Bioprinting of hiPSCs-derived endothelial and neural progenitor cells for the study of neural vascularization

The brain is the most complex organ of the human body and various aspects of its functioning are still unknown, restricting our ability to recreate the brain in vitro. It is composed of several types of cells interacting among each other and is irrigated by a complex vascular network that supplies the brain with oxygen and nutrients and removes metabolic waste products, serving also as one of the main signaling pathways. Despite the importance of vascularization and the numerous research works in the field, the engineering of a vascularized brain tissue is still a big challenge. In the present thesis work 3D bioprinting is used in the attempt to shed light on the process of brain vascularization. Endothelial and neural progenitor cells were successfully differentiated from human iPSCs. A hydrogel composed of sodium alginate dissolved in egg white was formulated and characterized by measuring swelling degree, water content, Young's modulus and rheological properties. Printability and biocompatibility of the inks were evaluated. The materials showed a high shape fidelity but need to be improved to increase cell adhesion and spreading. The work must be taken forward including the hiPSC-derived ECs and NPCs into the optimized material and bioprinting a construct that allows the study of neural vascularization, analyzing endothelial cells migration and vasculature formation over time.

Il cervello è l'organo più complesso del corpo umano e diversi aspetti del suo funzionamento sono ancora sconosciuti, limitando la possibilità di ottenere un modello del cervello in vitro. È composto da diversi tipi di cellule che interagiscono tra loro ed è irrorato da una complessa rete vasculare che fornisce al cervello ossigeno e nutrienti e rimuove i prodotti di scarto, oltre ad essere una delle principali vie di comunicazione. Nonostante l'importanza della vascolarizzazione e i numerosi lavori di ricerca nel campo, la creazione di un tessuto nervoso vascolarizzato rimane una sfida. Nel presente lavoro di tesi la stampa 3D è stata utilizzata nel tentativo di fare luce sul processo di vascolarizzazione del cervello. Cellule endoteliali e progenitori delle cellule neuronali sono stati differenziati con successo a partire da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs). Un idrogelo composto da alginato di sodio dissolto in albume è stato formulato e caratterizzato misurando grado di rigonfiamento, contenuto d'acqua, modulo di Young e proprietà reologiche. Sono state poi valutate la stampabilità e la biocompatibilità dei materiali. I materiali hanno dimostrato un elevata shape fidelity ma devono essere perfezionati per aumentare l'adesione e l'espansione cellulare. La continuazione del progetto prevede l'inclusione delle cellule endoteliali e neuronali ottenute dalle iPSCs nel materiale precedentemente ottimizzato e la stampa di un struttura che permetta di studiare la vascolarizzazione del tessuto nervoso, analizzando la migrazione delle cellule endoteliali e la formazione di una rete vascolare nel tempo.