supported the phenol red transport assay because in PCL results showed that on the 7th day TEER was measured 468 Ω.cm2 in average and 21st day measurement was calculated approximately 1133 Ω.cm2.

Bağırsak doku mühendisliği, doku rejenerasyonu, onarımı, 3 boyutlu hastalık modellerini taklit etmek, bağırsağı simüle etmek için hücrelere veya dokuya uygun mikro çevre sağlayarak, iskeleler yapmak ve hasarlı bağırsak için hücre dışı matrisi (ECM) taklit etmek için biyomateryallerin kullanılmasıyla ilgilenen doku mühendisliğinin alt alanıdır. Bu amaçla, farklı üretim yöntemleri kullanılarak doğal, yarı sentetik veya sentetik polimerlerden elde edilen iskeleleri farklı tipte bağırsak hücreleri ile birleştirir. Bu tezde, bağırsak doku mühendisliğinde ortak kültür çalışmasında kullanılan ticari Transwell desteklerine alternatif olarak iskeleler elde etmek için polikarbonat (PC), polikaprolakton (PCL) ve Poliviniliden florür (PVDF) elektro eğirme tekniği ile üretilmiştir. Böylece, elektro eğrilmiş PC, PCL ve PVDF iskele içeren 12 kuyulu Traswell, iki PMMA dairesi arasında sandviç yapılarak tasarlandı. Yapı iskelelerindeki hücresel davranışı gözlemlemek için bağırsak doku mühendisliği sisteminde en çok kullanılan kolorektal kanser hücreleri olan Caco-2 hücreleri elektro eğrilmiş PC, PCL ve PVDF iskelelerinde kültürlendi. Yapı iskelelerinin hücre canlılığı analizine göre 7 günlük kültürleme süresinin sonunda toksik etki gözlenmedi. Literatürde bilindiği gibi, Caco-2 hücreleri 3-4 haftalık kültürlemeden sonra hücre içi etkileşimler oluşturur ve tight junction gibi yapılar oluştururlar. Bariyer bütünlüğünü analiz etmek için fenol kırmızısı geçirgenliği ve transepitelyal elektriksel direnç ölçüldü. PCL iskelesi için fenol kırmızısının geçirgenliği, PC ve PVDF'nin aksine 21 gün sonra %50'den %15'e önemli bir düşüş göstermiştir. Ek olarak, TEER ölçümleri fenol kırmızısı geçirgenlik testini kanıtladı çünkü PCL sonuçlarında 7. günde TEER'in ortalama 468 Ω.cm2 ölçüldüğünü ve 21. gün ölçümünün yaklaşık 1133Ω.cm2 olarak hesaplandığını gösterdi.