والهدف من هذا البروتوكول هو مباشرة بيولوجيا خلايا الثدي الظهارية كما الزاوي المتعددة الخلايا على شبكات البطانية شكلت قبل لإنشاء بسرعة 3D الثدي endothelial نماذج الثقافة المشتركة التي يمكن استخدامها لدراسات فحص المخدرات.
تظهر الطباعة البيولوجية كأداة واعدة لاختلاق نماذج سرطان الإنسان ثلاثية الأبعاد التي تختبأ بشكل أفضل السمات المميزة الحرجة في هندسة الأنسجة الحية. في طبقة الحالية طبقة بطباعة بيولوجية، يتم بثق الخلايا الفردية في bioink جنبا إلى جنب مع الإشارات المكانية والزمانية المعقدة لتعزيز الأنسجة الهرمية التجميع الذاتي. ومع ذلك، تعتمد تقنية المعالجة البيولوجية هذه على التفاعلات المعقدة بين الخلايا والبيوinkز والإشارات الكيميائية الحيوية والفيزيائية الحيوية. وهكذا، قد يستغرق التجميع الذاتي أيامًا أو حتى أسابيع، وقد يتطلب وجود بيوينكس معينًا، وقد لا يحدث دائمًا عندما يكون هناك أكثر من نوع خلية واحد. لذلك قمنا بتطوير تقنية لطباعة مباشرة بيولوجى قبل تشكيل 3D ظهارة الثدي الظهارية في مجموعة متنوعة من bioinks. Bioprinted قبل تشكيلها 3D ظهارة الثدي الظهارية 19999 19909 الحفاظ على حيوية والهندسة المعمارية المستقطبة بعد الطباعة. بالإضافة إلى ذلك قمنا بطباعة الـ 3D spheroids على شبكات الخلايا البطانية الوعائية لإنشاء نموذج مشترك للثقافة. وهكذا، فإن تقنية الطباعة البيولوجية الجديدة تخلق بسرعة نموذج الثدي البشري ثلاثي الأبعاد ذي الصلة من الناحية الفسيولوجية بتكلفة أقل وبمرونة أعلى من تقنيات الطباعة البيولوجية التقليدية. ويمكن استقراء هذه التقنية متعددة الاستعمالات البيولوجية لإنشاء نماذج 3D من الأنسجة الأخرى في bioinks إضافية.
3D في النماذج في المختبر الأوعية الدموية هي أدوات أساسية للدراسة الميكانيكية لنمو السرطان والانبثاث. لسرطان الثدي على وجه الخصوص، خلايا الثدي الظهارية المستزرعة في Matrigel تنظيم في spheroids المستقطبة التي تشبه بشكل أوثق في في هندسة الأمومة في1،2،3،4،5،6،7،8. 3D الثدي ظهارية الخلية الثقافة يؤثر أيضا على وظيفة الخلية, مع الثقافات 3D تظهر الاختلافات في عامل النمو البشرة (EGF) مستقبلات التشكيل8,9; وظيفة oncogene، بما في ذلك ErbB210؛ النمو و المبرمجات signaling11,12; و علاج كيميائي المقاومة13,14. الخلايا البطانية الوعائية بالمثل تستجيب بشكل مختلف للمحفزات البيئية في 3D مقابل الثقافة التقليدية 2D15,16,17,18. ومع ذلك ، فإن الكثير من فهم التفاعلات الظهارية البطانية والثدي تأتي من 2D باستخدام المتوسطة أو إدراج ترانسويل ، أو نماذج ثلاثية الأبعاد التي يتم فصلها في نوعين من الخلايا جسديا19،20،21،22،23. هذه النماذج المشتركة في الثقافة توفر رؤية فسيولوجية محدودة، منذ كل من الثقافة 3D والاتصال الخلية هي حاسمة لالأوعية البطانية – الثدي التفاعلات خلية الظهارية24,25,26.
وقد تم تصنيع نماذج السرطان 3D باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات، بما في ذلك شنقا قطرة تشكيل spheroid، والطباعة الحيوية، والتجمع المغناطيسي، والثقافة داخل الهيدروجيل أو على السقالات هندسيا5،27،28،29. في الآونة الأخيرة، تم إنشاء نماذج الورم 3D مع أنواع الخلايا المتعددة مرتبة في هياكلها 3D. في مثال واحد من منصة ورم على رقاقة، السرطان، البطانية، والخلايا السترومال اختلطت في مصفوفة ومن ثم حقنها في غرف الأنسجة المركزية الثلاث في جهاز بوليديميثيلسيلوكسيان (PDMS). كانت غرف الأنسجة تحدها قناتان خارجيتان تمثلان شريانًا وناجولًا. بعد 5-7 أيام من الثقافة، شكلت الخلايا البطانية شبكة الأوعية الدموية الدقيقة وتكاثرت الخلايا السرطانية لتشكيل أورام صغيرة بالقرب من الأوعية الدموية. ثم تم استخدام هذه المنصة لفحص المخدرات وتركيبات المخدرات30. وقد تم إنشاء منصات إضافية للورم على رقاقة لدراسة الانبثاث وأنواع السرطان مع المحفزات الميكانيكية محددة (على سبيل المثال، سلالة ميكانيكية في الرئة)31،32. ومع ذلك، فإن هذه المنصات عموما لا تشمل كلا من الأوعية الدموية والسرطان في هياكلها 3D.
يظهر Biofabrication وعدًا كبيرًا في تقدم نماذج الأورام ثلاثية الأبعاد في الأوعية الدموية ، لأنها تمكن من التحكم المكاني المحكم في موقع الخلية. على الرغم من نمو الطباعة البيولوجية على مدى العقد الماضي، تركز دراسات قليلة على الأورامتحديدا 33،34. في أحد الأمثلة، تم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لخلايا HeLa في هيدروجيل الجيلاتين/ألجينات/الفيبرينوجين لإنشاء نموذج لسرطان عنق الرحم في المختبر. كانت الخلايا السرطانية مطبوعة بيولوجياً كخلايا فردية ثم سمح لها بتشكيل spheroids ، والتي أظهرت معدل انتشار أعلى ، وزيادة تعبير مصفوفة metalloproteinase ، وsemoresistance أعلى من الخلايا في ثقافة 2D35. في هذه الدراسات، كما في كثير من الآخرين36،37، تم طباعة التعليقات الخلية المنفصلة بيولوجيا، ومن ثم تم تزويد الثقافات الخلية مع العظة الميكانيكية والبيوكيميائية اللازمة لتمكين الخلايا لتشكيل هيكل 3D. ومع ذلك، قد يستغرق التجميع الذاتي الخلوي أيامًا أو أسابيع، وقد يتطلب إشارات بيئية مكانية وزمنية معقدة، أو قد لا يحدث عندما يكون نوعان من الخلايا مُزَمَّقَين. على سبيل المثال، خلايا الثدي الظهارية الناجمة موت الخلايا في الخلايا البطانية في 2D المشتركة في الثقافة، والخلايا الظهارية الثدي تفكك لم تشكل 3D spheroids عندما مطبوعة بيولوجيا في الهيدروجين / الجيلاتينhydrogels 38. فصل الثدي الظهارية أو الخلايا السرطانية شكلت spheroids في bioinks alginate القائمة فقط عندما تتشابك في قوالب PDMS دائرية. في حالات أخرى، تم تشكيل spheroids باستخدام قطرات معلقة في مرفق منخفضة جدا لوحات الآبار الدائرية ثم مختلطة في bioinks alginate القائمة39،40.
نحن الآن وصف بديل 3D الأنسجة البيولوجية طريقة في هذا البروتوكول. بدلا من البذور تفكك الخلايا والانتظار لهذه الخلايا لتشكيل هياكل 3D، ونحن وصف كيفية إنشاء و bioprint 3D الورم spheroids على شبكة أنبوب الأوعية الدموية لإنشاء نموذج الورم الثقافة المشتركة التي يمكن استخدامها على الفور تقريبا. يمكن زراعة الوريث الورمي في المختبر أو مشتق من الأنسجة البشرية (العضويات). وبالمثل، يمكن زراعة أنابيب الأوعية الدموية أو يمكن أن تستمد من شظايا الأنسجة الدهنية الدقيقة الأوعية الدموية. يمكن أن تتراوح Bioinks من ألجينات غير نشطة بيولوجيا إلى ماتريجل41نشطة بيولوجيا للغاية . منذ هذا الورم 3D المشتركة في الثقافة نموذج يمكن إنشاؤها مع مجموعة متنوعة من هياكل الخلايا وbioinks، فإنه يمكن أن تتضمن أنواع الخلايا المتعددة، المصفوفات خارج الخلية، وتدرجات chemokine15،42. وفي حين أنه لا يمكن في صياغته الحالية أن تكون شبكات البطانية مُطعّمة، فإن التكرارات المستقبلية يمكن أن تدمج هذه الطريقة مع أنظمة الـ microfluids أو الأنظمة على الشريحة. Bioprinting 3D ظهارة الثدي الظهارية على شبكات الضمان تمكن biofabrication السريع من نماذج الثدي البشري لاختبار المخدرات و الطب الدقيق شخصية27.
هذا البروتوكول هو الأول من نوعه لـ bioprint spheroids في هندستها المعمارية ثلاثية الأبعاد من أجل المشاركة في الثقافة مع الخلايا البطانية أيضًا في هندستها ثلاثية الأبعاد. وتشمل خطوات البروتوكول الحاسمة التكوين الأولي لبشرة الثدي الظهارية وشبكات HUVEC. يجب توخي الحذر الشديد في تغذية الظهارية الثدي sp…
The authors have nothing to disclose.
تم تمويل هذا البحث من قبل المعاهد القومية للصحة 1R01HL140239-01 إلى AMC. نود أن نشكر مركز التصوير الخلوي في جامعة دريكسل.
37°C incubator, 5% CO2 and 95% humidity | Sanyo | MCO-20AIC | Cell incubation |
3D Bio printer | custom-made | None | Used for bioprinting |
8-well chamber slides | VWR, Radnor, PA | 53106-306 | for seeding spheroids |
25-gauge needle | Sigma, St. Louis, MO | Z192406-100EA | bioprinting syringe needle |
Absolute ethanol (200 proof ) | Sigma, St.Louis, MO | E7023-500ML | reconsitution of media components |
Affinipure F(ab′)2 fragment goat anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch, West Grove, PA | 115006020 | secondary block – Immunofluorescence |
Alexa Fluor 488 (1:200) | Thermo Fisher, Waltham, MA | A-11006 | Seconday antibody-Immunofluorescence |
Bovine insulin | Sigma, St.Louis, MO | I-035-0.5ML | MCF10A Media additive |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma, St.Louis, MO | A2153-500G | Blocking agent -Immunofluorescence |
Falcon 70 µm Cell Strainer | Corning, Corning, NY | 352350 | Remove large or clustered spheroids |
CellTracker™ Red CMTPX Dye | Thermo Fisher, Waltham, MA | C34552 | pre-stain for HUVEC tubes |
Compact Centrifuge | Hermle- Labnet, Edison ,NJ | Z206A | For cell centrifugations |
Cholera Toxin | Sigma, St.Louis, MO | C8052-.5MG | MCF10A Media additive |
Conical tubes 15 mL | VWR, Radnor, PA | 62406-200 | Collecting and resuspending cells |
Countess II-FL Cell counter | Thermo Fisher, Waltham, MA | AMQAF1000 | counting cells |
Glass pipettes (10 mL) | VWR, Radnor, PA | 76184-746 | cell resuspension |
DMEM F:12 | Thermo Fisher, Waltham, MA | 11320033 | MCF10A basal media |
DMEM 1X | VWR, Radnor, PA | 10-014-CV | MDA-MB-231 basal media |
Endothelial Basal Medium-2 (EBM-2) | Lonza, Durham, NC | CC-3156 | HUVEC basal media |
Endothelial Growth Medium-2 (EGM-2) | Lonza, Durham, NC | CC-3162 | Accompanied with a Bulletkit (containing growth factors) |
Alexa Fluor™ 488 Phalloidin | Thermo Fisher, Waltham, MA | Labelling MDA-MB-231 spheroids | |
Fetal Bovine serum | Cytiva, Logan, UT | SH30071.03 | HUVEC/MDA-MB-231 media additive |
Goat serum | Thermo Fisher, Waltham, MA | 16210064 | Live and dead cell stain assay for cell viability |
Glycine | Sigma, St.Louis, MO | G8898-500G | immunofluorescence buffer component |
Hoescht 33342 | Thermo Fisher, Waltham, MA | 62249 | Nuclei stain immunofluorescence |
Horse Serum | Thermo Fisher, Waltham, MA | 16050130 | MCF10A Media additive |
Hydrocortisone | Sigma, St.Louis, MO | H0888-5G | MCF10A Media additive |
Human Umblical Vein Endothelial cells (HUVECs) | Cell applications, San Diego , CA | 200-05f | Endothelial cell lines |
Integrin α6 | Millipore, Billerica, MA | MAB1378 | Immunofluorescence spheroid labelling component |
Live Dead assay | Thermo Fisher, Waltham, MA | L3224 | Live and dead cell stain assay for cell viability |
LSM 700 Confocal microscope | Zeiss, Thornwood, NY | Used to visualize cells | |
Matrigel – growth factor reduced 10 mg/ml | VWR, Radnor, PA | 354230 | Spheroid formation |
MCF10A cells | ATCC | CRL-10317 | Breast cell line |
MDA-MB-231 cells | ATCC | HTB-26 | Breast cell line |
Paraformaldehyde | Sigma, St.Louis, MO | 158127-500G | cell fixative |
Penicillin and streptomycin | Thermo Fisher, Waltham, MA | 15140122 | MCF10A / MDA-MB-231/HUVEC Media additive |
Phosphate Buffered Saline 1X (PBS) | Thermo Fisher, Waltham, MA | 7001106 | Wash buffer for cells before trypsinization |
Phosphate buffer saline 10X | Thermo Fisher, Waltham, MA | AM9625 | immunofluorescence buffer component |
Prolong gold antifade | Thermo Fisher, Waltham, MA | P36934 | immunofluorescence mountant medium |
Recombinant Human Epidermal Growth Factor, EGF | Peprotech, Rocky Hill, NJ | AF-100-15 | MCF10A/ assay media component |
Sodium Azide | Sigma, St.Louis, MO | S2002-25G | immunofluorescence buffer component |
Sterile syringe (10 mL) | VWR, Radnor, PA | 75846-757 | bioprinting process |
Tissue culture dish (10cm) | VWR, Radnor, PA | 25382-166 | monolayer cell culture |
Triton X-100 | Sigma, St.Louis, MO | T8787-250ML | immunofluorescence buffer component |
Trypan blue 0.4% | Thermo Fisher, Waltham, MA | 15250061 | cell counter additive |
Trypsin-EDTA 0.05% | Thermo Fisher, Waltham, MA | 25300054 | cell detachment |
Tween -20 | Thermo Fisher, Waltham, MA | 85113 | immunofluorescence buffer component |
>Vascular Endothelial Growth factor (VEGF165) | Peprotech, Rocky Hill, NJ | 100-20 | HUVEC tube additive |
Volocity 6.3 cell imaging software | PerkinElmer, Hopkinton, MA | Z stack compresser |