Design and fabrication of alginate-chitosan hydrogel membranes to mimic the glomerular filtration barrier of the kidney

The aim of this thesis work was to develop a set of biocompatible hydrogel membranes based on biocompatible polysaccharides, which were able to mimic the kidney glomerular basement membrane (GBM) of human kidney. These membranes were fabricated according to a formation of a calcium alginate template followed by a layer-by-layer self-assembly of chitosan and sodium alginate. This procedure aimed at developing new hydrogel scaffolds for in vitro models which are needed to study kidney glomerular alterations under chronic pathological conditions. The buildup of scaffolds for 3D cell-culture tests represents a field of particular interest in tissue engineering since it enables to lead realistic tests in vitro before moving to experiments in vivo. Firstly it was studied how to get a gel membrane uniform in shape and surface depending on template preparation and layer-by-layer stratification of the two polyelectrolytes. The choice of these naturally-derived polymers was due to their structural similarities with the extracellular matrix, high biocompatibility, easy availability and processing. Once the best fabrication method was identified, different tests were carried out to obtain a physico-chemical characterization of the biomaterials, since they must comply with well-defined parameters such as morphology, thickness, elastic response, permeability. The study of the cellular response in presence of the hydrogel films, in particular cell adhesion, was performed at Nephrology Lab, Fondazione IRCCS Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico Milano with three types of cells, namely: fibroblasts, endothelial cells and podocytes. Preliminary physicochemical and biological data suggest that these materials could be used in future to obtain in vitro glomerular filtration barrier (GFB) models, as basics tools to characterize the passage of therapeutic agents, nanomaterials, toxic materials through the kidney, underlying mechanism by which cell/tissue damage by chronic kidney diseases alter GFB permeability, and finally screening the efficacy of new drugs in repairing glomerular cells and tissue.

L’obiettivo di questa tesi è la costruzione di un set di membrane in idrogel costituite da polisaccaridi biocompatibili, capaci di simulare la membrana basale glomerulare (GBM) del rene umano. Tali membrane sono state ottenute costruendo un template in calcio alginato seguito da assorbimenti di chitosano e sodio alginato secondo la tecnica del layer-by-layer. Questa procedura si propone di sviluppare un nuovo scaffold in idrogel per modelli in vitro necessari a studiare le alterazioni glomerulari dovute a patologie croniche. La costruzione di scaffolds per test di coltura cellulare 3D rappresenta un campo di ampio interesse nell’ingegneria tissutale, poiché permette di condurre test realistici in vitro prima di spostarsi su esperimenti in vivo. Per prima cosa si è studiato come ottenere una membrana in gel uniforme in riferimento alla preparazione del template e alla stratificazione layer-by-layer dei due polielettroliti. La scelta di polimeri di derivazione naturale è dovuta alle somiglianze strutturali con la matrice extracellulare, all’elevata biocompatibilità, alla disponibilità e alla lavorazione. Una volta individuato il miglior metodo di fabbricazione, sono stati condotti diversi test per ottenere una caratterizzazione chimico-fisica dei biomateriali i quali devono seguire parametri ben definiti in termini di morfologia, spessore, risposta elastica, permeabilità. Lo studio della risposta cellulare alla presenza del film in idrogel, in particolare l’adesione cellulare, è stato eseguito presso il Laboratorio di Nefrologia, Fondazione IRCCS Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico Milano con tre tipi di cellule: fibroblasti, cellule endoteliali e podociti. I dati preliminari chimico-fisici e biologici suggeriscono che questi materiali possono essere usati in futuro per ottenere modelli in vitro della barriera di filtrazione renale (GFB) e come strumenti base per caratterizzare il passaggio di agenti terapeutici, nanomateriali e materiali tossici attraverso i reni, chiarendo il meccanismo con cui i danni dovuti a malattie renali croniche alterino la permeabilità della GFB e valutando l’efficacia di nuovi farmaci per riparare cellule del glomerulo e tessuti.