Development of a 3D in vitro bioprinted spheroid model to study the foreign body reaction

Abstract

Introdução: O aumento da esperança média de vida global levou a uma maior prevalência de condições degenerativas associadas à idade que exigem implantes de biomateriais. Isto intensificou a necessidade de modelos in vitro mais adequados para estudar a reação ao corpo estranho (foreign body reaction (FBR)). Atualmente, os modelos 2D convencionais não reproduzem a complexidade das interações célula-célula, enquanto que os modelos 3D ainda carecem de reprodutibilidade e relevância imunológica. Objetivo: Este trabalho teve como objetivo desenvolver e otimizar um modelo in vitro 3D bioimpresso baseado em esferoides da linha celular monocítica humana (human monocytic cell line (THP-1)), tanto isoladamente como em co-cultura com fibroblastos dérmicos humanos primários (primary human dermal fibroblasts (HDF)), com o objetivo de estudar a FBR. Métodos: Os esferoides de THP-1 foram produzidos em moldes de agarose não aderente e otimizados quanto à densidade celular, tamanho, morfologia e viabilidade. Os esferoides mistos de THP-1/HDF foram formados usando diferentes rácios de fibroblastos para macrófagos. Os esferoides foram incorporados em biotinta de gelatina metacrilada (gelatine methacrylate-based bioink (GelMA)) e bioimpressos em estruturas com geometria em grelha. A viabilidade celular e a integridade estrutural foram avaliadas por coloração Live/Dead, DAPI e análise com Rhodamine/Phalloidin. Resultados e impacto: Os esferoides de THP-1 otimizados foram reprodutíveis, compactos e com diâmetro inferior a 200 μm, reduzindo o risco de formação de um núcleo necrótico. Quanto aos esferoides combinados, o rácio 16:1 de fibroblastos/macrófagos apresentou o melhor equilíbrio entre viabilidade, morfologia e integridade estrutural. Após a bioimpressão, os esferoides mantiveram-se viáveis e preservaram a sua arquitetura. Em conclusão, este modelo revelou-se uma plataforma promissora para reproduzir interações intercelulares relevantes para a FBR e para futuros estudos sobre biomateriais e a resposta inflamatória.

Background: Increased global life expectancy has led to a higher prevalence of age-related degenerative conditions that require biomaterial implants. This has intensified the need for better in vitro models to study the FBR. Conventional 2D models fail to reproduce the complexity of cell-cell interactions, while many 3D models still lack reproducibility and immune relevance. Objective: This work aimed to develop and optimize a 3D bioprinted in vitro model based on THP-1 spheroids both alone and in co-culture with HDF, with the objective of studying the FBR. Methods: THP-1 spheroids were produced in non-adhesive agarose molds and optimized for cell density, size, morphology, and viability. Mixed THP-1/HDF spheroids were formed using different fibroblast to macrophage ratios. The spheroids were embedded in GelMA and bioprinted into grid-shaped constructs. Cell viability and structural integrity were assessed by Live/Dead staining, DAPI, and Rhodamine/Phalloidin analysis. Results and impact: The optimized THP-1 spheroids were reproducible, compact, and smaller than 200 μm, reducing the risk of necrotic core formation. Among the mixed spheroids, the 16:1 fibroblast/ macrophage ratio provided the best balance of viability, morphology, and structural integrity. After bioprinting, the spheroids remained viable and preserved their architecture. In conclusion, this model proved to be a promising platform to reproduce intercellular interactions relevant to FBR and for future studies on biomaterials and inflammatory response.