배양 된 세포를 세포 열 효과를 조사하기 위해 가열하는 연속파 툴륨 레이저
Summary
1.94 μm 연속파 레이저 방사를 사용하여 배양 접시에서 세포를 가열하는 독창적 인 실험 장치를 소개합니다. 이 방법을 사용하여 다양한 열 노출 후 망막 색소 상피 세포 (RPE)의 생물학적 반응을 조사 할 수 있습니다.
Abstract
생물학적 평가를 위해 1.94 μm 연속파 툴륨 레이저를 사용하여 배양 된 세포를 가열하는 독창적 인 방법을 소개합니다. 툴륨 레이저 방사는 물에 강하게 흡수되며 배양기 바닥의 세포는 열 확산을 통해 가열됩니다. 365 μm의 직경을 가진 레이저 섬유는 배양 접시의 약 12 cm 위에 놓여 있으며, 레이저 빔 직경은 배양 접시 (30 mm)의 내경과 거의 동일합니다. 각 실험에서 일관된 양의 배양 배지를 유지함으로써 재현성 높은 온도 증가로 세포를 조사 할 수 있습니다.
각각의 파워 세팅을 위해 하나의 세포 배양 접시에서 온도 증가 및 그 분포를 보정하기 위해, 온도는 상이한 위치 및 세포 수준에서 10 초 동안 조사되었다. 온도 분포는 수학 그래픽 소프트웨어프로그램, 문화 격판 덮개의 맞은 편에 그것의 본은 가우스 모양에서이었다. 레이저 조사 후, 온도 의존성 세포 반응을 평가하기 위해 상이한 생물학적 실험을 수행 할 수있다. 이 원고에서 생존 염색 (생존, 세포 자멸 및 사멸 세포 구별)은 시간 경과에 따른 세포 사멸 및 사망의 역치 온도를 결정하는 데 도움이됩니다.
이 방법의 장점은 전체 세포 배양 접시에서 가열 세포의 고효율뿐만 아니라 온도 및 가열 시간의 정확성입니다. 또한, 컴퓨터 운영 체제로 잘 제어 할 수있는 다양한 온도 및 시간 간격으로 학습 할 수 있습니다.
Introduction
온도 의존성 세포 생물학적 반응을 이해하는 것은 성공적인 고온 치료에 매우 중요합니다. 안과에서 사용되는 열 레이저로 망막 레이저 광응고술은 의학에서 가장 잘 알려진 레이저 치료법 중 하나입니다. 주로 녹색에서 노란색 파장의 가시 광선이 망막 레이저 치료에 사용됩니다. 빛은 망막 색소 상피 (RPE) 세포에서 멜라닌에 의해 많이 흡수되며 망막의 최 외각 세포 단층을 형성합니다. 여러 종류의 망막 장애에 대한 새로운 치료 전략으로 매우 가벼운 열 방사선 (sub-visible photocoagulation)에서 의사와 연구자들 사이에 최근의 관심이있었습니다 1,2 . 이러한 추세에 따라, 우리의 관심은 온도 조절 광열 요법 (TC-PTT)이라는 정확한 온도 조절하에 RPE 세포를 치사 적으로 가열하는 것에 있습니다.
최근 옵토우리 연구소의 음향 기술은 망막의 조사 된 부위에서 온도 증가를 실시간으로 측정 할 수있게 해주었습니다. 이로써 조사 중 온도 상승을 제어 할 수 있습니다 3 . 그러나 온도를 측정하고 조절할 수 없기 때문에 RPE 세포를 준 사염 적으로 가열함으로써 망막의 치명적이지 않은 고열이 이전에 고려되지 않았기 때문에 열 레이저 조사 후 RPE 세포의 온도 의존 세포 반응은 지금까지 연구 된 적은 거의 없다. 더욱이, 온도차는 상세하게 논의되지 않았을뿐만 아니라 준 치명적 및 치명적 조사 후에 살아남은 세포의 세포 행동의 차이도 또한 상세하게 논의되지 않았다. 따라서 TC-PTT 기반 치료법에 대한 과학적 증거를 수집하기 위해 우리는 온도 의존적 인 RPE 세포 생물학적 반응 및 시험 관내 실험 장치를 사용하여 그 기전을 밝혀내는 것을 목표로한다.
t그의 목적은 다음과 같은 조건을 충족시키는 세포 가열 장치를 확립하는 것이 필요하다 : 1) 빠른 온도 증가 가능성, 2) 정확한 시간 및 온도 제어, 3) 생물학적 실험을위한 비교적 많은 수의 검사 세포 . 가열 방법과 관련하여, 주파수가 두 배로 증가한 Nd.YAG 레이저 (532 nm)와 같은 임상 레이저는 불행히도 세포 배양 가열에 적합하지 않습니다. 이는 배양 된 RPE 세포에서 멜라노 좀의 수가 크게 감소했기 때문입니다. 레이저 광 흡수는 불균일 할 수 있으며 세포 수준에서의 온도 증가는 동일한 복사 전력으로 조사 된 경우에도 실험간에 가변적입니다. 몇몇 이전의 연구는 실험 5 , 6 전에 배양 세포에 의해 탐식 된 추가 멜라노 좀의 사용 또는 조사 4 동안 접시 바닥 아래에 검은 종이의 사용을보고했다. 많은온열 플레이트, 수 욕조 또는 온도 설정이 7 인 CO2 배양기를 사용하여 고열로 유발 된 세포 반응을 평가하기위한 시험 관내 생물학적 연구가 수행되었습니다. 이러한 방법은 원하는 온도에 도달하는 데 약간의 시간 ( 즉, 몇 분)이 걸리므로 가열 시간이 길어야합니다. 또한, 이러한 방법을 사용하면 세포 수준에서 상세한 열 이력 (시간에 온도를 곱한 값)을 얻는 것이 어렵습니다. 또한, 하나의 배양 접시에서 상이한 위치의 세포들 사이의 온도는 가변 온도 확산으로 인해 다를 수있다. 생물학적 세포 반응이 온도의 증가와 온도의 지속 시간에 의해 결정적으로 영향을받을지라도, 대부분의 경우 고온 치료 중이 시간 및 공간 온도 정보는 생물학적 분석을 위해 고려되지 않았습니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 conti여기에 nuous-wave thulium 레이저를 사용하여 세포를 가열했다. 툴륨 레이저 방사 (λ = 1.94 μm)는 물에 의해 강하게 흡수되며, 배양 접시의 바닥에있는 세포는 열확산을 통해 단독으로 열 자극을 받는다. 365-μm 직경의 레이저 섬유는 배양 접시 위에서 약 12cm 위에 놓았으며 그 사이에는 광학 장치가 없습니다. 레이저 광선의 직경은 배양 접시 표면의 배양 접시 (30mm)의 내경과 거의 동일하게 발산한다. 배양액의 양이 일정한 경우 세포의 온도 상승을 조사 할 수있다 높은 반복성. 가변 출력 설정은 최대 20W의 조사가 가능하며 세포 수준의 중간 온도는 10 초 동안 ΔT ≈ 26 ° C까지 증가 할 수 있습니다.
조사 조건을 변경함으로써, 레이저 빔 프로파일을 변경하여 온도 분포를 변화시킬 수있다문화 요리에. 예를 들어, 현재의 연구 에서처럼 가우스 형태의 온도 분포로 또는 균질 한 온도 분포로 조사하는 것이 가능합니다. 후자는 치명적이지 않은 온도 증가에 대해서는 온도 의존성 세포 반응의 효과를 조사하는데 유리하지만 세포 사멸 스트레스 또는 상처 치유 반응에는 유리하지 않을 수있다.
전체적으로, 툴륨 레이저 조사는 상이한 열 노출 후에 유전자 / 단백질 발현, 세포 사멸 동력학, 세포 증식 및 세포 기능 발달과 같은 여러 종류의 생물학적 요인을 조사 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
온도와 관련된 생물학적 세포 반응을 논의 할 때, 대부분의 생화학 적 과정은 시간에 의존하기 때문에 온도뿐 아니라 증가 된 온도의 지속 시간도 중요합니다. 특히 안과에서 레이저로 유발되는 고열의 경우 밀리 초에서 초까지의 짧은 시간 범위로 인해 정확한 온도 제어로 세포 열 효과를 조사하기가 어렵습니다. 따라서, 세포 배양 모델 및 엄격한 온도 및 시간 제어를 가능하게하는 조작 시스템…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 독일 연방 교육 연구부 (BMBF) (부여 # 13GW0043C)와 유럽 우주 항공 연구 개발국 (EOARD, grant # FA9550-15-1-0443)의 연구비 지원에 의해 지원되었으며,
Materials
| Reagents | |||
| Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium – high glucose | Sigma-Aldrich | D5796-500ML | Add (2)-(4) before use. Warm in 37°C water bath before use. |
| Antibiotic Antimycotic Solution (100×) | Sigma-Aldrich | A5955-100ML | Containing 10000 units penicillin, 10 mg streptomycin and 25 μg Amphotericin B in 1ml. Add 5.5 ml in 500 ml medium bottle (1) before use. |
| Sodium pyruvate (100 mM) | Sigma-Aldrich | S8636-100ML | Add 5.5 ml in 500 ml medium bottle (1) before use (final concentration: 1 mM) |
| Porcine serum | Sigma-Aldrich | 12736C-500ML | Add 50 ml in 500 ml medium bottole (1) before use (final: 10%) |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537-500ML | |
| Trypsin from porcine pancreas | Sigma-Aldrich | T4799-25G | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | ED-100G | |
| Human VEGF Quantikine ELISA Kit | R&D System | DVE00 | |
| Oxiselect Total Glutathione Assay Kit | Cell Biolabs, Inc | STA-312 | |
| Apoptotic/Necrotic/Healthy Cells Detection Kit | PromoKine | PK-CA707-30018 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipments | |||
| Thulium laser | Starmedtec GmbH | Prototype | 0-20 W |
| 365 mm core diameter fiber | LASER COMPONENTS Germany | CF01493-52 | |
| Thermocouple | Omega Engineering Inc | HYP-0- 33-1-T-G-60-SMPW-M | |
| Heating plate | MEDAX | ||
| Microplate reader (spectrofluorometer) | Molecular Device | Spectramax M4 | |
| cell homogenizer | QIAGEN | TissueLyser LT | |
| Fluorescence microscope | Nikon | ECLIPSE Ti | |
| mathematical software program | The Mathworks. Inc | MATLAB Release 2015b | |
| system-design platform | National Instrument | Labview | Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench |
Referenzen
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