マイクロ流体デバイスにおける組織モデルと perfusable の血管ネットワーク
Summary
プロトコルでは、回転楕円体の perfusable 管ネットワークを設計する方法について説明します。血管新生を誘導するマイクロ流体デバイスのマイクロに回転楕円体を接続する回転楕円体の周囲の微小環境が工夫されています。メソッドでは、三次元培養での待望の技術は、回転楕円体の血流をことができます。
Abstract
回転楕円体 (多細胞集合体) は、人間の体内で生体組織の良いモデルとみなされます。回転楕円体の文化の重要な前進、にもかかわらずスフェロイドの perfusable 管のネットワークを維持し、タンパク質の発現、形態形成など、彼らの機能を開発するために必要な長期的な文化のための重要な課題のまま。プロトコルは、マイクロ流体デバイスの回転楕円体内 perfusable 血管網を統合する新しい手法を提案します。回転楕円体の perfusable 管ネットワークを誘導して、マイクロ チャネルに接続されている血管新生もやしは、回転楕円体の培養ひと肺線維芽細胞から血管新生因子を用いた回転楕円体に導かれました。血管新生もやしは、回転楕円体で共培養血管内皮細胞と結合、回転楕円体に達し、連続的な血管網を形成します。血管のネットワークをヌケモレなく回転楕円体の内部灌流でした。構築された血管網は、栄養素の供給と血液循環の生体を模倣した廃棄物の除去のためルートとしてさらに使用可能性があります。メソッドは、生体組織のよい反復に向かって回転楕円体文化の新しいプラットフォームを提供します。
Introduction
生活の細胞の機能を模倣文化モデルを使用する必要性によって動機づけられている三次元培養単分子膜 (二次元) 文化からシフト組織1,2,3。細胞培養でよく使用されるフラットとハードなプラスチック基板の上には、人間の体内で細胞外の環境のほとんどは似ていません。実際には、多くの研究を示す従来の二次元文化4でみられていない、三次元培養再作成組織固有のアーキテクチャに、機械的、生化学的手がかりと細胞間コミュニケーション 5,6,7,8。
多細胞集合体または回転楕円体は、この三次元培養9,10を実現するために最も有望な技術の一つです。細胞は、細胞外マトリックス (ECM) を分泌し、回転楕円体で他のユーザーと対話できます。ただし、いくつかの他の工学アプローチ11,12,13,14, 細胞が積層など人間の体の空間的複雑さを正常にレプリケートされる、これらのアプローチがある唯一の 2 つまたは 3 つ細胞分析の使いやすさと標的臓器の 1 つだけに焦点を当てた関数の種類。対照的に、回転楕円体の細胞は、栄養素や酸素、パラクリンやオートクリン シグナル分子回転楕円体での異種の供給のために回転楕円体のそれぞれの立場によって異なる文化環境にさらされています。回転楕円体のこの機能を部分的に模倣体内培養条件と有効にするはるかに複雑な整頓されていた組織を作成する回転楕円体のセル構造の in vitro積層組織9,の培養に比べて15,16. 場合は回転楕円体は、単一のセルの種類から成り、回転楕円体の細胞の機能が回転楕円体の異機種混在環境のため均一ではないことに注意してください。過去数年間でスフェロイド培養できる体内発生シーケンスを模倣し、17脳などミニ器官を再作成する住民組織幹細胞や胚性幹細胞 (Esc)、誘導多能性幹細胞 (Ips)肝臓腎臓と1819,20。
スフェロイド培養技術の大幅な進歩にもかかわらず長い間大きな回転楕円体の培養はまだ問題です。三次元組織の細胞は酸素と栄養素の21の限られた供給のため 150-200 μ m の血管内に存在する必要があります。回転楕円体の中で血管のネットワークは、血液と組織の生体間交換物質を要約する必要があります。そのためには、他のグループは共培養血管内皮細胞のターゲット細胞22,23,24か CD31 陽性細胞20多能性細胞の分化を誘導しました。それにもかかわらず、報告された血管のような構造は、回転楕円体の中心に酸素と栄養を供給するルミナの開いた端部を必要はありません。三次元培養細胞を養う血管の役割を模倣するには、オープン エンドと perfusable の血管網は、回転楕円体で開発されなければなりません。
過去数年間の間にマイクロ エンジニア リングの分野でいくつかの研究グループ報告遊走性に与える線維芽細胞25 から血管新生因子を用いたマイクロ流体デバイスで自発的に形作った perfusable 血管網を構築する方法 ,26。これらの血管のネットワークは、体内の対応する類似形態し、適してスフェロイド培養血管機能を模倣するための環境要因によって改造することができます。このプロトコルの目的は、マイクロ流体プラットフォーム27を使用して回転楕円体で perfusable 血管網を構築することです。回転楕円体に組み込むことができるように、マイクロ流体デバイスが以前に報告されたデバイス25から変更されます。マイクロ流路における内皮細胞と回転楕円体の線維芽細胞から血管新生の分泌を誘導血管新生は回転楕円体で吻合マイクロからもやしし、perfusable 血管網を形成します。このメソッドは、蛍光分子と血管網と長期培養のためのフレームワークを提供します回転楕円体の内部にマイクロ ビーズなどの物質の広い範囲の直接配信できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
過去のレポート表示 hLFs がカクテル アンジオポエチン 1、アンジオジェニン、肝細胞増殖因子、増殖因子-α、腫瘍壊死因子といくつか細胞外マトリックス蛋白質29、変換など、複数の血管新生因子を分泌します。 30です。この試金は hLFs 共回転楕円体法の制限である内から血管新生の分泌に依存しています。したがって、培養スフェロイドと Huvec ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、CREST 科学技術振興機構 (許可番号 JPMJCR14W4)、社会のための科学振興) 費 (許可番号 25600060、16 K 16386) 文部科学省からキー評価技術の開発に焦点を当てたプロジェクト、科学技術振興機構からイノベーション プログラムのセンターによって支えられました。医学研究・開発、アメッド、みずほ財団法人科学振興財団日本代理店。微細加工は京都大学ナノ技術ハブによって支えられました。
Materials
| AutoCAD 2017 | Autodesk | AutoCAD 2017 | |
| A chromium mask coated with AZP 1350. | CLEAN SURFACE TECHNOLOGY | CBL2506Bu-AZP | |
| Micro pattern generator | Heidelberg | uPG101 | |
| MF CD-26 developer | Rohm and haas electronic materials | – | Developer in protocol 1.4 |
| S-Clean | Sasaki Chemical | S-24 | Chromium etchant in protocol 1.5 |
| Aceton | Wako | 012-00343 | |
| Silicon Wafer | Canosis | SiJ-4 | |
| Spin Coater | MIKASA | 1H-D7 | |
| Hexamethyldisilazane (HMDS) | Tokyo Ohka Kogyo | H0089 | |
| SU-8 3050 | MicroChem | – | Negative photoresist in protocol 1.9 |
| UV Exposure | Nanometric Technology Inc | LA310s | |
| SU-8 Developer | MicroChem | Y020100 | Developer for the negative photoresist in protocol 1.13 |
| 2-propanol | Wako | 163-04841 | |
| Surhace profiler | Vecco | Veeco Dektak XT-S | |
| (Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane | Sigma | 448931 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning Toray | 184W/C | |
| Biopsy Punch (1.0mm) | Kai Industries | BP-10F | |
| Biopsy Punch (2.0mm) | Kai Industries | BP-20F | |
| Plasma System | Femto Science | COVANCE | |
| Cover glass | MATSUNAMI GLASS | C024241 | |
| Culture Dishes | Iwaki | 1000-035 | |
| RFP Expressing Human Umbilical Vein Endothelial Cell | Angio Proteomie | cAP-0001RFP | |
| Normal Human Lung Fibroblasts | Lonza | CC-2512 | |
| Endothelial Cell Growth Medium | Lonza | CC-3162 | |
| Fibroblast Growth Media Kits | Lonza | CC-3132 | |
| DMEM | Thermo Fisher Scientific | 11965092 | |
| Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 26140079 | |
| Penicillin-Streptomycin Solution | Wako | 168-23191 | |
| 0.05w/v% Trypsin-0.53mmol/l EDTA• 4Na Solution with Phenol Red | Wako | 204-16935 | |
| PBS (Phosphate Buffered Salts) | Takara bio | T900 | |
| 96-well plate | Sumitomo bakelite | 631-21031 | |
| 1000ul Chip | NIPPON Genetics | FG-402 | |
| 200ul Chip | NIPPON Genetics | FG-301 | |
| 10ul Chip | NIPPON Genetics | 37650 | |
| CO2 incubator | Thermo Fisher Scientific | Model 370 | |
| GFP Expressing Human Umbilical Vein Endothelial Cell | Angio Proteomie | cAP-0001GFP | |
| Fibrinogen from bovine plasma | Sigma | F8630 | |
| Aprotinin from bovine lung | Sigma | A6279 | |
| Collagen I | Corning | 354236 | |
| Thrombin from bovine plasma | Sigma | T4648 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H21492 | Fluorescent dye to stain nuclei in protocol 5.5 |
| Paraformaldehyde Solution | Wako | 163-25983 | |
| Inverted Fluorescence Microscope | OLYMPUS | IX71 | |
| Degital CCD Camera | OLYMPUS | ORCA-R2 | |
| Confocal Laser Scanning Biological Microscope | OLYMPUS | FV1000 | |
| Inverted Fluorescence Microscope | OLYMPUS | IX-83 | |
| Fluorescein isothiocyanate-dextran | Sigma | FD70S |
References
- Abbott, A. Cell culture: Biology’s new dimension. Nature. 424 (6951), 870-872 (2003).
- Pampaloni, F., Reynaud, E. G., Stelzer, E. H. K. The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (10), 839-845 (2007).
- Shamir, E. R., Ewald, A. J. Three-dimensional organotypic culture: experimental models of mammalian biology and disease. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 15 (10), 647-664 (2014).
- Abu-Absi, S. F., Friend, J. R., Hansen, L. K., Hu, W. S. Structural polarity and functional bile canaliculi in rat hepatocyte spheroids. Experimental Cell Research. 274 (1), 56-67 (2002).
- Bissell, M. J., Radisky, D. C., Rizki, A., Weaver, V. M., Petersen, O. W. The organizing principle: microenvironmental influences in the normal and malignant breast. Differentiation. 70 (9-10), 537-546 (2002).
- Liu, Y., et al. Novel role for netrins in regulating epithelial behavior during lung branching morphogenesis. Current Biology. 14 (10), 897-905 (2004).
- Sato, T., et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature. 459 (7244), 262-U147 (2009).
- Torisawa, Y. S., Shiku, H., Kasai, S., Nishizawa, M., Matsue, T. Proliferation assay on a silicon chip applicable for tumors extirpated from mammalians. International Journal of Cancer. 109 (2), 302-308 (2004).
- Fennema, E., Rivron, N., Rouwkema, J., van Blitterswijk, C., de Boer, J. Spheroid culture as a tool for creating 3D complex tissues. Trends in Biotechnology. 31 (2), 108-115 (2013).
- Sutherland, R. M. Cell And Environment Interactions In Tumor Microregions – The Multicell Spheroid Model. Science. 240 (4849), 177-184 (1988).
- Rothbauer, M., Zirath, H., Ertl, P. Recent advances in microfluidic technologies for cell-to-cell interaction studies. Lab on a Chip. , (2017).
- Matsuura, K., Utoh, R., Nagase, K., Okano, T. Cell sheet approach for tissue engineering and regenerative medicine. Journal of Controlled Release. 190, 228-239 (2014).
- Esch, E. W., Bahinski, A., Huh, D. Organs-on-chips at the frontiers of drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery. 14 (4), 248-260 (2015).
- Bhatia, S. N., Ingber, D. E. Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology. 32 (8), 760-772 (2014).
- Lancaster, M. A., Knoblich, J. A. Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science. 345 (6194), (2014).
- Hirschhaeuser, F., et al. Multicellular tumor spheroids: An underestimated tool is catching up again. Journal of Biotechnology. 148 (1), 3-15 (2010).
- Lancaster, M. A., et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 501 (7467), 373 (2013).
- Takebe, T., et al. Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature. 499 (7459), 481 (2013).
- Taguchi, A., et al. Redefining the In Vivo Origin of Metanephric Nephron Progenitors Enables Generation of Complex Kidney Structures from Pluripotent Stem Cells. Cell Stem Cell. 14 (1), 53-67 (2014).
- Takasato, M., et al. Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis. Nature. 526 (7574), 564-568 (2015).
- Auger, F. A., Gibot, L., Lacroix, D., Yarmush, M. L. . Annual Review of Biomedical Engineering. 15, 177-200 (2013).
- Inamori, M., Mizumoto, H., Kajiwara, T. An Approach for Formation of Vascularized Liver Tissue by Endothelial Cell-Covered Hepatocyte Spheroid Integration. Tissue Engineering Part A. 15 (8), 2029-2037 (2009).
- Kunz-Schughart, L. A., et al. Potential of fibroblasts to regulate the formation of three-dimensional vessel-like structures from endothelial cells in vitro. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 290 (5), C1385-C1398 (2006).
- Rouwkema, J., De Boer, J., Van Blitterswijk, C. A. Endothelial cells assemble into a 3-dimensional prevascular network in a bone tissue engineering construct. Tissue Engineering. 12 (9), 2685-2693 (2006).
- Kim, S., Lee, H., Chung, M., Jeon, N. L. Engineering of functional, perfusable 3D microvascular networks on a chip. Lab on a Chip. 13 (8), 1489-1500 (2013).
- Moya, M. L., Hsu, Y. H., Lee, A. P., Hughes, C. C. W., George, S. C. In Vitro Perfused Human Capillary Networks. Tissue Engineering Part C-Methods. 19 (9), 730-737 (2013).
- Nashimoto, Y., et al. Integrating perfusable vascular networks with a three-dimensional tissue in a microfluidic device. Integrative Biology. 9 (6), 506-518 (2017).
- Huang, C. P., et al. Engineering microscale cellular niches for three-dimensional multicellular co-cultures. Lab on a Chip. 9 (12), 1740-1748 (2009).
- Newman, A. C., et al. Analysis of Stromal Cell Secretomes Reveals a Critical Role for Stromal Cell-Derived Hepatocyte Growth Factor and Fibronectin in Angiogenesis. Arteriosclerosis Thrombosis and Vascular Biology. 33 (3), 513 (2013).
- Newman, A. C., Nakatsu, M. N., Chou, W., Gershon, P. D., Hughes, C. C. W. The requirement for fibroblasts in angiogenesis: fibroblast-derived matrix proteins are essential for endothelial cell lumen formation. Molecular Biology of the Cell. 22 (20), 3791-3800 (2011).
- Griffith, C. K., et al. Diffusion limits of an in vitro thick prevascularized tissue. Tissue Engineering. 11 (1-2), 257-266 (2005).
- Zheng, Y., et al. Angiogenesis in Liquid Tumors: An In Vitro Assay for Leukemic-Cell-Induced Bone Marrow Angiogenesis. Advanced Healthcare Materials. 5 (9), 1014-1024 (2016).
- Osaki, T., Sivathanu, V., Kamm, R. D. Crosstalk between developing vasculature and optogenetically engineered skeletal muscle improves muscle contraction and angiogenesis. Biomaterials. 156, 65-76 (2018).
