Vitrificación de gotas a granel para la preservación de hepatocitos primarios
Summary
Este manuscrito describe un método de criopreservación libre de hielo para grandes cantidades de hepatocitos de rata mediante el cual las células primarias son preincubante con agentes crioprotectores a baja concentración y vitrificadas en grandes gotas.
Abstract
La vitrificación es una alternativa prometedora sin hielo para la criopreservación clásica de muestras biológicas a cámara lenta (a aproximadamente 1 oC/min). La vitrificación requiere tasas de enfriamiento extremadamente rápidas para lograr la transición del agua a la fase de vidrio evitando la formación de hielo perjudicial. Aunque la preincubación con agentes crioprotectores (CPA) puede reducir la tasa de enfriamiento crítico de las muestras biológicas, generalmente se necesitan altas concentraciones para permitir la criopreservación sin hielo por vitrificación. Como resultado, la vitrificación se ve obstaculizada por la toxicidad del CPA y restringida a pequeñas muestras que se pueden enfriar rápidamente. Recientemente se demostró que estas limitaciones inherentes pueden ser superadas por la vitrificación de gotas masivas. Usando este método novedoso, las células se preincuban primero con una baja concentración de CPA intracelular. Aprovechando la deshidratación osmótica rápida, el CPA intracelular se concentra directamente antes de la vitrificación, sin la necesidad de equilibrar completamente las concentraciones tóxicas de CPA. La deshidratación celular se realiza en un dispositivo fluido e integrado con una generación continua de alto rendimiento de gotas de gran tamaño que se vitrifican en nitrógeno líquido. Este método de criopreservación sin hielo con una toxicidad mínima de CPA es adecuado para grandes cantidades de células y resulta en una mayor viabilidad de los hepatocitos y la función metabólica en comparación con la criopreservación clásica de congelación lenta. Este manuscrito describe los métodos para la vitrificación exitosa de gotas masivas en detalle.
Introduction
La pérdida de viabilidad celular y la función metabólica después de la criopreservación de hepatocitos sigue siendo un problema importante que limita las aplicaciones clínicas1,2,3. El método de referencia de criopreservación de hepatocitos es la congelación lenta, que se realiza preincubando los hepatocitos con CPA (dimetil sulfóxido [DMSO], glucosa y albúmina) y posterior congelación de la velocidad controlada (aproximadamente 1 oC/min) a temperaturas criogénicas4,5. A pesar de muchas optimizaciones reportadas, la toxicidad de CPA junto con los desequilibrios osmóticos perjudiciales durante la congelación y el estrés mecánico de la formación de hielo siguen siendo inconvenientes fundamentales de la congelación lenta6,7.
La vitrificación ofrece una ventaja sobre la congelación lenta en que la lesión debido a la formación de hielo se evita por completo por una transición de fase directa del agua al estado de vidrio6. Sin embargo, para alcanzar la temperatura de transición del vidrio del agua pura (-137 oC), el agua debe enfriarse a velocidades del orden de un millón de grados centígrados por segundo (es decir, la tasa de enfriamiento crítico) para evitar la formación de hielo por encima de la temperatura de transición del vidrio8 . La adición de CPAs puede reducir la tasa de enfriamiento crítico y aumentar la temperatura de transición del vidrio de las soluciones acuosas9. Sin embargo, incluso con altas concentraciones de CPA (por ejemplo, 40% v/v DMSO o superior) se requieren, no obstante, tasas de refrigeración rápida para la vitrificación exitosa8,9.
Las tasas de enfriamiento requeridas y las altas concentraciones de CPA dan lugar a dos grandes inconvenientes de la vitrificación. En primer lugar, para permitir un enfriamiento rápido, las muestras deben tener una masa térmica baja. En segundo lugar, para alcanzar altas concentraciones de CPA evitando lesiones osmóticas, los CPA deben introducirse lentamente y equilibrarse completamente entre los compartimentos intra yextracelulares 6. Esto aumenta el tiempo de exposición de las células a los CPA tóxicos. Juntos, esto hace que la vitrificación sea un proceso engorroso que se limita a unas pocas muestras de pequeño tamaño (microlitros) a la vez. La vitrificación de gotas se ha propuesto como una solución potencial a estas restricciones. Al exponer las gotas minúsculas de carga celular (nanolitros) al nitrógeno líquido, la tasa de enfriamiento se incrementa significativamente, lo que permite una reducción considerable de la concentración de CPA10,11,12 ,13,14. Aunque múltiples boquillas generadoras de gotas de alta frecuencia podrían utilizarse potencialmente simultáneamente, el tamaño de las gotas extremadamente pequeña limita el rendimiento a microlitros por minuto10,lo que impide la vitrificación eficiente de células grandes volúmenes con magnitudes mayores tasas de procesamiento en el orden de mililitros por minuto.
Recientemente se demostró que estas limitaciones inherentes de la vitrificación pueden ser superadas por la vitrificación de gotas masivas15. Este novedoso método aprovecha la deshidratación osmótica rápida para concentrar una concentración intracelular de CPA del 7,5% v/v de etilenglicol y DMSO inmediatamente anterior a la vitrificación, eliminando la necesidad de un equilibrio completo de las concentraciones tóxicas de CPA. La deshidratación celular se realiza en un dispositivo fluido mediante una breve exposición de los hepatocitos a una alta concentración de CPA extracelular. Aunque esta exposición causa deshidratación osmótica rápida, es demasiado corta para que la alta concentración de CPA se difunda en las células. Inmediatamente después de la deshidratación, las células se cargan en gotas que se vitrifican directamente en nitrógeno líquido. Este método elimina la necesidad de una aceptación intracelular completa de altas concentraciones de CPA, mientras que la alta concentración de CPA extracelular permite la vitrificación de gotas de gran tamaño, lo que resulta en volúmenes de alto rendimiento con una toxicidad mínima de CPA.
La vitrificación de gotas mejora la viabilidad directa y a largo plazo después de la preservación, así como la morfología y la función metabólica de los hepatocitos primarios de ratas en comparación con la criopreservación clásica por congelación lenta15. Este manuscrito proporciona los detalles metodológicos para la vitrificación de gotas a granel de hepatocitos de ratas primarias.
Protocol
Representative Results
Discussion
La criopreservación de hepatocitos por congelación lenta da como resultado una menor viabilidad y función metabólica. La vitrificación ofrece una alternativa prometedora para la criopreservación clásica, ya que la lesión por congelación se evita por completo9. Sin embargo, se requiere la preincubación con CPAs para reducir la velocidad de enfriamiento crítica8. En consecuencia, la vitrificación se ve obstaculizada por la toxicidad del CPA17</su…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La financiación de los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos (R01DK096075, R01DK107875 y R01DK114506) y del Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD RTRP W81XWH-17-1-0680) es muy reconocida.
Materials
| BD Disposable 3 mL Syringes with Luer-Lok Tips | Fisher Scientific | 14-823-435 | |
| Beaker | Sigma-Aldrich | CLS1000-250 | |
| Belzer UW Cold Storage Solution | Bridge to Life | BUW-001 | |
| Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| Cole-Parmer Female Luer to 1/16" low-profile semi-rigid tubing barb, PP | Cole-Parmer | EW-45508-12 | |
| Cryogentic stroage tank / Cryotank | Chart Industries | MVE 800 | |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| DMEM, powder, high glucose, pyruvate | Life Technologies | 12800-082 | |
| Ethylene Glycol | Sigma-Aldrich | 107-21-1 | |
| Extra long forceps | Fisher Scientific | 10-316C | |
| Fisherbrand Higher-Speed Easy Reader Plastic Centrifuge Tubes – Flat top closure | Fisher Scientific | 06-443-18 | |
| Fishing line | Stren | SOFS4-15 | |
| Liquid nitrogen | Airgas | 7727-37-9 | |
| Masterflex L/S Platinum-Cured Silicone Tubing, L/S 14 | Cole-Parmer | EW-96410-14 | |
| Mix Tips, For Use With 3HPW1 | Grainger | 3WRL7 | |
| Nalgene Polypropylene Powder Funnel | ThermoFisher | 4252-0100 | |
| Needle 20 ga | Becton Dickinson (BD) | 305175 | |
| Parafilm M – Flexible film | Sigma-Aldrich | P7793-1EA | |
| Razor Blade | Fisher Scientific | 12-640 | |
| Spatula | Cole-Parmer | EW-06369-18 | |
| Steriflip sterile filter | Fisher Scientific | SE1M179M6 | |
| Sucrose (Crystalline/Certified ACS) | Fisher Scientific | S5-500 | |
| Syringe Pump | New Era Pump Systems Inc. | NE-1000 | |
| Thermo-Flask Benchtop Liquid Nitrogen Container | ThermoFisher | 2122 |
References
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