Summary

Schwann Hücre Fenotip Spesifikasyonunu Değerlendirmek Için Hücre Dışı Matriks Mikroortamlarının Hazırlanması

Published: June 02, 2020
doi:

Summary

Bu metodoloji, substrat sertliği, protein bileşimi ve hücre morfolojisi gibi hücre dışı matris ipuçlarının Schwann hücresi (SC) fenotipini düzenleyen mekanizmalarını göstermeyi amaçlamaktadır.

Abstract

Travmatik periferik sinir sistemi (PNS) yaralanmaları şu anda tam fonksiyonel iyileşme yitirmek için uygun tedaviler eksikliği. Schwann hücreleri (SCs), PNS önemli glial hücreleri olarak, yaralanma sonrasında bir rejeneratif hücre fenotip içine dedifferentiating tarafından PNS rejenerasyon teşvik hayati bir rol oynamaktadır. Ancak, SCs defarklılaştırılmış devlet rejenerasyon için gerekli zaman dilimi boyunca korumak için zor ve çevreleyen ekstrasellüler matris (ECM) değişikliklerden etkilenir. Bu nedenle, SC’lerin rejeneratif potansiyeline ilişkin ipuçları sağlamak için SC’ler ile farklı ECM arasındaki karmaşık etkileşimin belirlenmesi esastır. Bunu gidermek için, farklı ECM proteinlerinin sertlik ve protein bileşiminin modüle edilebildiği bir platform sağlayan, ölçülü polidimetilsiloksane (PDMS) substratına adsord edildikleri bir strateji oluşturuldu. SC’ler ölçülebilir yüzeylere tohumlanmış ve SC fenotipinin dinamiklerini temsil eden kritik hücresel fonksiyonlar ölçüldü. SC protein ekspresyonu ile hücresel morfoloji arasındaki etkileşimi göstermek için, bireysel mikrotemas baskılı hücresel desenlere ek olarak SC’lerin farklı tohumlama yoğunlukları kullanıldı ve immünfloresans boyama ve batı lekesi ile karakterize edildi. Sonuçlar, daha küçük yayılma alanı ve hücresel uzama daha yüksek ölçüde olan hücrelerin sc rejeneratif phenotipik belirteçleri daha yüksek düzeyde teşvik gösterdi. Bu metodoloji sadece ECM ve SCs hücresel fonksiyonu arasındaki önemli ilişkiyi çözmek için başlar, ama aynı zamanda periferik sinir onarım biyomalzemelerin gelecekteki optimizasyonu için kurallar sağlar.

Introduction

Periferik sinir sistemi (PNS) yaralanmaları hastalar için yaşam kalitesini tehlikeye atarak ve sosyoekonomik faktörlerin çok sayıda ile önemli bir etki yaratarak sağlık önemli bir klinik sorun olmaya devam etmektedir1,2. Schwann hücreleri (SC), PNS’deki başlıca glial hücreler olarak, PNS rejenerasyonuna neden olmak ve kısa boşluk yaralanmalarında fonksiyonel iyileşmelere yardımcı olmak için gerekli moleküler ve fiziksel ipuçlarını sağlar. Bunun nedeni, SC’lerin miyelinating veya Remak fenotip3’ten“onarım” hücre fenotipine ayrıştırma yeteneğine sahip olmasıdır. Onarım SC çeşitli şekillerde ayırt edici bir hücre fenotip. Yaralanmadan sonra, SC’ler hücre döngüsüne yeniden girerek çoğalma hızlarını artırır lar ve reinnervasyonu kolaylaştırmak için çeşitli transkripsiyonel faktörlerin ekspresyonuna başlarlar. C-Jun ve p75 NTR gibi bu faktörler, miyelin temel protein (MBP) gibi miyelinating SC belirteçleri, downregulated4,,5ise upregulated vardır. Buna ek olarak, SCs uzun olmak için morfolojideğiştirmek ve yaralanma site6genelinde Büngner bantları oluşturmak için birbirleri ile hizalanmış . Bu aksonlar için doğru distal hedef7genişletmek için fiziksel bir rehberlik mekanizması sağlar. Ancak, SCs kısa boşluk yaralanmalarında sinir rejenerasyonu teşvik etmek için sahip yeteneğine rağmen, fonksiyonel iyileşme sonucu ciddi yaralanmalarda kötü kalır. Bu kısmen ekstrasellüler matriks kaybı nedeniyle (ECM) rehberlik ipuçları, hem de uzun süreler boyunca rejeneratif fenotip korumak için SCs yetersizlik8.

Sinir rejenerasyon ve iyileşme süreci yakından yaralanma sonrasında bazal lamina durumuna bağlıdır. Bazal lamina rehberlik kolaylaştırır ve yaralanma9aşağıdaki bozulmadan kalır durumlarda akson ve SCs için ECM bağlı ipuçları sağlar sinir etrafında ECM bir tabakadır . ECM durumu ve hücrelere matris bağlı ipuçları sunmak için yeteneği hayati önem taşımaktadır ve daha önce farklı bağlamlarda çeşitli araştırılmıştır10,11,12,13,14. Örneğin, ECM sertliği gibi çoğalma ve farklılaşma11,,15,16gibi hücre fonksiyonları rehberlik göstermiştir. ECM bileşimi de farklı bir hücresel yanıt yol açabilir ve hücre içi sinyal yolları 17 ile göç ve farklılaşma gibi hücre davranışlarını düzenleyen17,18. Ayrıca, hücre morfolojisi, yayılma alanı ve hücresel uzama da dahil olmak üzere, fonksiyonudüzenleyen önemli bir rol oynamaktadır ve ECM bağlı ipuçları tarafından yönetilebilir19,20. Birçok önceki çalışmalarda kök hücrelerin tanımlanmış soylara farklıştırılması üzerinde duruldu, henüz SCs bir homeostatik fenotipi değiştirmek için benzer bir yeteneğe sahip, sağlıklı bir sinir içinde yetişkin SC, bir onarım SC protein ve büyüme faktörleri salgılama yeteneğine sahip ise Sinir yaralanması aşağıdaki ECM remodeling5,21. Bu nedenle, özellikle doğuştan Gelen SC rejeneratif kapasite ve ECM bağlı ipuçları arasındaki ilişkinin altında yatan mekanizmaları belirlemek için sonuçta sinir rejenerasyonu için bu kapasiteyi koşum içgörü için çok önemlidir.

Bu sorunu çözmek için, mekanik sertlik ve ligand tipinin fizyolojik olarak uygun aralıklarda kolayca ayarlanabildiği bir hücre kültürü alt katmanı üretmek için ayrıntılı bir metodoloji geliştirdik. Polidimethyl siloksan (PDMS) poliakrilamid jel ile karşılaştırıldığında son derece table mekaniği nedeniyle bir substrat olarak seçildi, maksimum Genç modülü yaklaşık 12 kPa yaklaşık 1000 kPa22,,,24PDMS tezat .23 Bu eldeki çalışma için yararlıdır, son çalışmalar bir tavşan siyatik sinir Young modülü göstermiştir gibi gelişme sırasında 50 kPa aşabilir, böylece PNS içinde sinirlerin sertlik aralığı daha önce incelenen daha geniş olduğunu düşündürmektedir. Farklı proteinler, mekanik ve ligandların SC davranışı nın kombinatoryal regülasyonlarını analiz etmek için PDMS yüzeyleri üzerine adsorpsiyon yapabilme yeteneğine sahiptir. Bu, PNS rejenerasyon sürecinde bulunan birden fazla mikroçevresel ipuçlarının araştırılmasına ve sadece25. Ayrıca, bu mühendislik hücre kültürü substratları immünohistokimya, batı lekeve kantitatif polimeraz zincir reaksiyonu (q-PCR) gibi çok sayıda kantitatif analiz yöntemi ile uyumludur.

Bu tasarlanmış hücre kültürü platformu, her ECM’ye bağlı sinyalin bireysel ayarı yüksek düzeyde nedeniyle mekanistik yolları analiz etmek için son derece uygundur. Buna ek olarak, mikrotemas baskı da dahil olmak üzere hücre mikrodesenleme için popüler yöntemler, diğer ECM bağlı ipuçları 24 ile ilgili olarak hücre şeklini analiz etmek için kontrollü hücresel yapışma sağlamak için yüzeyler üzerinde elde edilebilir24. Bu çok önemlidir, çünkü hücre popülasyonlarında uzamayı teşvik eden çizgi desenli yüzeyler, sinir rejenerasyonu sırasında Büngner bantları içindeki uzamış ve rejeneratif SC’leri taklit etmek ve incelemek için bir araç sağlar. Ayrıca, hücresel morfoloji birden fazla hücre fonksiyonlarının güçlü bir düzenleyici ve potansiyel olarak26,,27kontrollü değilse şaşırtıcı deneysel sonuçlar tanıtabilir. ECM ipuçları28,29,,30tarafından düzenlenen olarak SC rejeneratif fenotip yöneten mekanizmalar şimdi önemli dikkat sağlanmaktadır. Bu PNS sinir rejenerasyonu yardım için sinir rehberlik kanalları olarak uygulanabilir biyomalzemelerin tasarımı içine fikir sağlamak için gereklidir. Bu ayrıntılı protokoller sonuçta ECM bağlı ipuçları tarafından düzenlenen SC ve diğer hücre tipi fonksiyonunun mekanizmaları deşifre etmek için potansiyel bir araç olarak uygulanabilir.

Protocol

1. Tunable hücre kültürü substrat hazırlama ve karakterizasyonu Substrat hazırlama 10:1 ile 60:1 arasında bir oranda pipet ucu kullanarak PDMS baz elastomer ve kür ajanlarını karıştırın, kabarcıklar karışım içinde homojen bir şekilde dağılına kadar. Kabarcıklar dağılına kadar vakum desiccation kullanarak kabarcıklar kaldırın.NOT: PDMS polimerizasyonu sırasında, son polimer istenilen mekanik özellikleri sağlamak için baz elastomer ile kür ajan ç…

Representative Results

SC fenotipüzerinde substrat sertliği ile protein bileşimi arasındaki etkileşimi analiz etmek ve ölçmek için, bir pdms hücre kültürü alt tabakası geliştirilmiştir(Şekil 1A). Polimerin farklı tabanda sıkıştırma testi: genç modülünün (E) substratını ölçmek için kür ajan oranları kullanılmıştır(Şekil 1B). Ortaya çıkan modül değerleri fizyolojik olarak ilgili substrat koşullarını temsil eder. Substratların hazırlanmasınd…

Discussion

SCs onların phenotipik dönüşüm ve sinir yaralanması aşağıdaki rejeneratif potansiyel nedeniyle sinir rejenerasyonu teşvik edebilir. Ancak, ECM ipuçlarının bu rejeneratif kapasiteyi nasıl düzenlediği çoğunlukla belirsizliğini korumaktadır ve bu da sadece sinir rejenerasyonu yla ilgili biyomalzemelerin geliştirilmesini değil, aynı zamanda sinir yenilenmesinde yer alan mekanizmaların anlaşılmasını da engellemektedir. Bu etkileşimi incelemeye başlamak için, sertlik, protein kaplama ve yapışka…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar minnetle Cincinnati Üniversitesi’nden fon desteği kabul. Yazarlar da Ron Flenniken Cincinnati Üniversitesi Gelişmiş Malzeme Karakterizasyon laboratuvarı destek için teşekkür ederiz.

Materials

Albumin from Bovine Serum (BSA), Texas Red conjugate Thermo Fisher Scientific A23017 BSA staining to show micropatterns
Anti-mouse IgG, HRP-linked Antibody Cell Signaling Technology 7076S Antibody used for western blot analysis
Anti-rabbit IgG, HRP-linked Antibody Cell Signaling Technology 7074S Antibody used for western blot analysis
BrdU Thermo Fisher Scientific B23151 Reagent used to measure cell proliferation
BrdU primary antibody conjugated with Alexa Fluor 488 Thermo Fisher Scientific B35130 Used to visualize BrdU in cell proliferation assays
Collagen I Thermo Fisher Scientific A10483-01 Protein used to coat coverslips
Compression force test machine TestResources Instrument to quantify mechanical properties of polymers
Dulbecco's Modified Eagle Medium Thermo Fisher Scientific 11965092 Cell culture medium
Fetal Bovine Serum Thermo Fisher Scientific 16000044 Cell culture medium supplemental
Fibronectin Thermo Fisher Scientific 33010-018 Protein used to coat coverslips
Fluorescence microscope Nikon Eclipse Ti2 Fluorescence microscope
Halt Protease and Phosphatase Inhibitor Cocktail (100X) Thermo Fisher Scientific 78440 Protease and Phosphatase Inhibitor
Laminin Thermo Fisher Scientific 23017015 Protein used to coat coverslips
Mounting medium with DAPI Thermo Fisher Scientific P36971 Coverslip mountant and nuclei staining
Mouse c-Jun primary antibody Thermo Fisher Scientific 711202 Primary antibody to visualize c-Jun protein
Mouse β-Actin primary antibody Cell Signaling Technology 3700S Loading control for western blot experiments
Penicillin-Streptomycin Thermo Fisher Scientific 15140122 Cell culture medium supplemental
Photoresist SU 2010 KAYAKU SU8-2010 Photoresist
Pluronic F-127 Sigma Aldrich P-2443 Block non-specific protein binding
Rabbit c-Jun primary antibody Cell Signaling Technology 9165S Primary antibody for visualization of c-Jun protein
Rabbit myelin basic protein primary antibody Abcam ab40390 Primary antibody for visualization of MBP
Rabbit p75NTR primary antibody Cell Signaling Technology 8238S Primary antibody for visualization of p75NTR
Rhodamine phalloidin Thermo Fisher Scientific R415 Visualization of cell cytoskeleton
RIPA buffer Abcam ab156034 Cell lysis buffer
RT4-D6P2T Schwann cell line ATCC CRL-2768 Cell line used in experiments
SYLGARD 184 PDMS base and curing agent Sigma Aldrich 761036 Tunable polymer used to coat coverslips
Trypsin Thermo Fisher Scientific 15090-046 Cell dissociation reagent
UV-Ozone cleaner Novascan Increase hydrophicility of PDMS
Versene (1x) Thermo Fisher Scientific 15040066 Cell dissociation reagent

References

  1. Taylor, C. A., Braza, D., Rice, J. B., Dillingham, T. The Incidence of Peripheral Nerve Injury in Extremity Trauma. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. 87, 381-385 (2008).
  2. Noble, J., Munro, C. A., Prasad, V. S. S. V., Midha, R. Analysis of Upper and Lower Extremity Peripheral Nerve Injuries in a Population of Patients with Multiple Injuries. Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 45, 116-122 (1998).
  3. Jessen, K. R., Mirsky, R. The repair Schwann cell and its function in regenerating nerves. Journal of Physiology. 594, 3521-3531 (2016).
  4. Arthur-Farraj, P. J., et al. c-Jun Reprograms Schwann Cells of Injured Nerves to Generate a Repair Cell Essential for Regeneration. Neuron. 75, 633-647 (2012).
  5. Jessen, K. R., Mirsky, R. The Success and Failure of the Schwann Cell Response to Nerve Injury. Frontiers in Cell Neurosciences. 13, 33 (2019).
  6. Gomez-Sanchez, J. A., et al. After Nerve Injury, Lineage Tracing Shows That Myelin and Remak Schwann Cells Elongate Extensively and Branch to Form Repair Schwann Cells, Which Shorten Radically on Remyelination. Journal of Neuroscience. 37 (37), 9086-9099 (2017).
  7. Deumens, R., et al. Repairing injured peripheral nerves: Bridging the gap. Progress in Neurobiology. 92, 245-276 (2010).
  8. Höke, A., Gordon, T., Zochodne, D. W., Sulaiman, O. A. R. A decline in glial cell-line-derived neurotrophic factor expression is associated with impaired regeneration after long-term Schwann cell denervation. Experimental Neurology. 173, 77-85 (2002).
  9. Jones, S., Eisenberg, H. M., Jia, X. Advances and future applications of augmented peripheral nerve regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 17, 1-17 (2016).
  10. Harris, G. M., et al. Nerve Guidance by a Decellularized Fibroblast Extracellular Matrix. Matrix Biology. 60-61, 176-189 (2017).
  11. Harris, G. M., Piroli, M. E., Jabbarzadeh, E. Deconstructing the Effects of Matrix Elasticity and Geometry in Mesenchymal Stem Cell Lineage Commitment. Advanced Function Mater. 24 (16), 2396-2403 (2014).
  12. Pryzhkova, M. V., Harris, G. M., Ma, S., Jabbarzadeh, E. Patterning pluripotent stem cells at a single cell level. Journal of Biomaterials and Tissue Engineering. 3 (4), 461-471 (2013).
  13. Engler, A. J., Sweeney, H. L., Discher, D. E., Schwarzbauer, J. E. Extracellular matrix elasticity directs stem cell differentiation. Journal of Musculoskeleton and Neuronal Interaction. 7 (4), 335 (2007).
  14. Chen, C. S., Mrksich, M., Huang, S., Whitesides, G. M., Ingber, D. E. Geometric control of cell life and death. Science. 276 (5317), 1425-1428 (1997).
  15. Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., Discher, D. E. Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification. Cell. 126, 677-689 (2006).
  16. Pickup, M. W., Mouw, J. K., Weaver, V. M. The extracellular matrix modulates the hallmarks of cancer. EMBO Reports. 15, 1243-1253 (2014).
  17. Chernousov, M. A., Carey, D. J. Schwann cell extracellular matrix molecules and their receptors. Histology and Histopathology. 15, 593-601 (2000).
  18. Shibata, S., et al. Selective Laminin-Directed Differentiation of Human Induced Pluripotent Stem Cells into Distinct Ocular Lineages. Cell Reports. 25 (6), 1668-1679 (2018).
  19. Mcbeath, R., Pirone, D. M., Nelson, C. M., Bhadriraju, K., Chen, C. S. Cell Shape, Cytoskeletal tenstion and RhoA regulate stem cell lineage committment. Developmental Cell. 6, 483-495 (2004).
  20. Halder, G., Dupont, S., Piccolo, S. Transduction of mechanical and cytoskeletal cues by YAP and TAZ. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 13, 591-600 (2012).
  21. Jessen, K. R., Mirsky, R. The repair Schwann cell and its function in regenerating nerves. Journal of Physiology. 594 (13), 3521-3531 (2016).
  22. Lopez-Fagundo, C., Bar-Kochba, E., Livi, L. L., Hoffman-Kim, D., Franck, C. Three-dimensional traction forces of Schwann cells on compliant substrates. Journal of The Royal Society Interface. 11, 20140247 (2014).
  23. Gu, Y., et al. The influence of substrate stiffness on the behavior and functions of Schwann cells in culture. Biomaterials. 33, 6672-6681 (2012).
  24. Xu, Z. Y., Orkwis, J. A., DeVine, B. M., Harris, G. M. Extracellular matrix cues modulate Schwann cell morphology, proliferation, and protein expression. Journal of Tissue Engineering and Regenerative. , (2019).
  25. Urbanski, M. M., et al. Myelinating glia differentiation is regulated by extracellular matrix elasticity. Scientific Reports. 6, 1-12 (2016).
  26. Sun, Y., et al. Tunable stiffness of graphene oxide/polyacrylamide composite scaffolds regulates cytoskeleton assembly. Chemical Sciences. 9 (31), 6516-6522 (2018).
  27. Hwang, J. H., et al. Extracellular matrix stiffness regulates osteogenic differentiation through MAPK activation. PLoS One. 10, 1-16 (2015).
  28. Ryan, A. J., et al. A Physicochemically Optimized and Neuroconductive Biphasic Nerve Guidance Conduit for Peripheral Nerve Repair. Advanced Healthcare Materials. 6, 1-13 (2017).
  29. Du, J., et al. Prompt peripheral nerve regeneration induced by a hierarchically aligned fibrin nanofiber hydrogel. Acta Biomaterialia. 55, 296-309 (2017).
  30. Huang, L., et al. A compound scaffold with uniform longitudinally oriented guidance cues and a porous sheath promotes peripheral nerve regeneration in vivo. Acta Biomaterialia. 68, 223-236 (2018).
  31. Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. Jouranl of Visualized Experiments. (119), e55276 (2017).
  32. Gupta, R., et al. Shear stress alters the expression of myelin-associated glycoprotein (MAG) and myelin basic protein (MBP) in Schwann cells. Journal of Orthopaedic Research : Official Publication of the Orthopaedic Research Society. 23, 1232-1239 (2005).
  33. Harris, G. M., Shazly, T., Jabbarzadeh, E. Deciphering the combinatorial roles of geometric, mechanical, and adhesion cues in regulation of cell spreading. PLoS One. 8 (11), (2013).
  34. Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., Discher, D. E. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell. 126 (4), 677-689 (2006).
  35. Schreck, I., et al. C-Jun localizes to the nucleus independent of its phosphorylation by and interaction with JNK and vice versa promotes nuclear accumulation of JNK. Biochemical and Biophysical Research Communications. 407, 735-740 (2011).
  36. Shen, K., Qi, J., Kam, L. C. Microcontact printing of proteins for cell biology. Journal Visualized Experiments. (22), e1065 (2008).
  37. Treter, J., et al. Washing-resistant surfactant coated surface is able to inhibit pathogenic bacteria adhesion. Applied Surface Science. 303, 147-154 (2014).
  38. Lutz, J. F. Polymerization of oligo(ethylene glycol) (meth)acrylates: Toward new generations of smart biocompatible materials. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 46 (11), 3459-3470 (2008).
  39. Marcus, M., et al. Interactions of Neurons with Physical Environments. Advanced Healthcare Materials. 6, (2017).
  40. Pu, J. Golgi polarization in a strong electric field. Journal of Cell Science. 118, 1117-1128 (2005).
  41. Blaker, J. J., et al. Bioactive Silk-Based Nerve Guidance Conduits for Augmenting Peripheral Nerve Repair. Advanced Healthcare Materials. 7, 1800308 (2018).
  42. Daly, W., Yao, L., Zeugolis, D., Windebank, A., Pandit, A. A biomaterials approach to peripheral nerve regeneration : bridging the peripheral nerve gap and enhancing functional recovery. Journal of the Royal Society of Interface. 9 (67), 202-221 (2012).
  43. Xia, H., et al. Directed neurite growth of rat dorsal root ganglion neurons and increased colocalization with Schwann cells on aligned poly(methyl methacrylate) electrospun nanofibers. Brain Research. 1565, 18-27 (2014).
  44. Wang, H. B., Mullins, M. E., Cregg, J. M., McCarthy, C. W., Gilbert, R. J. Varying the diameter of aligned electrospun fibers alters neurite outgrowth and Schwann cell migration. Acta Biomaterialia. 6, 2970-2978 (2010).
  45. Carvalho, C. R., Oliveira, J. M., Reis, R. L. Modern Trends for Peripheral Nerve Repair and Regeneration: Beyond the Hollow Nerve Guidance Conduit. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 337 (2019).
  46. Yang, Y., Wang, K., Gu, X., Leong, K. W. Biophysical Regulation of Cell Behavior – Cross Talk between Substrate Stiffness and Nanotopography. Ingénierie. 3, 36-54 (2017).
  47. Tan, J. L., Liu, W., Nelson, C. M., Raghavan, S., Chen, C. S. Simple Approach to Micropattern Cells on Common Culture Substrates by Tuning Substrate Wettability. Tissue Engineering. 10, 865-872 (2004).
  48. Grove, M., et al. YAP/TAZ initiate and maintain schwann cell myelination. Elife. 6, 1-27 (2017).
  49. Poitelon, Y., et al. YAP and TAZ control peripheral myelination and the expression of laminin receptors in Schwann cells. Nature Neuroscience. 19, 879-887 (2016).
check_url/fr/61496?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Xu, Z., Orkwis, J. A., Harris, G. M. Preparation of Tunable Extracellular Matrix Microenvironments to Evaluate Schwann Cell Phenotype Specification. J. Vis. Exp. (160), e61496, doi:10.3791/61496 (2020).

View Video