Vitrification en vrac de gouttelette pour la conservation primaire d'hépatocyte
Summary
Ce manuscrit décrit une méthode de cryoconservation sans glace pour de grandes quantités d’hépatocytes de rat par laquelle les cellules primaires sont pré-incubées avec des agents cryoprotecteurs à une faible concentration et vitrifiées dans de grandes gouttelettes.
Abstract
La vitrification est une solution de rechange prometteuse sans glace pour la cryoconservation classique de la congélation lente (à environ 1 oC/min) des échantillons biologiques. La vitrification nécessite des taux de refroidissement extrêmement rapides pour assurer la transition de l’eau dans la phase de verre tout en évitant la formation de glace dommageable. Bien que la pré-incubation avec des agents cryoprotecteurs (CPA) puisse réduire le taux critique de refroidissement des échantillons biologiques, des concentrations élevées sont généralement nécessaires pour permettre la cryoconservation sans glace par vitrification. En conséquence, la vitrification est entravée par la toxicité cpA et limitée aux petits échantillons qui peuvent être refroidis rapidement. Il a été récemment démontré que ces limitations inhérentes peuvent être surmontées par la vitrification en vrac des gouttelettes. Utilisant cette nouvelle méthode, les cellules sont d’abord pré-incubées avec une faible concentration intracellulaire de CPA. Tirant parti de la déshydratation osmotique rapide, l’APC intracellulaire est concentré directement avant la vitrification, sans avoir besoin d’équilibrer complètement les concentrations toxiques de CPA. La déshydratation cellulaire est effectuée dans un dispositif fluide et intégrée à la génération continue à haut débit de grosses gouttelettes qui sont vitrifiées dans l’azote liquide. Cette méthode de cryoconservation sans glace avec une toxicité minimale de CPA convient aux grandes quantités de cellules et a comme conséquence la viabilité accrue d’hépatocyte et la fonction métabolique comparée à la cryoconservation lente-congélation classique. Ce manuscrit décrit en détail les méthodes de vitrification réussie des gouttelettes en vrac.
Introduction
La perte de la viabilité cellulaire et de la fonction métabolique après la cryoconservation des hépatocytes est toujours un problème majeur qui limite les applications cliniques1,2,3. La méthode de référence de la cryoconservation des hépatocytes est la congélation lente, qui est effectuée en pré-incubant les hépatocytes avec CPA (sulfoxide de diméthyle [DMSO], glucose et albumine) et le gel contrôlé subséquent (à environ 1 oC/min) pour températures cryogéniques4,5. Malgré de nombreuses optimisations signalées, la toxicité de CPA ainsi que les déséquilibres osmotiques préjudiciables pendant le gel et le stress mécanique de la formation de glace demeurent des inconvénients fondamentaux du gel lent6,7.
Vitrification offre un avantage sur le gel lent dans cette blessure due à la formation de glace est complètement évitée par une transition de phase directe de l’eau dans l’état de verre6. Toutefois, pour atteindre la température de transition du verre de l’eau pure (-137 oC), l’eau doit être refroidie à des taux de l’ordre d’un million de degrés Celsius par seconde (c.-à-d. le taux de refroidissement critique) afin d’éviter la formation de glace au-dessus de la température de transition du verre8 . L’ajout de CPA peut abaisser le taux critique de refroidissement et augmenter la température de transition de verre des solutions aqueuses9. Cependant, même avec des concentrations élevées de CPA (par exemple, 40% v/v DMSO ou plus) des taux de refroidissement rapide sont néanmoins nécessaires pour une vitrification réussie8,9.
Les taux de refroidissement requis et les concentrations élevées de CPA entraînent deux inconvénients majeurs de la vitrification. Tout d’abord, pour permettre un refroidissement rapide, les échantillons doivent avoir une faible masse thermique. Deuxièmement, pour atteindre des concentrations élevées de CPA tout en évitant les blessures osmotiques, les CPA doivent être introduits lentement et entièrement équilibrés entre les compartiments intra- et extracellulaires6. Cela augmente le temps d’exposition des cellules aux CPA toxiques. Ensemble, cela rend la vitrification un processus lourd qui se limite à quelques échantillons de petite taille (microlitres) à la fois. La vitrification des gouttelettes a été proposée comme solution potentielle à ces restrictions. En exposant de minuscules gouttelettes chargées de cellules (nanolitres) à l’azote liquide, le taux de refroidissement est considérablement augmenté, ce qui permet par conséquent une réduction considérable de la concentration de CPA10,11,12 ,13,14. Bien que plusieurs buses à haute fréquence génératrices de gouttelettes pourraient potentiellement être utilisées simultanément, la taille extrêmement petite de gouttelette limite le débit aux microlitres par minute10,qui empêche la vitrification efficace de grandes cellules volumes avec des taux de traitement plus élevés de magnitudes de l’ordre de millilitres par minute.
Récemment, il a été démontré que ces limitations inhérentes de la vitrification peuvent être surmontées par la vitrification des gouttelettes en vrac15. Cette nouvelle méthode tire parti de la déshydratation osmotique rapide pour concentrer une concentration intracellulaire de CPA de 7,5% v/v d’éthylène glycol et DMSO immédiatement avant la vitrification, éliminant le besoin d’équilibre complet des concentrations toxiques de CPA. La déshydratation cellulaire est effectuée dans un dispositif fluide par une brève exposition des hépatocytes à une concentration extracellulaire élevée de CPA. Bien que cette exposition provoque une déshydratation osmotique rapide, il est trop court pour que la concentration élevée de CPA se diffuse dans les cellules. Immédiatement après la déshydratation, les cellules sont chargées en gouttelettes qui sont directement vitrifiées dans l’azote liquide. Cette méthode élimine le besoin d’une pleine prise intracellulaire de fortes concentrations de CPA tandis que la concentration extracellulaire élevée de CPA permet la vitrification des gouttelettes de grande taille, ayant pour résultat des volumes de débit élevés avec la toxicité minimale de CPA.
La vitrification des gouttelettes améliore la viabilité directe et à long terme après la préservation, ainsi que la morphologie et la fonction métabolique des hépatocytes de rat primaires par rapport à la cryoconservation classique par congélation lente15. Ce manuscrit fournit les détails méthodologiques pour la vitrification en vrac des hépatocytes de rat primaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
La cryoconservation des hépatocytes par congélation lente entraîne une viabilité réduite et une fonction métabolique. Vitrification offre une alternative prometteuse pour la cryoconservation classique, comme les dommages de congélation est complètement évité9. Cependant, la pré-incubation avec les CPA est nécessaire pour abaisser le taux de refroidissement critique8. Par conséquent, la vitrification est entravée par la toxicitécpA 17 e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le financement des National Institutes of Health des États-Unis (R01DK096075, R01DK107875 et R01DK114506) et du département américain de la Défense (DoD RTRP W81XWH-17-1-0680) est grandement reconnu.
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 |
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