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From waste to value : fish bone derived collagen to prepared 3D cell models
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Authors
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Abstract(s)
Three-dimensional (3D) cell culture systems have been developed as superior models to two-dimensional (2D) cell cultures. The use of 3D systems has been shown to improve cellular morphology, proliferation and signalling, replicating the extracellular matrix (ECM) in a more accurate manner. Hydrogels are particularly well-suited to these three-dimensional systems. Agarose, a biocompatible polysaccharide, provides structural support, while collagen enhances bioactivity and cell adhesion. Agarose-collagen hydrogels thus represent an optimal matrix for three-dimensional cell culture applications, combining the mechanical integrity of agarose with the biofunctionality of collagen. Considering the increasing focus on sustainability, fish bone-derived collagen represents a promising alternative to common type I collagen. This approach aligns with the principles of a circular economy, whereby waste from fish processing is transformed into valuable biomaterials. The present study evaluates collagen extracted from fish bones through three methods: a shorter extraction at a higher temperature, yielding smaller peptides, with some bones pre-treated with ultrasound (US) and others without (NUS); and a longer extraction at a lower temperature (4ºC) to better preserve the collagen structure. The biocompatibility, stability, mechanical properties and potential for spheroid growth from human osteosarcoma cell lines of hydrogels containing collagen extracts at concentrations of 0.02% and 0.04% were evaluated. The 4°C method preserved collagen’s native structure best, resulting in hydrogels with greater stability and cell viability. Conversely, US extraction yielded higher collagen amounts but produced fragmented peptides that led to rapid collagen release and limited spheroid support. NUS extraction offered a middle ground, achieving a balance between stability and bioactivity. Additionally, higher collagen concentrations (0.04%) increased the stability and mechanical resilience without enhancing cellular growth, while lower concentrations (0.02%) supported spheroid culture effectively. This study highlights fish bone collagen as a sustainable material for 3D cell culture and the valorisation of fish waste in tissue engineering.
Os sistemas de cultura celular tridimensionais (3D) foram desenvolvidos como modelos superiores às culturas celulares bidimensionais (2D). O uso de sistemas 3D tem demonstrado melhorar a morfologia celular, a proliferação e a sinalização, replicando a matriz extracelular (MEC) de uma forma mais precisa. Os hidrogéis são particularmente adequados para estes sistemas tridimensionais, sendo que a agarose, um polissacarídeo biocompatível, oferece suporte estrutural, enquanto o colagénio melhora a bioatividade e a adesão celular. Os hidrogéis de agarose-colagénio combinam a integridade mecânica da agarose com a biofuncionalidade do colagénio, representando uma matriz ideal para aplicações em cultura celular 3D. Considerando o crescente foco na sustentabilidade, o colagénio derivado de ossos de peixe surge como uma alternativa promissora ao colagénio tipo I, alinhando-se com os princípios da economia circular, em que os resíduos da indústria de peixe são transformados em biomateriais valiosos. O presente estudo avalia o colagénio extraído de espinhas de peixe através de três métodos: uma extração mais curta a uma temperatura mais elevada, produzindo péptidos mais pequenos, com alguns ossos pré tratados com ultrassons (US) e outros sem (NUS); e uma extração mais longa a uma temperatura mais baixa (4ºC) para preservar melhor a estrutura do colagénio. Foram avaliadas a biocompatibilidade, a estabilidade, as propriedades mecânicas e o potencial de crescimento de esferóides de linhas celulares de osteossarcoma humano de hidrogéis contendo os extratos de colagénio nas concentrações de 0,02% e 0,04%. O método 4°C preservou melhor a estrutura nativa do colagénio, resultando em hidrogéis com maior estabilidade e viabilidade celular. Por outro lado, a extração US produziu maiores quantidades de colagénio, mas produziu péptidos fragmentados que levaram a uma rápida libertação de colagénio e a um suporte limitado dos esferóides. A extração NUS ofereceu um meio-termo, alcançando um equilíbrio entre estabilidade e bioatividade. Além disso, concentrações mais elevadas de colagénio (0,04%) aumentaram a estabilidade e a resiliência mecânica sem melhorar o crescimento celular, enquanto concentrações mais baixas (0,02%) suportaram eficazmente a cultura de esferóides. Este estudo destaca o colagénio de espinhas de peixe como material sustentável para cultura celular 3D e valorização de resíduos de peixe na engenharia de tecidos.
Os sistemas de cultura celular tridimensionais (3D) foram desenvolvidos como modelos superiores às culturas celulares bidimensionais (2D). O uso de sistemas 3D tem demonstrado melhorar a morfologia celular, a proliferação e a sinalização, replicando a matriz extracelular (MEC) de uma forma mais precisa. Os hidrogéis são particularmente adequados para estes sistemas tridimensionais, sendo que a agarose, um polissacarídeo biocompatível, oferece suporte estrutural, enquanto o colagénio melhora a bioatividade e a adesão celular. Os hidrogéis de agarose-colagénio combinam a integridade mecânica da agarose com a biofuncionalidade do colagénio, representando uma matriz ideal para aplicações em cultura celular 3D. Considerando o crescente foco na sustentabilidade, o colagénio derivado de ossos de peixe surge como uma alternativa promissora ao colagénio tipo I, alinhando-se com os princípios da economia circular, em que os resíduos da indústria de peixe são transformados em biomateriais valiosos. O presente estudo avalia o colagénio extraído de espinhas de peixe através de três métodos: uma extração mais curta a uma temperatura mais elevada, produzindo péptidos mais pequenos, com alguns ossos pré tratados com ultrassons (US) e outros sem (NUS); e uma extração mais longa a uma temperatura mais baixa (4ºC) para preservar melhor a estrutura do colagénio. Foram avaliadas a biocompatibilidade, a estabilidade, as propriedades mecânicas e o potencial de crescimento de esferóides de linhas celulares de osteossarcoma humano de hidrogéis contendo os extratos de colagénio nas concentrações de 0,02% e 0,04%. O método 4°C preservou melhor a estrutura nativa do colagénio, resultando em hidrogéis com maior estabilidade e viabilidade celular. Por outro lado, a extração US produziu maiores quantidades de colagénio, mas produziu péptidos fragmentados que levaram a uma rápida libertação de colagénio e a um suporte limitado dos esferóides. A extração NUS ofereceu um meio-termo, alcançando um equilíbrio entre estabilidade e bioatividade. Além disso, concentrações mais elevadas de colagénio (0,04%) aumentaram a estabilidade e a resiliência mecânica sem melhorar o crescimento celular, enquanto concentrações mais baixas (0,02%) suportaram eficazmente a cultura de esferóides. Este estudo destaca o colagénio de espinhas de peixe como material sustentável para cultura celular 3D e valorização de resíduos de peixe na engenharia de tecidos.
Description
Keywords
3D cell culture Fish bone derived collagen Circular economy Agarose-collagen-based hydrogel Tissue engineering Cultura de células 3D Colagénio derivado de espinhas de peixe Economia circular Hidrogel à base de agarose e colagénio Engenharia de tecidos
Pedagogical Context
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