Development and characterization of magnesium alginate hydrogels for 3d cell culture formation

Abstract

Cell culture is an important tool for biological research. Two-dimensional (2D) cell culture is still used but growing cells on plastic surfaces offering unnatural growth kinetics and cell attachment. Three-dimensional (3D) cell culture allows cells to growth in their 3D physical shape and interact with their surroundings which represent the natural microenvironment. Hydrogels are crosslinked networks, have become increasingly used biomaterial for 3D cell culture with their ability to simulate the nature of most soft tissues. In this thesis, a new methodology based on bio-patterning was developed to fabricate (3D) cellular structures by using Mg-alginate hydrogel and fabricated 3D cellular structures was utilized for drug screening studies. Mg-alginate hydrogel has a specific gelation/de-gelation characteristics compared to other types of hydrogels due to its weak polymer-ion interaction. In this study slow gelation and de-gelation property of Mg-alginate hydrogel was used for biopatterning of 3D cellular structures. Plackett-Burman and Box-Behnken design models were used to optimize parameters of Mg alginate-based biopatterning method while using HeLa cells as a model cell line. Then, the applicability of newly developed methodology was successfully demonstrated by using SaOS-2 and SH-SY5Y cells to fabricate 3D cellular structures. Cell proliferation and migration profiles were observed during long-term culturing with time-dependent light microscopy images. Also cell proliferation and viability of long-term cultured tumor models were analyzed by using Alamar Blue and Live/Dead assays. Moreover, F-actin, Collagen I, and DAPI staining/immunostaining was done to investigate cellular and extracellular components of 3D cellular structures for short and long-term culture times. Finally, the dose-response of fabricated 3D structures was evaluated and compared with standard 2D cell culture by applying doxorubicin (DOX). The IC50 values were calculated for 3D cellular structure of HeLa, SaOS-2 and SH-SY5Y cells as 8.2, 7.8, and 2.1 µM respectively while IC50 values of 2D controls obtained as 3.2, 4.4, and 0.2 µM respectively. These results were also statistically analyzed and dose responses were found significantly different according to t-test, which means 3D cellular structures were more resistant to drug exposure compared to 2D cell culture.

Hücre kültürü biyolojik araştırmalar için önemli bir araçtır. İki boyutlu (2B) hücre kültürü hala kullanılmaktadır, ancak plastik yüzeyler üzerinde büyüyen hücreler doğal olmayan büyüme kinetiği ve hücre tutunması sunmaktadır. Üç boyutlu (3B) hücre kültürü, hücrelerin 3B fiziksel şekillerinde büyümesine ve doğal mikro ortamı temsil eden çevreleriyle etkileşime girmesine olanak tanır. Hidrojeller çapraz bağlı ağlardır ve çoğu yumuşak dokunun doğasını taklit etme yetenekleriyle 3B hücre kültürü için giderek daha fazla kullanılan biyomateryal haline gelmiştir. Bu tezde, Mg-aljinat hidrojel kullanılarak 3 boyutlu (3B) tümör modelleri üretmek için biyo-kalıplandırmaya dayalı yeni bir metodoloji geliştirilmiş ve ilaç tarama çalışmaları için üretilmiş 3B tümör modelleri kullanılmıştır. Mg-aljinat hidrojel, zayıf polimer-iyon etkileşimi nedeniyle diğer hidrojel türlerine kıyasla spesifik bir jelleşme/ayrılma özelliklerine sahiptir. Bu çalışmada, Mg-aljinat hidrojelin yavaş jelleşme ve kendi kendine ayrılma özelliği, 3B tümör modellerinin biyolojik olarak modellenmesi için kullanılmıştır. Plackett-Burman ve Box-Behnken tasarım modelleri, model hücre hattı olarak HeLa hücreleri kullanılırken Mg-aljinat bazlı biyo-modelleme yönteminin parametrelerini optimize etmek için kullanıldı. Daha sonra, yeni geliştirilen metodolojinin uygulanabilirliği, 3B tümör modelleri üretmek için SaOS-2 ve SH-SY5Y hücreleri kullanılarak başarıyla gösterildi. Zamana bağlı ışık mikroskobu görüntüleri ile uzun süreli kültürleme sırasında hücre çoğalması ve göç profilleri gözlendi. Ayrıca, AlamarBlue ve Live/Dead testleri kullanılarak uzun süreli kültürlenmiş tümör modellerinin hücre proliferasyonu ve canlılığı analiz edildi. Ayrıca, kısa ve uzun vadeli kültür süreleri için 3B tümör modellerinin hücresel ve hücre dışı bileşenlerini araştırmak için F-aktin, Kollajen I ve DAPI boyama/immün boyama yapıldı. Son olarak, üretilen 3B tümör modellerinin doz yanıtı değerlendirildi ve doksorubisin (DOX) uygulanarak standart 2B hücre kültürü ile karşılaştırıldı. HeLa, SaOS-2 ve SH-SY5Y hücrelerinin 3B tümör modeli için IC50 değerleri sırasıyla 8.2, 7.8 ve 2.1 µM olarak hesaplanırken, 2B kontrollerin IC50 değerleri sırasıyla 3.2, 4.4 ve 0.2 µM olarak elde edildi. Bu sonuçlar da istatistiksel olarak analiz edildi ve doz tepkileri t-testine göre önemli ölçüde farklı bulundu, bu da 3B tümör modellerinin 2B hücre kültürüne kıyasla ilaca maruz kalmaya karşı daha dirençli olduğu anlamına gelmektedir.