Characterization and Biofabrication of Keratinocytes at the Single-Cell Level in Normal and Pathological Conditions

Abstract

Keratinositler cildin korunması ve dolayısıyla genel sağlık için çok önemlidir. Yapısal bütünlüğü ve yara iyileşmesini desteklemek amacıyla hücre kültürü çalışmalarında sıklıkla modellenmektedirler. Bu çalışma, keratinosit yoğunluğunu tek hücre düzeyinde ölçmek için manyetik kaldırma tekniğini kullanarak hassas yöntemler geliştirmeyi ve ölçümlerdeki varyasyonların normal ve patolojik koşullarda keratinosit davranışını ve işlevini nasıl etkilediğini araştırmayı amaçlamaktadır. Buna ek olarak, MagLev teknolojisi aracılığıyla 3D keratinosit yapıları oluşturmayı ve bunların doku mühendisliği için yapısal bütünlüğünü ve işlevselliğinin değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Bu çalışmada, manyetik alandaki davranışlarını incelemek için dört farklı HaCaT hücre grubu kullanılmıştır. Tek hücre yoğunluğu ölçümlerimiz, özellikle G45E grubunda HaCaT hücreleri için standardizasyon ve tekrarlanabilirliği gösteren önemli farklılıklar ortaya koymuştur. Önceki çalışmalarda çeşitli hücre tiplerinin yoğunluğu belirlenmiştir, ancak keratinositler bu bağlamda ilk kez incelenmiştir. Biyofabrikasyon deneylerinde, G45E grubunda deneysel standardizasyonumuzu daha da doğrulayan önemli levitasyon yüksekliği farklılıkları kaydedilmiştir. Agaroza aktarılan manyetik levitasyon kültürü, dağınık yapılar oluşturan doğrudan aktarıma kıyasla daha tutarlı sferoid yapılarla sonuçlanmıştır. Böylece, keratinosit yapıları manyetik kaldırma ile bütünlüklerini korumuş ve daha fazla 3D kültürü oluşumunu kolaylaştırmıştır. Sonuçlar keratinositlerin biyofiziksel özelliklerinin anlaşılmasını geliştirmekte ve etiketsiz, iskelesiz manyetik kaldırmanın doku mühendisliği için pratik bir alternatif olabileceğini göstermektedir. Bu yaklaşım negatif manyetoforez yoluyla, geleneksel iskeleler olmadan karmaşık 3D yapılar oluşturmak için hücre ve doku düzeyinde biyomühendislik çalışmalarına önemli bir potansiyel sunmakta ve yeni, yoğunluğa dayalı bir tespit yöntemi sağlamaktadır.

Keratinocytes are crucial for skin protection thus overall health. They are often modeled in cell culture studies to promote structural integrity and wound healing purposes. This study aims to develop precise methods using magnetic levitation technique for measuring keratinocyte density at the single cell level and to investigate how variations in measurements affect keratinocyte behavior and function in normal and pathological conditions. In addition, through MagLev technology, we seek to create 3D keratinocyte constructs and assess their structural integrity and functionality for tissue engineering. In this study four different HaCaT cell groups were used to examine their behavior in a magnetic field. Our single cell density measurements revealed significant differences, particularly in the G45E group, demonstrating standardization and reproducibility for HaCaT cells. Previous studies have determined the density of various cell types, but keratinocytes were examined for the first time in this context. In biofabrication experiments, significant levitation height differences were noted in the G45E group, further confirming our experimental standardization. Magnetic levitation culture transferred to agarose resulted in more consistent spheroid structures compared to direct transfer, which formed disorganized structures. Thus, keratinocyte structures maintained their integrity with magnetic levitation, facilitating further 3D culture. The results improve the understanding of the biophysical properties of keratinocytes and demonstrate that label-free, scaffold-free magnetic levitation can be a practical alternative for tissue engineering. This approach via negative magnetophoresis offers significant potential in bioengineering at the cell and tissue level to create complex 3D structures without conventional scaffolds, providing a novel, density-based detection method.