Summary

Tunable Hydrogels van Pulmonary extracellulaire matrix voor 3D-Cell Culture

Published: January 17, 2017
doi:

Summary

Dit is een methode om een ​​3-dimensionale celcultuur scaffold aan pulmonale extracellulaire matrix te creëren. Intact long verwerkt tot hydrogelen die de groei van cellen in drie dimensies kan ondersteunen.

Abstract

Hier presenteren we een methode voor het vaststellen van meervoudige component celkweek hydrogels voor in vitro long celkweek. Beginnend met gezonde en bloc longweefsel van varkens, rat of muis, wordt het weefsel perfusie en ondergedompeld in daaropvolgende chemische reinigingsmiddelen om de celresten te verwijderen. Histologische vergelijking van het weefsel voor en na verwerking bevestigt verwijdering van meer dan 95% van dubbelstrengs DNA en alfa- galactosidase kleuring zien dat de meerderheid van cellulaire afval wordt verwijderd. Na decellularisatie, het weefsel gevriesdroogde en vervolgens cryomilled tot een poeder. De matrix poeder wordt gedigereerd gedurende 48 uur in een zure pepsine oplossing en daarna geneutraliseerd tot de pre-gel te vormen. Gelering van het pre-gel oplossing kan worden geïnduceerd door incubatie bij 37 ° C en kan worden gebruikt direct na neutralisatie of maximaal twee weken opgeslagen bij 4 ° C. Coatings kunnen worden gevormd met de pre-gel oplossing op niet-behandelde dienblad cell attachment. Cellen kunnen worden gesuspendeerd in de pre-gel voorafgaand aan zelfassemblage een 3D cultuur bereiken, uitgeplaat op het oppervlak van een gel gevormd waarvan de cellen kunnen migreren door het schavot, of bedekt op de bekledingen. Wijzigingen in de strategie gepresenteerd van invloed kan zijn geleringstemperatuur, kracht, of eiwit fragment maten. Beyond hydrogel formatie, kan de hydrogel stijfheid verhoogd door toepassing genipin.

Introduction

Translating in vitro results to the clinic is one of the most challenging issues facing biomedical researchers. In vitro research on tissue culture plastic is easier, more convenient, and maintains high cell viability.1 This approach is a reasonable starting point, but the results have limited clinical translation. Increasingly, laboratories are incorporating three-dimensional constructs to replace the traditional two-dimensional methods. Reviews are available for many three-dimensional environments, from biological scaffolds to polymeric scaffolds.2,3

Biological frameworks can mimic characteristics of in vivo environments as they contain many of the protein and glycosaminoglycan components of the native matrix and provide familiar binding sites for cells to attach to and recognize. Extracellular matrix (ECM) derived materials have been shown to be capable scaffolds for cell attachment and proliferation.4 One challenge that limits the application of ECM hydrogel platforms stems from their inherently weak mechanical properties following gelation. Native tissue often has mechanical properties that are magnitudes higher than hydrogels. Non-toxic crosslinking agents can increase the mechanical properties of hydrogels to better mimic the native tissue environment. Genipin is a non-toxic, natural crosslinker derived from Gardenia plants with the ability to closely tailor mechanical properties of ECM with changes in genipin concentration5,6.

Nearly all cells in the body exist in, and organize on, ECM that they either produce or maintain. New focus on the universal importance of ECM in the organization, condition, and function in every organ or system has sparked the production of matrix based platforms for in vitro investigation. Porcine small intestine submucosa is the most extensively studied naturally-derived scaffold, and it has been used to regenerate tendons, ligaments, skeletal muscle4, and even bone7. Matrices from other organs and donor species have also demonstrated good tissue regeneration potential. The use of foreign ECM components causes minimal issues with immunomodulation. After elimination of host cellular matter, the remaining ECM will be similar in amino acid content and organization to all other mammalian species8. There is a growing line of thinking that the best way to examine cell-ECM interactions in vitro is to utilize organ-specific ECM scaffolds. Each organ provides a unique composition of proteins and proteoglycans to create cellular niches. Niches provide structural, functional and even the enzymatic breakdown of the extracellular matrix contributing to biophysical signaling. To attain an in vitro microenvironment most similar to the in vivo microenvironment, use of tissue specific ECM would optimize the cellular niches for research.

The goal of this protocol is to provide a method for establishing a hydrogel scaffold unique to the lung ECM. This method provides a platform for in vitro research on lung cell-ECM interactions.

Protocol

Oplossing steriele Filter Routebeschrijving DIH 2 O Ja DIH 2 O; steriel gefiltreerd 0,1% Triton X-100 oplossing Ja Onder zuurkast voeg 100 ul Triton-X 100 Oplossing voor 100 ml Dih 2 O en schud totdat het is opgelost; steriel filter. 2%…

Representative Results

Met deze methode, hebben we hydrogelen van normaal varken, rat, en muis longen (figuur 1) verkregen. Verwerkte longen geven respectievelijk een geschatte 5 mg, 40 mg en 10 g ECM poeder. Een overzicht van de werkwijze is weergegeven in figuur 2. Key visualisaties tijdens het proces zijn onder meer: ​​wit uiterlijk van de longen na het spoelen deoxycholaat; na de vorming Pregel dient de oplossing ondoorzichtig en de oplossing moet homogeen weergegeven …

Discussion

Een van de integrale aspecten van de biologie is de zelforganisatie van moleculen in hiërarchische structuren die een specifieke taak uit te voeren. 13 In het laboratorium zelfassemblage afhankelijk van talrijke factoren zoals zoutconcentratie, pH en duur spijsvertering. Zoals getoond zelforganiserend hydrogel vormen wanneer opgeloste eiwitten weer een fysiologische temperatuur. De gevormde hydrogel kan bevorderen cellulaire hechting en proliferatie in vitro.

Cellulaire …

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We willen graag Smithfield boerderijen bedanken voor het doneren van het intacte varkens longweefsel. We willen ook graag bedanken Dr. Hu Yang, Dr. Christina Tang en de afdeling Heelkunde VCU Plastic voor het mogelijk maken om hun apparatuur te gebruiken. Hydrogel en weefselmonsters werden voorbereid voor SEM bij de VCU Afdeling Anatomie en Neurobiologie Microscopy Facility ondersteund, voor een deel, door de financiering van NIH-NINDS Center Core Grant 5 P30 NS047463 en, gedeeltelijk, door de financiering vorm NIH-NCI Cancer Center Ondersteuning Grant P30 CA016059. SEM beeldvorming van monsters bij de VCU Nanotechnologie Core karakterisering Facility (NCC). Dit werk werd gefinancierd door de National Science Foundation, CMMI 1.351.162.

Materials

Triton X-100  Fisher Scientific BP151-100 Use in fume hood with eye protection and gloves.
Sodium Deoxycholate Sigma-Aldrich D6750-100g Use with eye protection and gloves.
Magnesium Sulfate Sigma-Aldrich M7506-500g None
Calcium Chloride Sigma-Aldrich C1016-500g None
DNase Sigma-Aldrich D5025-150KU None
HCl Sigma-Aldrich 258148-500ML Use with eye protection and gloves.
Pepsin Sigma-Aldrich P6887-5G Use in fume hood with eye protection and gloves.
Sodium Hydroxide Fisher Scientific BP359-500 Use with eye protection and gloves.
Genipin Wako Chemicals 078-03021 Use in fume hood with eye protection and gloves.
PBS 10x Quality Biological 119-069-151 None
PBS VWR 45000-448 None
Filter Paper Whatman 8519 N/A
Hand pump Fisher Scientific 10-239-1 N/A
Graduate Beaker VitLab 445941 N/A
Cryomill SPEX 6700 Use cryogloves and eye protection.
Lyophilizer FTS FlexiDry Use gloves.
Rheometer Discovery HR-2 Use gloves and eye protection.

Referencias

  1. Lee, J., Cuddihy, M., Kotov, N. . Three-Dimensional Cell Culture Matrices: State of the Art. 14, (2008).
  2. Haycock, J. W. . 3D Cell Culture. , (2011).
  3. Walker, J. M., Ed, . Epithelial cell culture protocols. , (2012).
  4. Badylak, S. F., Freytes, D. O., Gilbert, T. W. Extracellular matrix as a biological scaffold material: Structure and function. Acta Biomater. 5 (1), 1-13 (2009).
  5. Koo, H. -. J., Lim, K. -. H., Jung, H. -. J., Park, E. -. H. Anti-inflammatory evaluation of gardenia extract, geniposide and genipin. J. Ethnopharmacol. 103 (3), 496-500 (2006).
  6. Jeffords, M. E., Wu, J., Shah, M., Hong, Y., Zhang, G. Tailoring Material Properties of Cardiac Matrix Hydrogels to Induce Endothelial Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (20), 11053-11061 (2015).
  7. Suckow, M. A., Voytik-Harbin, S. L., Terril, L. A., Badylak, S. F. Enhanced bone regeneration using porcine small intestinal submucosa. J. Invest. Surg. 12 (5), 277-287 (1998).
  8. Brown, B. N., Badylak, S. F. Extracellular matrix as an inductive scaffold for functional tissue reconstruction. Transl. Res. J. Lab. Clin. Med. 163 (4), 268-285 (2014).
  9. Pouliot, R. A., et al. Development and characterization of a naturally derived lung extracellular matrix hydrogel. J.Biomed.Mater.Res.A. , (2016).
  10. Price, A. P., England, K. A., Matson, A. M., Blazar, B. R., Panoskaltsis-Mortari, A. Development of a decellularized lung bioreactor system for bioengineering the lung: the matrix reloaded. Tissue Eng. Part A. 16 (8), 2581-2591 (2010).
  11. Freytes, D. O., Martin, J., Velankar, S. S., Lee, A. S., Badylak, S. F. Preparation and rheological characterization of a gel form of the porcine urinary bladder matrix. Biomaterials. 29 (11), 1630-1637 (2008).
  12. Tilghman, R. W., et al. Matrix rigidity regulates cancer cell growth and cellular phenotype. PloS One. 5 (9), e12905 (2010).
  13. Ratner, B. D., Bryant, S. J. Biomaterials: where we have been and where we are going. Annu. Rev. Biomed. Eng. 6, 41-75 (2004).
  14. Fridman, R., Benton, G., Aranoutova, I., Kleinman, H. K., Bonfil, R. D. Increased initiation and growth of tumor cell lines, cancer stem cells and biopsy material in mice using basement membrane matrix protein (Cultrex or Matrigel) co-injection. Nat Protoc. 7 (6), 1138-1144 (2012).
  15. Zhang, W. -. J., et al. The reconstruction of lung alveolus-like structure in collagen-matrigel/microcapsules scaffolds in vitro. J. Cell. Mol. Med. 15 (9), 1878-1886 (2011).
  16. Booth, A. J., et al. Acellular Normal and Fibrotic Human Lung Matrices as a Culture System for In Vitro Investigation. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 186 (9), 866-876 (2016).
  17. Matsuda, A., et al. Evidence for human lung stem cells. N. Engl. J. Med. 364 (19), 1795-1806 (2011).
  18. Zuo, W., et al. p63+Krt5+ distal airway stem cells are essential for lung regeneration. Nature. 517 (7536), 616-620 (2015).
  19. Keane, T. J., Londono, R., Turner, N. J., Badylak, S. F. Consequences of ineffective decellularization of biologic scaffolds on the host response. Biomaterials. 33 (6), 1771-1781 (2012).
  20. Neill, J. D., et al. Decellularization of human and porcine lung tissues for pulmonary tissue engineering. Ann Thorac Surg. 96 (3), 1046-1055 (2013).
check_url/es/55094?article_type=t

Play Video

Citar este artículo
Link, P. A., Pouliot, R. A., Mikhaiel, N. S., Young, B. M., Heise, R. L. Tunable Hydrogels from Pulmonary Extracellular Matrix for 3D Cell Culture. J. Vis. Exp. (119), e55094, doi:10.3791/55094 (2017).

View Video