人間の3次元の組織工学<em> in vitroで</em>腫瘍テストシステム

Summary

試験系として、ヒトの3D腫瘍組織を作成するための方法が記載されている。これらの技術は、脱細胞化生体血管柄足場（BioVaSc）、初代ヒト細胞およびフローバイオリアクターにおける動的条件下で、ならびに、静的条件下で培養することができる腫瘍細胞株に基づいている。

Abstract

がんは、世界中の主要な死亡原因の一つである。現在の治療戦略は、主に不十分なin vivoでの生理的条件を反映した2次元培養系で開発されています。生物学的な3Dマトリックスは、組織の組織および細胞分化の研究を可能にする、細胞に細胞が自己組織化することができる環境を提供する。そのような足場は、直接3D細胞 – 細胞相互作用を研究するために、異なる細胞型の混合物を用いて播種することができる。癌腫瘍の3次元の複雑さを模倣するために、我々のグループは、3D in vitroでの腫瘍のテストシステムを開発しました。

我々の3D組織検査システムモデル我々は、生物学的に血管新生足場（BioVaSc）由来の我々の脱細胞化ブタの空腸セグメントとの間で確立悪性末梢神経鞘腫瘍（MPNSTs） のin vivoの状況。我々のモデルでは、初代線維芽細胞、微小血管内皮細胞（BioVaScで修飾マトリックスを再播種低継代数のMVEC）およびS462の腫瘍細胞株。静置培養のために、BioVaScの血管構造が除去され、残りの足場は1辺（小腸粘膜下組織SIS-MUC）に切り開かれている。得られたマトリックスは、2つの金属リング（セル冠）との間に固定されている。

別のオプションは、せん断応力に細胞を公開するフローバイオリアクターシステムで培養するために細胞を播種し、SIS-MUCです。ここで、バイオリアクターは、自己構築インキュベーター内蠕動ポンプに接続されている。コンピュータは、例えば、血圧、温度、流量などのパラメータを介して、動脈酸素および栄養の供給を調節する。このセットアップでは、圧力調整拍動または一定流量のいずれかで、動的な文化が可能になります。

本研究では、成功しMPNSTsのための静的および動的な3次元培養システムの両方を確立することができる。より自然な3D環境内癌腫瘍をモデル化する機能を発見、テスト、および検証を可能にします人間のようなモデルでは、将来の医薬品。

Introduction

新薬は、その品質、安全性、市場の承認の前に有効性に関して検証する必要があります。現在までに、動物実験は、薬物テストと検証のための標準的な方法である。しかし、種特異的な違いのために、動物実験では、多くの場合、総合的に、人間¹の化合物の効果を評価しない。このため、新たな薬剤および物質のin vitro試験のために使用することができるヒト組織モデルを生成することが重要である。

私たちのグループの焦点の一つは、私たちの生物学的に血管新生足場^{（BioVaSc）2,3} を用いたin vitro試験モデルを作成することです。 BioVaScは、静的または動的3Dマトリックス系として使用することができる。静置培養のために、脱細胞化ブタ空腸のセグメント（小腸粘膜下組織SIS-MUC）は、細胞の再シードに金属インサートに配置されます。例えば、癌細胞および内皮細胞のような種々の細胞は、足場上で培養することができる。

<pダイナミックな文化のためのクラス= "jove_content">、BioVaScは血管系全体または足場の表面を横切って流れを適用するバイオリアクターシステムに取り付けられている。現在のバイオリアクターは、細胞⁴の分化や増殖に作用する、生物学的、機械的、または電気的刺激を実施する。組織工学の分野におけるバイオリアクターについては、基本的なコンセプトは、人体内の条件をシミュレートすることである。ここで、細胞は、それらが互いにおよびその周囲の細胞外マトリックスと相互作用することができる自然環境が提供される。 インビトロ試験系または移植片の製造のために、適切なキャリア構造およびバイオリアクターシステムを用いて細胞の自然環境を模倣する能力は重要で⁵である。そのため、より複雑で技術的に要求のデバイスは、これらのタスク^6を満たすために開発されなければならない。

それはestablすぐ足場を使用することも可能である原因栄養動脈、静脈、および接続毛細血管床を含む保存管状構造への血管化モデルのishment。すべてのブタ細胞は、化学的、機械的および酵素的脱細胞、および足場ガンマ線滅菌によって除去する必要がある。復元された管状の血管構造は、その後、例えば、pH、温度、圧力、栄養供給と廃棄物除去⁶と生体力学的および/ ​​または生化学的パラメータを模倣する再循環灌流バイオリアクター^7を用いて、ヒト微小血管内皮細胞で再播種することができる。管状構造の再内皮化は、コラーゲン性足場^3,7内で、人間の血管と同等に作成されます。次のステップでは、前者の管腔（粘膜）の表面には、共培養^3,7,8を確立するために、初代ヒト細胞を接種することができます。

本研究では、3D腫瘍テストシステムは、原発STと腫瘍細胞株を共培養することで設定されているSIS-MUC上の静的および動的条件下romal細胞。

Protocol

1。 BioVaScの脱細胞化カニューレを挿入し、動脈アクセスおよびPBSで腸管腔経由でブタ空腸セグメントの血管系をすすい- 。それが完全にきれいになるまで繰り返します。 4アダプタと200ミリメートル直径のガラス水槽を準備し、蠕動ポンプ（Ismatec）にシリコンチューブを経由して接続してください。制御部圧力は、無菌使い捨てドーム（ 図1参照）に接続された圧力センサを介して監視することができる。 脱細胞化（DZ）溶液とリザーバーボトルを記入し、可能な気泡のための配管システムをチェックします。 管腔フロー用のガラスコネクタにケーブルタイで腸管腔を接続します。血管系の赤い動脈アクセスします（ 図1B）に500ミリリットルDZ液ポンプ。全体を手動腸管腔を押してすぐにポンププロセスごとに15分を中断します。 decellularizati中に自然に血圧をモデルにした100 mmHgで、 – プロセスに、緩衝液の圧力は80の間でなければなりません。 PBSでBioVaScを洗う-それは、細胞残骸から外れるまで（「完全に白」）。 DZ液で完全にBioVaScを記入し、それがシェーカーロッキングに4℃で一晩DZ液に沈めインキュベートする。 ステップ1.6を​​繰り返します。 DNase溶液中BioVaScを置き、シェーカーロッキングに4℃で一晩インキュベートする。 DNase溶液を外し、洗浄緩衝液ですすいでください。 25kGyのγ-殺菌 2。異なる細胞型初代ヒト皮膚微小血管内皮細胞（低継代数のMVEC）および線維芽細胞の単離2.1 2の短冊状に皮膚生検（好ましくは包皮）をカット-メスで3mmの幅と、それらをPBSで3回すすいでください-ソリューション。 ディスパーゼ溶液で組織をカバーし、16のためにそれを培養する – 14℃で8時間独立した2ピンセットで真皮から表皮とは、PBS +で満たさペトリ皿に、両方を別々に転送。 リンス真皮はベルセンで1Xを取り除きます。 真皮ストリップに10ミリリットルのトリプシン/ EDTA溶液を加え、40分間インキュベーター内でインキュベートする。 1％FCSですぐに酵素反応を停止。 VascuLifeで満たされたペトリ皿に皮膚ストリップを転送し、それぞれの側8Xメスで、各ストリップを傷、少しの圧力を加える。 遠心チューブにセルストレーナーを介して生成細胞懸濁液を転送し、VascuLifeでセルストレーナーの3回すすいでください。 5分間1200×gでチューブを遠心分離し、VascuLifeで細胞ペレットを再懸濁します。 線維芽細胞を単離するために、チョップ真皮はメスを用いて小さな破片に取り除きます。 真皮片をコラゲナーゼ溶液10mlを加える。 インキュベーター内で45分間静置してから遠心分離し、慎重にSUを削除pernatant。 DMEM +10％のFCS +％PenStrep、遠心分離機それにペレット1Xを洗浄し、慎重に上清を除去します。 培養液中にペレットを再懸濁し、細胞が組織の外に成長することができるように、T75培養フラスコに移す。 2.2腫瘍細胞株S462 （親切に博士ニコラHoltkamp、シャリテ大学医学部ベルリン提供）腫瘍細胞株S462は、遺伝性腫瘍素因症候群神経線維腫症1型9と女性患者の悪性末梢神経鞘腫瘍から生成されました。 S462は、10％FCSを補充したDMEM中で培養する。 3日 – 中は、すべての2に変更する必要があります。週に一度のセルを分割する必要があります。 3。腫瘍試験システム：静的培養条件バイオリアクターシステムの動的な文化との比較管状SIS-MUCが片側に開いて、二つの金属リング（細胞クラウン、直径10mm、自己cの間に固定するカットonstructed）。一晩細胞培養培地中のSIS-MUCをカバーしています。 SIS（モノ – もしくは共培養セットアップ）の片面または両面上に定義された細胞数のシード単離された細胞（以下を参照）。 シードSIS（旧漿膜）の基底外側表面に全量100μlの一次低継代数の8,000個/ cm 2。 3時間後に水没文化を確実にするための媒体とよくを埋める。 内皮細胞は3日間、接着させる。 180度の静的培養システムを裏返して12ウェルプレートに移す。 SIS（旧ルーメン側）の先端面上に500μlの総容積内で一次皮膚線維芽細胞（8,000細胞/ cm 2）及び腫瘍細胞（15,000細胞/ cm 2）の混合物に播種する。 細胞は3時間付着し、メディアとうまく埋めるために許可する（沈め文化、中：10％FCSを添加した50％Vasculife +50％のDMEM）。 腫瘍試験システムは、静的条件aの条件下で培養されるトン37°C、さらに14日間インキュベーター中5％CO 2。 3日 – 2日毎の培地を変更します。 ダイナミックな文化のために、2の金属リングとの間で、SIS-MUCを修正し、3.2.1で説明したように、一次低継代数をシード。 3日後の金属リングからSIS-MUCを削除し（ 図2C及び2Dを参照）、フロー反応器内に膜を挿入します。バイオリアクター内でマトリックス上にシリンジおよびカニューレを有する一次皮膚線維芽細胞および腫瘍細胞を適用し、細胞を培地でバイオリアクターシステムを充填する前に、3時間付着させる。 翌日、一定の媒体流（3.8 ml /分、37℃及び5％CO 2）を用いて動的培養条件を開始することができる。動的培養物を14日間維持され、培養培地を7日後に変更される。 動的テストのセットアップは、ポンプや必要な温度とCO 2を介してメディアフローを提供し、自己構築インキュベーターで培養する</sub>内容。 4。分析のための特性評価方法 4.1固定及びシードされたコラーゲンマトリックスのパラフィン包埋 （免疫）組織学的特徴付けのために、培地を除去し、2時間、4％パラホルムアルデヒドで組織を固定します。 4％パラホルムアルデヒドを除去して組織包埋カセットに金属インサートからSISを転送します。残りの固定液を除去し、パラフィン浸透のために脱水するために組織を水パラフィンブロックに埋め込む前に、2にSISをカット – 3スライスと切断面が下に向くようにパラフィンを充填した金属ベース金型内に配置します。バックアップなどの金型の上に組織カセットを追加します。 5μmのスライスをカットし、矯正のための40℃の水浴上に浮遊し、その後、適切なガラススライド上にスライドをマウントします。コー​​ティングされていないスライドをH＆E汚れの付着を改善するための免疫組織学的染色のためのポリリジン被覆スライドに使用される。スライスは完全に乾燥させます。 パラフィンを溶かし、キシレンでそれを削除し、染色を次のスライスを再水和。 4.2染色再水和スライスは、標準化された概要染色としてのヘマトキシリン​​/エオシンで染色することができる。 免疫組織学的染色のために、固定し、パラフィン浸潤組織切片は、抗体が認識し、その特定のエピトープに結合することができるように、抗原回復を受けなければならない。したがって、脱パラフィンし、再水和したスライドを20分間加熱し、クエン酸緩衝液（pH6.0）で蒸気調理器内に配置される。 染色溶液のための必要量を最小限にするPAPペンで洗浄緩衝液（0.5 M TBS緩衝液+ 0.5％ツイーン）と円スライスへの転送を摺動する。 水分室でスライドを置きます。抗原 – 抗体結合の特異的西洋ワサビペルオキシダーゼ媒介性の可視化を確保するために、内因性ペルオキシダーゼを3％過酸化水素で飽和されなければならない。 原発antibODY希釈は、スライスに適用RTで1時間インキュベートし、注意深く洗浄緩衝液で洗い流す。 特定の抗原抗体バインディングの検出用超視覚Quanto検知システム、HRP、DAB（サーモサイエンティフィック）が推奨プロトコルに従って使用されている。 核を、1分間ヘマトキシリン​​で対比されている。 スライドは、水性媒体を搭載し、乾燥し、逆顕微鏡を用いて撮像される。

Representative Results

図1Bに示すように、我々は毛細血管網の保存管状構造で（長さ及び直径20mmで、約2メートル）ブタの空腸セグメントを脱細胞。化学的、酵素的および機械的な脱細胞化の後、我々は3次元細胞培養に使用することができ、コラーゲンI / III足場を得る。フォイルゲン試験は、マトリックスの純度（無DNAレムナント）（データは示していない）を実証するために実施した。 図2Aおよび2Bは、細胞の冠で固定さSIS-MUCの静置培養を示しています。我々は、動的培養のために、社内に設計されたバイオリアクター（ 図2C）にSIS-MUCを修正しました。 図2Dは ​​、バイオリアクターのチャンバーを通してシミュレートされた動的な流れを示している。バイオリアクターは、自己構築さインキュベーターシステムに入れ、蠕動ポンプに接続されている。このセットアップでは、圧力調整拍動流またはCのいずれかで、動的な文化を可能にする onstant流れ。 図3は、2D単一栽培（ 図3A）および三次元共培養（ 図3B-3D）での静置培養S462の腫瘍細胞株の概要について説明します。 図3Bは、SISの頂端側に腫瘍細胞S462および一次線維芽細胞のトリプル文化を示しています-MUC（旧内部ルーメン側）と側底側のMVEC（旧漿膜側）。異なる細胞型の同定は、MVEC（ 図3C）を標識するために、例えばフォン·ヴィレブランド因子のような細胞型特異的マーカーを染色することによって可能である。 p53の陽性S462細胞は、p53陰性初代線維芽細胞（ 図3D）から区別することができ、細胞の3次元分布を分析することができる。動的培養三重培養の図3を図4染色同等の図 。 0460/50460fig1.jpg "/> 図1。脱細胞化のセットアップ。 （A）パソコンで監視BioVaScを脱細胞化するためのバイオリアクター、ポンプセットアップ、（B）脱細胞化BioVaScガラスタンク内。内腔および動脈入口アダプタに接続されている。 。 図2。異なる培養なセットアップのビュー上に。フローバイオリアクターの上蓋の動的培養のための静置培養のためのマイクロタイターウェルプレート、（B）の金属インサートの静的培養系の（A）のCAD断面図、（C）の媒体流シミュレーション（速度場[M /秒]） 、（D）は蠕動ポンプに接続し、動的培養のためのフローバイオリアクター。 大きな画像を見るにはここをクリックしてください ENT "FO：キープtogether.withinページを="常に "> 図3。静的な3D腫瘍モデルの免疫組織学的特性化の概要。パーマスライド上のS462細胞の静置培養2Dモノ文化の（A）ヘマ ​​トキシリン染色、静置培養3Dトリプル文化の（B）、H＆E染色、矢印は、フォンヴィレブランド因子（C）免疫組織染色、（D内皮細胞をマークp53のための）免疫組織染色。 大きな画像を見るにはここをクリックしてください <st栄>図4。ダイナミックな3D腫瘍モデルの免疫組織学的特性化の概要。 （A）を動的に培養された3Dのトリプル文化のH＆E染色、矢印は内皮細胞、（B）をマークし、フォンヴィレブランド因子に対する免疫組織染色、p53のための（C）の免疫組織染色。 大きな画像を見るにはここをクリックしてください

Discussion

腫瘍研究における2Dおよび3D培養系を比較すると、3Dシステムは、より高価なアプローチであるにもかかわらず、良好な生物学的微小環境における条件を模倣することが証明されている。これは、いくつかの腫瘍細胞は、腫瘍内の実際の状況に応じた一般的な2D培養^12日よりも3D培養においてはるかに遅く成長することを示すことができた。ビッセルらは発癌性乳癌細胞の挙動をより正確にマトリックス内の3D培養が細胞-ECM相互作用を提供するとき、細胞形態およびシグナル伝達などのin vivoでの状況を反映していることを自分の仕事にあった。さらに、それらは、環境の相互作用の変化が正常な表現型に悪性細胞の復帰につながっていることを実証することによって、3Dで細胞外環境の重要性を強調した。さらに、最も重要なことは、これらの結果はまた^、10,11 インビボ動物モデルにおいて確認することができた。

ontent "> in vivo動物実験およびインビトロでの組織モデルでの直接比較は、両方のシステムに利点と欠点を明らかにしている。in vitroモデルの一つの利点は、はるかに優れたリアルタイムまたは顕微鏡による固定撮像の許可である。制限があるそれらは、免疫応答をホスト、 インビボ系しばしば進行のに対し、血管系および小分子の正常な輸送の現在の不足を静的または短期的条件を模倣、及び他の細胞-細胞相互作用は、in vitroモデル¹²のさらなる欠点であるため、3Dを本研究で提示されvitro系で動物実験に有望な追加を提供しています。彼らは、人間の生物に良い比較を提供するため、実験的な誤解を最小限に抑える。バイオミメティックvivoモデル系では、それゆえ癌および転移性の広がりに依存するどのように勉強し、より関連性の高いとなりますtumorigを規制する微小環境条件にenesis ^11。

我々の研究は、SIS-MUCによって提供される3D環境は、共通の2D細胞培養では観察されない複数の腫瘍細胞の様組織の形成、（ 図3Aを参照）をもたらすことを示している。また、腫瘍生検由来の初代細胞の使用は、個別化医療、患者の個々のニーズに応じて、最善の治療を特定することを目的と規律に向けた非常に重要なステップです。生検材料から単離された一次患者特有の腫瘍細胞を組み込むことは、治療戦略のインビトロ試験において可能にする。そのような試験システムにより、時間とコスト削減ハイスループットスクリーニングにおけるその異なる薬剤との組み合わせを調査することであろう。さらに、この研究で示されるように、腫瘍関連間質細胞の集積は、腫瘍の微小環境に影響を与える腫瘍進行^13は 、パーソナライズされたアプローチのために重要であると証明するかもしれないようSUITABル·治療標的。

代替的にパーソナライズされたアプローチには、我々の腫瘍モデルを確立し、腫瘍形成性細胞株の取り込みによって一般化された腫瘍試験システムとして機能するように修飾することができる。これは、基本的な研究目的のための有望な適応したものです。薬物検査の両方のために血管構造の存在が治療物質の分布および取り込みをテストするために必要とされて近づく。 SIS-MUC行列がバリア取り込み研究のために、一次MVECと側底播種を可能にする、BioVaScの保存の血管構造の再シードはさらに、薬物送達の研究を改善します。

組織モデルを作成するために、3次元生分解性マトリックスは、異なる細胞型¹⁴の共培養のためのフレームワークとして使用することができる。このような3次元マトリックスの使用は、多くの場合、機能的血管新生が存在しないことによって制限される。この問題は、保存血管strを提供BioVaScの使用によって解決することができるuctures、その内皮細胞で再播種することができる。さらに、BioVaScは、細胞の接着性を確保し、組織の分化を促進する細胞外成分を提供する。また、バイオ人工3D組織^7,8,15の長年の組織特異的機能を可能にします。機能的血管代替物のエンジニアリングのための前提条件は、人間の生理的および生体力学的条件の模倣である。従って、 インビトロでこれらの要件を実現することができるバイオリアクターシステムは、生物学的な腫瘍モデルを作成するための極端な関心がある。

BioVaScの組み合わせは、バイオリアクター技術および異なる細胞型の共培養は、例えば血管新生および転移などの癌の進行に関連するメカニズムの研究を可能にする血管新生した腫瘍組織を生成するための非常に有望な方法である。我々は同等を提供することで、動物実験を補完するための有望なアプローチとして、腫瘍モデルを見るヒト腫瘍生理機能。

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number	Comments (optional)
Collagenase solution	SERVA	17454	(500 U/ml)
Dispase solution	Gibco	17105-041	(2.0 U/ml)
DMEM, high-glucose	PAA	G0001,3010
DNase	ROCHE	10104159001	200 mg solved in 500 ml PBS+ + 1% PenStrep
DZ solution	Roth	3484.2	34 g Sodium Desoxychelate, in 1 L Ultra-pure water
FCS	LONZA	DE14-801F
IHC-Kit DCS SuperVision 2 HRP	DCS	PD000KIT
medical pressure transducer	MEMSCAP	SP844
monoclonal mouse anti-human Von Willebrand Factor	DAKO Cytomation	M0616	Clone F8/86 0.12 μg/ml
mouse monoclonal anti-human p53	DAKO Cytomation	IS616	Clone DO-7 ready-to-use
peristaltic pump	Ismatec
sterile disposable dome	MEMSCAP	844-28
Trypsin / EDTA solution	PAA	L11-003	0,05%
VascuLife (VEGF-Mv)	Lifeline	LL-0003
Versene	Gibco	15040-033