Summary

미세 패턴 혈관 근육 박막의 확장 문화 미세 유체 Genipin 증착 기술

Published: June 26, 2015
doi:

Summary

We present a method for microfluidic deposition of patterned genipin and fibronectin on PDMS substrates, allowing extended viability of vascular smooth muscle cell-dense tissues. This tissue fabrication method is combined with previous vascular muscular thin film technology to measure vascular contractility over disease-relevant time courses.

Abstract

The chronic nature of vascular disease progression requires the development of experimental techniques that simulate physiologic and pathologic vascular behaviors on disease-relevant time scales. Previously, microcontact printing has been used to fabricate two-dimensional functional arterial mimics through patterning of extracellular matrix protein as guidance cues for tissue organization. Vascular muscular thin films utilized these mimics to assess functional contractility. However, the microcontact printing fabrication technique used typically incorporates hydrophobic PDMS substrates. As the tissue turns over the underlying extracellular matrix, new proteins must undergo a conformational change or denaturing in order to expose hydrophobic amino acid residues to the hydrophobic PDMS surfaces for attachment, resulting in altered matrix protein bioactivity, delamination, and death of the tissues.

Here, we present a microfluidic deposition technique for patterning of the crosslinker compound genipin. Genipin serves as an intermediary between patterned tissues and PDMS substrates, allowing cells to deposit newly-synthesized extracellular matrix protein onto a more hydrophilic surface and remain attached to the PDMS substrates. We also show that extracellular matrix proteins can be patterned directly onto deposited genipin, allowing dictation of engineered tissue structure. Tissues fabricated with this technique show high fidelity in both structural alignment and contractile function of vascular smooth muscle tissue in a vascular muscular thin film model. This technique can be extended using other cell types and provides the framework for future study of chronic tissue- and organ-level functionality.

Introduction

이러한 뇌 혈관 경련, 2, 3, 고혈압, 동맥 경화증 및 4와 같은 혈관 질환은 서서히 발전 전형적으로 사실상 만성적이며, 혈관 평활근 세포 (혈관 평활근 세포)로 역기능 힘 발생을 수반한다. 우리의 생체 내 모델보다 실험 조건의 미세한 제어 체외 방법에서 사용이 느리게 진행 혈관 장애를 연구하는 것을 목표로하고 있습니다. 시험관의 기능 수축력을 측정하는 우리는 이전에 개발 한 혈관 근육 박막 (vMTFs)은 심장 혈관 조직 (5)를 설계하지만,이 방법은 상대적으로 단기 연구에 제한되어있다. 여기서는 장기 측정 이전 vMTF 기술을 확장 기판 개질 기술을 제시한다.

혈관 내피 세포는 전체 기능에도 중요하지만, 설계 라멜라 동맥 혈관의 변화를 평가하는데 유용한 모델 시스템을 제공하는질병의 진행 동안 수축. 기능적인 혈관 질환 조직 모델 구조 및 동맥 라멜라의 기능을 모두 엔지니어, 용기의 기본 수축 부, 고 충실도로 효과적으로 요약되어야한다. 동맥 라멜라 6 엘라스틴의 시트로 구분 수축 혈관 평활근 세포의 동심, 원주 방향으로 정렬 시트입니다. 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 기판 상에 세포 외 기질 (ECM) 단백질의 마이크로 콘택트 프린팅 이전 심혈관 조직 5,7-10 정렬 모방 조직 조직 유도 신호를 제공하기 위해 사용되어왔다. 그러나 조직은 만성 연구에서 자신의 적용을 제한, 문화 3-4 일 후에 무결성을 잃을 수 미세 접촉 인쇄를 사용하여 패턴. 이 프로토콜은 새로운 미세 증착 기술로 기존 미세 접촉 인쇄 기술로 대체함으로써이 문제에 대한 해결책을 제공한다.

genipin와 f와 Genchi 등. 수정 된 PDMS 기판운드, 문화 (11)에 1 개월 심근 세포의 생존을 연장. 여기서는 PDMS에 패터닝 된 혈관 평활근 세포의 배양을 확장하는 유사한 접근법을 사용한다. Genipin, 치자 나무 열매의 천연 가수 유도체는 유사한 가교제 및 조직 복구 12,13 및 ECM 수식 (14)의 분야에서 생체 재료로서의 사용이 증가에 비해 인해 비교적 낮은 독성 기판 변형위한 바람직한 후보 15. 이 프로토콜에서, 피브로넥틴은 이전 미세 접촉 인쇄 방법에서와 같이, 셀 안내 큐로서 이용되고; 그러나 genipin 피브로넥틴은 패터닝 이전에 PDMS 기판 상에 증착된다. 세포가 패턴 매트릭스 저하로 따라서, 첨부 된 혈관 평활근 세포에서 새로 합성 된 ECM은 genipin 코팅 된 PDMS 기판에 바인딩 할 수 있습니다.

이 프로토콜은 두 단계 genipin과 ECM 증착을위한 미세 유체 전달 장치를 이용한다. 미세 유체 장치 모방 microco의 디자인이전의 연구 (16)에서 설계 동맥 박편에 사용 ntact 인쇄 패턴. 따라서,이 프로토콜이 성공적으로 구조생체 동맥 박편의 수축 기능에 고도로 정렬 요점을 되풀이 동맥 라멜라 모방을 수득 할 것으로 예상. 우리는 또한 genipin 시험관 혈관 질환 모델에서 장기에 적합한 기판 수정 화합물 확인하기 위해 조직의 수축력을 평가.

Protocol

주 :이 프로토콜의 목적은 구성 및 PDMS 기판 상 혈관 평활근 세포 (혈관 평활근 세포)의 배양 중에 확장 수축성을 평가도 1에 도시 된 구조와 혈관 근육 박막 (vMTF)을 이용하는 것이다. 혈관 평활근 세포의 생존을 연장하기 위해, 우리는 가교제 화합물 genipin을 사용한다. Grosberg 등. (8) 기타 vMTF 방법 5도 제시 기판 제조 프로토콜에 미묘한 변화가 사용될 수있다 개?…

Representative Results

이 작품의 주요 목표는 소수성 PDMS 기판에 미세 패턴 혈관 평활근 세포의 생존을 연장했다. 이 패턴 genipin 및 PDMS에 피브로넥틴 (그림 1) 입금 미세 유체 전달 시스템을 통합하여 수행되었다. 미세 유체 전달을 사용하여 ECM 단백질의 침착 genipin 및 피브로넥틴 (그림 1D)의 선 사이의 벌거 벗은 PDMS와 채널 패턴의 높은 충실도 전송을 얻었다. 이전의 마이크로 콘택트 인쇄 법 <s…

Discussion

여기서 우리는 만성 혈관 질환 경로 1,23,24의 확장 된 실험 시간은 전형적인 수 있도록 이전에 개발 된 vMTF 기술을 기반으로 구축하는 프로토콜을 제시한다. 이를 위해, 우리는 이전 MTF 수축력 실험에 사용하기위한 개선 된 혈관 조직 생존력과 엔지니어링 동맥 박편을 수득 미세 증착 기술을 이용하여 PDMS 기판 (11)의 장기간의 작용을 제공하는 것으로 나타났다 genipin를 미세 패턴. ?…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We acknowledge financial support from the American Heart Association Scientist Development Grant, 13SDG14670062 (PWA) and the University of Minnesota Doctoral Dissertation Fellowship (ESH). We also acknowledge the microfabrication resources of the Minnesota Nano Center (MNC) and the image processing resources of the University Imaging Centers (UIC), both at the University of Minnesota. Parts of this work were carried out in the Characterization Facility, University of Minnesota, which receives partial support from NSF through the MRS program.

Materials

Coverslip staining rack Electron Microscopy Sciences www.emsdiasum.com/ 72239-04 Alternative coverslip rack may be used
Microscope cover glass – 25 mm Fisher Scientific, Inc. www.fishersci.com 12-545-102 Alternative brand and size may be used; Microscope slides may also be substituted as substrate base
Poly(N-iso-propylacrylamide) (PIPAAm) Polysciences, Inc. www.polysciences.com/ #21458 Sigma-Aldrich makes an alternate compound, but we have not tested it for use with this protocol; Compound gives strong odor, use proper ventilation
1-butanol Sigma-Aldrich www.sigmaaldrich.com 360465 Hazard: flammable (store stock solution in flammable cabinet); flash point is 37 °C, avoid heating; alternative product may be used
Spincoater Specialty Coating Systems, Inc. www.scscoatings.com SCS G3P8 Model; Alternative brand and/or model may be used
Polydimethylsiloxane (PDMS) Ellsworth Adhesives (Dow Corning) www.ellsworth.com 184 SIL ELAST KIT 0.5KG Alternative distributor may be used
Fluorescent microbeads Polysciences, Inc. www.polysciences.com/ 17151 Alternative brand and/or larger size may be used
Silicon wafers Wafer World, Inc. www.waferworld.com 2398 Alternative brand and/or size may be used
Photoresist  MicroChem Corp. www.microchem.com SU-8 3025 allows 20-25-µm feature height
Contact mask aligner Suss MicroTec www.suss.com MA6 contact mask aligner; alternative brand and/or model may be used for wafer exposure
Developer MicroChem Corp. www.microchem.com SU-8 Developer; Hazard: flammable
Tridecafluro-trichlorosilane UCT Specialties, Inc. www.unitedchem.com T2492 Silane for non-stick coating of patterned silicon wafers (CAUTION: Tridecafluro-trichlorosilane is a flammable and corrosive liquid. Proper personal protective equipment and local exhaust is necessary for use. )
Surgical biopsy punch Integra LifeSciences Corp. www.miltex.com 33-31AA-P/25 Alternative brand and/or size may be used
Genipin Cayman Chemical www.caymanchem.com 10010622 Sigma-Aldrich (G4796-25MG) makes an alternate compound, but we have not tested it for use with this protocol
1X phosphate buffered saline Mediatech, Inc. www.cellgro.com 21-031-CV Alternative brand may be used
Fibronectin Corning, Inc. www.corning.com 356008 Sigma-Aldrich (F1056) makes an alternate compound, but we have not tested it for use with this protocol
Penicillin/streptomycin Life Technologies, Inc. www.lifetechnologies.com 15140-122 Alternative brand and/or size may be used, as long as concentration is the same
Umbillical artery smooth muscle cells Lonza www.lonza.com CC-2579 Alternative cell types may be used for alternative applications. Media should be modified accordingly
Tyrode's solution components Sigma-Aldrich www.sigmaaldrich.com various Alternative brand may be used for mixing solution
Stereomicroscope Zeiss www.zeiss.com 4350020000000000 SteREOLumar V12; Alternative brand/type of stereomicroscope may be used
Temperature-controlled platform Warner Instruments www.warneronline.com 641659; 640352; 641922
Endothelin-1 Sigma-Aldrich www.sigmaaldrich.com E7764-50UG Alternative amount may be purchased, as long as treatment concentration is maintained
HA-1077 Sigma-Aldrich www.sigmaaldrich.com H139-10MG Alternative amount may be purchased, as long as treatment concentration is maintained

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Hald, E. S., Steucke, K. E., Reeves, J. A., Win, Z., Alford, P. W. Microfluidic Genipin Deposition Technique for Extended Culture of Micropatterned Vascular Muscular Thin Films. J. Vis. Exp. (100), e52971, doi:10.3791/52971 (2015).

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