سهل التلاعب بأبنية في الهلاميات المائية المستندة إلى البروتين لتطبيقات ثقافة الخلية
Summary
يتم تقييم أساليب مختلفة للتعامل مع بنية ثلاثية الأبعاد في الهلاميات المائية على أساس البروتين هنا فيما يتعلق بالخصائص المادية. شبكات ماكروبوروس هي فونكتيوناليزيد مع لاصقة الخلية ببتيد، وهو تقييم جدواها في خلية ثقافة استخدام اثنين من خطوط الخلية نموذجا مختلفاً.
Abstract
الهلاميات المائية تعتبر المواد الواعدة لتطبيقات الثقافة الخلية نظراً لقدرتها على توفير بيئات خلية رطب جداً. ميدان 3D قوالب يتزايد نظراً للتشابه المحتمل لتلك المواد إلى المصفوفة خارج الخلية الطبيعية. الهلاميات المائية على أساس البروتين واعدة خاصة لأنها يمكن أن تكون فونكتيوناليزيد بسهولة ويمكن تحقيق هياكل المعرفة بالخصائص الفيزيائية للتعديل. ومع ذلك، يقتصر إنتاج قوالب ماكروبوروس 3D لتطبيقات ثقافة الخلية باستخدام المواد الطبيعية غالباً ما خواصها الميكانيكية الأضعف مقارنة بتلك المواد الاصطناعية. هنا، تم تقييم طرق مختلفة لإنتاج ألبومين المصل البقري ماكروبوروس (BSA)-على أساس النظم المائية، مع أحجام المسام قابل للتعديل في النطاق من 10 إلى 70 ميكرومتر في دائرة نصف قطرها. وعلاوة على ذلك، تم إنشاء أسلوب لإنشاء القنوات في هذه المواد على أساس البروتين التي عدة مئات ميكرون طويلة. وجرى تحليل الأساليب المختلفة لإنتاج المسام، فضلا عن تأثير حجم المسام على خصائص المواد مثل تورم نسبة ودرجة الحموضة واستقرار درجة الحرارة والسلوك تدهور الانزيمية،. وتم التحقيق أحجام المسام في الدولة الأصلية، وتورم من الهلاميات المائية باستخدام الليزر [كنفوكل] الفحص المجهري. تم تقييم الجدوى لخلية ثقافة التطبيقات استخدام إدارات لاصقة خلية ببتيد تعديل نظام البروتين واثنين من خطوط الخلية النموذجية: خلايا سرطان الثدي البشرية (A549) وأدينوكارسينوميك البشرية السنخية القاعدية الخلايا الظهارية (MCF7).
Introduction
الهلاميات المائية هي المواد التي تشكل شبكات ثلاثية الأبعاد غير قابلة للذوبان قادرة على ربط كميات كبيرة من المياه. هذه المواد يمكن أن توفر الظروف البيئية الممتازة للخلايا الحية. حاليا، هناك اهتمام متزايد في توليد هياكل ثلاثية الأبعاد المائية وتطوير عمليات تكييف خواصها الكيميائية والفيزيائية. حالما يتحقق ذلك، يمكن أن يكون قالب لنمو الخلايا، والتلاعب بالسلوك الخلوية ولدت1،2،،من34. هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد ليس فقط خلق بيئة أكثر طبيعية وواقعية من نهج ثنائي الأبعاد التقليدية، ولكنها أيضا تكشف عن إمكانيات جديدة لنمو الخلايا الجذعية أو نماذج الورم5. مواد مختلفة تمتلك مجموعة من الخصائص التي تعتمد أساسا على حجم المسام هلام6. المسام تلعب دوراً حاسما في خلية ثقافة التطبيقات وهندسة الأنسجة، والنمو الموجه للخلايا الجذعية. على سبيل المثال، نشر الأوكسجين والمواد الغذائية من خلال المصفوفة، وكميات كافية يجب أن تكون قادرة على الوصول إلى الخلايا7. من ناحية أخرى، يجب إزالة نواتج الأيض الضارة بأقصى سرعة ممكنة، ويجب أن تكون مساحة كافية لنمو الخلايا المتوفرة7. ونتيجة لذلك، الخصائص المادية، وبالتالي حجم المسام، شدة التأثير التطبيقات المحتملة الفائدة وممكن للمصفوفة. اعتماداً على خصائص المواد، يمكن أن تحدث عمليات نمو الخلايا المختلفة في ثقافة الخلية ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك تشكيل هياكل الخلايا العصبية؛ نمو وتمايز خلايا الجلد أو العظام؛ وتوجيه نمو خطوط الخلايا الجذعية الخاصة، مثل خلايا الكبد أو الخلايا الليفية2،3،،من89،،من1011. هو آخر نقطة حاسمة التأثير على إمكانية تطبيق مادة استقرارها نحو12من المؤثرات الخارجية. على سبيل المثال، المائية يجب الحفاظ على سلامتها الميكانيكية في خلية ثقافة وسائل الإعلام أو في جسم الإنسان.
وفي السنوات الأخيرة، البحث في الخلية 3D الثقافة الهلاميات المائية تكثيف وأجريت دراسات عديدة لحل أبنية 3D ل نظم13. الأكثر شيوعاً هي التحقيق الهلاميات المائية تتألف من مكونات مركباً كيميائيا لأنه يمكن بسهولة تصنيعه وتعديله كيميائيا وهم يعرضون الاستقرار عالية (انظر تشو et al.، 2011 لاستعراض)5. ولكن البروتينات لديها العديد من الخصائص المفيدة: حسب ما يسمى “الدقة البوليمرات،” هم متوافق حيويا؛ لديهم طول محدد؛ فسهلة نسبيا لتعديله؛ ولديهم عدد كبير من المواقع المستهدفة14،15. وفي هذا الصدد، يمكن إنشاء هياكل محددة للغاية، ومبتكرة للتطبيق في العديد من المجالات. في هذه الدراسة، استخدمت المائية المستندة إلى بروتين16 إثبات قدرة الطرق الراسخة للتأثير على بنية ثلاثية الأبعاد للمواد. وعلاوة على ذلك، كان أيضا التحقيق بقدرة وانطباقها على توليد المسامية.
وتتوفر العديد من التقنيات المختلفة لتعديل هياكل ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك أساليب بسيطة وتقنيات متطورة، ودرجة عالية من التخصص من حقول مختلفة من العلوم المادية. تقنية على نطاق واسع هو استخدام اليكتروسبينينج لإنشاء هياكل محددة تحديداً جيدا17. ألياف مشحونة يتم سحبها من التوصل إلى حل بمجال الكهربائي ويصلب ثم عند التعرض للأوكسجين. وبهذه الطريقة، يمكن أن تنتج ألياف في نطاق نانومتر عدة تصل إلى عدة ميكرون. تقنيات إضافية لضبط حجم وهيكل، وتوزيع المسام داخل المصفوفة هي الطباعة الحجرية الناعمة، والتصويرية، تركز هيدرودينامية، الرش الكهربائية والبيولوجية-الطباعة18،،من1920. هو عيب كبير لهذه التقنيات الاعتماد على معدات معينة، ومكلفة، وخاصة مواد كيميائية أو مواد. وعلاوة على ذلك، التجربة مع هذه التقنيات في كثير من الأحيان لا التحويل مباشرة للمواد القائمة على البروتين، والعديد من المواد الكيميائية وأساليب ليست خلية متوافقة.
من ناحية أخرى، لا يعتمد العديد من تقنيات المعدات الخاصة، وجعلها أسهل وأرخص لتطبيق وإعادة إنتاج. هو أسلوب واسع النطاق للتلاعب بهيكل الصب المذيبات21،،من2223. تضاف قبل رد فعل البلمرة الجسيمات وتوزع المتجانس تشبع الحل. بعد البلمرة، وتغيير الشروط، مثل إضعاف أو تغيير درجة حموضة، يؤدي إلى المذيب الجزيئات، بينما يظل المسام ضمن المواد. المواد الكيميائية المستخدمة في هذه التقنيات، مثل الملح والسكر والكيروسين، الجيلاتين والطباشير، رخيصة ومتاحة بسهولة. في التجميد، جمدت الهلاميات المائية منتفخة. التسامي اللاحقة من مراحل السائل تحت فراغ ومن ثم تنفيذ23،،من2425. التسامي المياه من الشبكة لطيف ما يكفي للحفاظ على هياكل ثلاثية الأبعاد المحددة للمواد. في الغاز رغوة، هو تدفق حل مع غاز في حين البلمرة يأخذ مكان، تاركة المسام داخل جل21. أن حجم وتوزيع المسام يمكن تعديلها تبعاً لتيار الغاز.
تشكيل المائية البروتين، هو رد فعل جيش صرب البوسنة مع كلوريد فوسفونيوم تيتراكيس (هيدروكسيميثيل) (تهبك) في رد فعل من نوع مانيش للسماح لتكوين روابط تساهمية بين الأمينات الأولية ومجموعات هيدروكسي جزيء رابط أربعة مسلحين26. تتم إزالة وسيطة الضارة الممكنة بواسطة الغسيل المفرط للمواد بعد حدوث رد فعل.
وتوضح هذه الدراسة إمكانية علاج مواد المستندة إلى جيش صرب البوسنة مع تقنيات مختلفة لمعالجة وتكييف حجم المسام. كل من التقنيات يمكن استخدامها في أي مختبر في العالم، حسب الضرورة أي معدات خاصة. وباﻹضافة إلى ذلك، معلمات مختلفة، مثل نسبة تضخم والتحلل الأنزيمي واستقرار الأس الهيدروجيني وحساسية درجة الحرارة، تم فحص ومقارنة مع بعضها البعض، لا سيما احترام لتأثير مختلف التقنيات على توليد أبنية 3D. وأخيراً، كانت فونكتيوناليزيد المواد مع الببتيدات لاصقة خلية للتحقيق في إمكانية تطبيق المواد على الخلية والثقافة. واستخدمت اثنين من خطوط الخلية نموذجا مختلفاً: A549 و MCF7.
Protocol
Representative Results
Discussion
The production of macroporous matrices can be beneficial to many different fields. It has high technical and economic potential due to the defined structure of the hydrogel and the ability to control and tune specific material properties. However, the introduction of supramolecular structural elements, such as pores or channels, to a 3D template might influence the overall properties of a material, such as the swelling ratio or the stiffness. This can result in the undesired decomposition, degradation, or breakdown of th…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب يود أن يشكر “ستيفتونغ” بادن-فورتنبرغ لتقديم الدعم المالي في إطار “توليف مواد بيوينسبيريد” (بيوماتس-14).
Materials
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium (high glucose) | Life Technologies / Thermo Fisher | 11140-050 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Life Technologies / Thermo Fisher | 10270-106 | |
| Penicillin-Streptomycin | Life Technologies / Thermo Fisher | 15140122 | |
| MEM Nonessential Amino Acid Solution | Sigma Aldrich | M7145-100ML | |
| Trypsin EDTA 0.05 % Phenol Red | Thermo Fisher Scientific | 25300062 | |
| Ethanol 99.8 %, vergällt | Ölfabrik Schmidt | 2133 | |
| NaCl | Carl Roth | 9265.1 | |
| Albumin Fraction V | Carl Roth | 3854.2 | |
| THPC | Sigma Aldrich | 404861-100ML | Toxic |
| 0.1 % Triton X 100 | Sigma Aldrich | X100-100ML | Slightly toxic |
| Phalloidin-rhodamine | Life Technologies / Thermo Fisher | R415 | |
| 3.7 % Formaldehyde | Life Technologies / Thermo Fisher | F8775-25ML | Toxic |
| Rhodamine B | Sigma Aldrich | 81-88-9 | |
| Filtropur S 0.2, | Sarsted Ag und Co. | 2 83.1826.001 | |
| µ slide 8 well | Ibidi GmbH | 80826 | |
| KCSSGKSRGDS peptide | UPEP Ulm | Custom sysnthesis | |
| Ethanol 99.8 %, vergällt | Carl Roth | K928.5 | |
| Falcon 5 ml Polysterene Round-Bottom Tube | Sarsted Ag und Co. | 62.547.254 | |
| Tubes 50 ml | Sarsted Ag und Co. | 62.547.254 | |
| Tubes 1,5 ml | Sarsted Ag und Co. | 72,690,001 | |
| Tubes 2 ml | Sarsted Ag und Co. | 72,691 | |
| CELL CULTURE MICROPLATE, 96 WELL, PS, F-BOTTOM | Greiner | 655073 | |
| FreezeDryer Epsilon 1-6D, | Christ, Osterode am Harz, Germany | ||
| Confocal Laser Scanning Microscope | Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany | ||
| Zen Software Version 2012 Sp1, black edition, 407 version 8,1,0,484 | Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany | ||
| GSA Imaga Analyzer Software, GSA Image Analyzer, GSA, Version 419 3.8.7 | GSA GmbH |
References
- Geckil, H., Xu, F., Zhang, X., Moon, S., Demirki, U. Engineering hydrogels as extracellular matrix mimics. Nanomedicine. 5 (3), 469-484 (2011).
- Liu, Y., Chan-Park, M. B. A biomimetic hydrogel based on methacrylated dextran-graft-lysine and gelatin for 3D smooth muscle cell culture. Biomaterials. 31 (6), 1158-1170 (2010).
- Raic, A., Rödling, L., Kalbacher, H., Lee-Thedieck, C. Biomimetic macroporous PEG hydrogels as 3D scaffolds for the multiplication of human hematopoietic stem and progenitor cells. Biomaterials. 35 (3), 929-940 (2014).
- Wong Po Foo, C. T. S., Lee, J. S., Mulyasasmita, W., Parisi-Amon, A., Heilshorn, S. C. Two-component protein-engineered physical hydrogels for cell encapsulation. Proc Nat Acad Sci USA. 106 (52), 22067-22072 (2009).
- Zhu, J., Marchant, R. E. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds. Expert Rev Med Devic. 8 (5), 607-626 (2011).
- Samaryk, V., et al. Versatile Approach to Develop Porous Hydrogels with a Regular Pore Distribution and Investigation of their Physicomechanical Properties. J Appl Polym Sci. 114 (4), 2204-2212 (2009).
- Li, X. J., Valadez, A. V., Zuo, P., Nie, Z. Microfluidic 3D cell culture: potential application for tissue-based bioassays. Bioanalysis. 4 (12), 1509-1525 (2012).
- Park, H., Guo, X., et al. Effect of Swelling Ratio of Injectable Hydrogel Composites on Chondrogenic Differentiation of Encapsulated Rabbit Marrow Mesenchymal Stem Cells In Vitro. Biomacromolecules. 10 (3), 541-546 (2010).
- Stokols, S., Tuszynski, M. H. The fabrication and characterization of linearly oriented nerve guidance scaffolds for spinal cord injury. Biomaterials. 25 (27), 5839-5846 (2004).
- Sung, K. E., et al. Understanding the Impact of 2D and 3D Fibroblast Cultures on In Vitro Breast Cancer Models. PLoS One. 8 (10), 1-13 (2013).
- Tsai, E. C., Dalton, P. D., Shoichet, M. S., Tator, C. H. Synthetic hydrogel guidance channels facilitate regeneration of adult rat brainstem motor axons after complete spinal cord transection. J Neurotrauma. 21 (6), 789-804 (2004).
- Shoichet, M. S., Li, R. H., White, M. L., Winn, S. R. Stability of hydrogels used in cell encapsulation: An in vitro comparison of alginate and agarose. Biotechnol Bioeng. 50 (4), 374-381 (1996).
- Chiu, Y. -. C., Kocagöz, S., Larson, J. C., Brey, E. M. Evaluation of physical and mechanical properties of porous poly (ethylene glycol)-co-(L-lactic acid) hydrogels during degradation. PloS One. 8 (4), e60728 (2013).
- Jonker, A. M., Löwik, D. W. P. M., van Hest, J. C. M. Peptide- and Protein-Based Hydrogels. Chem Mater. 24 (5), 759-766 (2012).
- Bodenberger, N., et al. Beyond bread and beer: whole cell protein extracts from baker’s yeast as a bulk source for 3D cell culture matrices. Appl Microbiol Biot. 101 (5), 1-11 (2016).
- Bodenberger, N., Paul, P., Kubiczek, D., Walther, P., Gottschalk, K. E., Rosenau, F. A novel cheap and easy to handle protein hydrogel for 3D cell culture applications a high stability matrix with tunable elasticity and cell adhesion properties. Chem Sel. 1 (7), 1353-1360 (2016).
- Agarwal, S., Wendorff, J. H., Greiner, A. Use of electrospinning technique for biomedical applications. Polymer. 49 (26), 5603-5621 (2008).
- Hong, J., deMello, A. J., Jayasinghe, S. N. Bio-electrospraying and droplet-based microfluidics: control of cell numbers within living residues. Biome Mater. 5 (2), 21001 (2010).
- Jayasinghe, S. N., Irvine, S., McEwan, J. R. Cell electrospinning highly concentrated cellular suspensions containing primary living organisms into cell-bearing threads and scaffolds. Nanomedicine. 2 (4), 555-567 (2007).
- Selimović, &. #. 3. 5. 2. ;., Oh, J., Bae, H., Dokmeci, M., Khademhosseini, A. Microscale strategies for generating cell-encapsulating hydrogels. Polymers. 4 (3), 1554-1579 (2012).
- Annabi, N., Nichol, J. W., et al. Controlling the porosity and microarchitecture of hydrogels for tissue engineering. Tissue Eng Part B Rev. 16 (4), 371-383 (2010).
- Lee, J., Cuddihy, M. J., Kotov, N. A. Three-dimensional cell culture matrices: state of the art. Tissue Eng Part B Rev. 14 (1), 61-86 (2008).
- Bodenberger, N., et al. Evaluation of methods for pore generation and their influence on physio-chemical properties of a protein based hydroge. Biotech Rep. 12, 6-12 (2016).
- Raja, S. T. K., Thiruselvi, T., Mandal, A. B., Gnanamani, A. pH and redox sensitive albumin hydrogel: A self-derived biomaterial. Sci Rep. 5, 15977 (2015).
- Hennink, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv Drug Deliver Rev. 64, 223-236 (2012).
- Chung, C., Lampe, K. J., Heilshorn, S. C. Tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium chloride as a covalent cross-linking agent for cell encapsulation within protein-based hydrogels. Biomacromolecules. 13 (12), 3912-3916 (2008).
- Caló, E., Khutoryanskiy, V. V. Biomedical applications of hydrogels: A review of patents and commercial products. Eur Polym J. 65, 252-267 (2015).
- Huang, H., Herrera, A. I., Luo, Z., Prakash, O., Sun, X. S. Structural transformation and physical properties of a hydrogel-forming peptide studied by NMR, transmission electron microscopy, and dynamic rheometer. Biophys J. 103 (5), 979-988 (2012).
- Draghi, L., Resta, S., Pirozzolo, M. G., Tanzi, M. C. Microspheres leaching for scaffold porosity control. J Mater Sci. 16 (12), 1093-1097 (2005).
- Whang, K., et al. Engineering Bone Regeneration with Bioabsorbable Scaffolds with Novel Microarchitecture. Tissue Eng. 5 (1), 35-51 (1999).
- Ziv, K., et al. A tunable silk-alginate hydrogel scaffold for stem cell culture and transplantation. Biomaterials. 35 (12), 3736-3743 (2014).
- Butruk-Raszeja, B. A., et al. Athrombogenic hydrogel coatings for medical devices–Examination of biological properties. Colloid Surface B. 130, 192-198 (2015).
- Lü, S., Li, B., Ni, B., Sun, Z., Liu, M., Wang, Q. Thermoresponsive injectable hydrogel for three-dimensional cell culture: chondroitin sulfate bioconjugated with poly(N-isopropylacrylamide) synthesized by RAFT polymerization. Soft Matter. 7 (22), 10763 (2011).
- Ruoslahti, E., Pierschbacher, M. D. New perspectives in cell adhesion: RGD and integrins. Science. 238 (4826), 491-497 (1987).
