Микрофлюидное изготовление микрокапсул Core-Shell, несущих сфероиды плюрипотентных стволовых клеток человека
Summary
В этой статье описывается инкапсуляция плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSCs) с использованием коаксиального устройства фокусировки потока. Мы демонстрируем, что эта технология микрофлюидной инкапсуляции позволяет эффективно формировать сфероиды hPSC.
Abstract
Трехмерные (3D) или сфероидные культуры плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSCs) предлагают преимущества улучшения результатов дифференцировки и масштабируемости. В этой статье мы описываем стратегию надежного и воспроизводимого образования сфероидов hPSC, где коаксиальное устройство фокусировки потока используется для захвата hPSC внутри микрокапсул ядра-оболочки. Основной раствор содержал одноклеточную суспензию гПСК и становился вязким путем включения высокомолекулярного поли(этиленгликоля) (ПЭГ) и среды градиента плотности. Поток оболочки состоял из ПЭГ-4 арм-малеимида или ПЭГ-4-Мал и протекал вдоль основного потока к двум последовательным нефтяным соединениям. Образование капель происходило при первом масляном соединении с раствором оболочки, обернутым вокруг ядра. Химическое сшивание оболочки происходило на втором масляном переходе путем введения в эти капли ди-тиолового сшивки (1,4-дитиотрейтола или ДТТ). Сшиватель реагирует с функциональными группами малеймидов посредством щелковой химии, в результате чего вокруг микрокапсул образуется гидрогелевая оболочка. Наша технология инкапсуляции производила капсулы диаметром 400 мкм со скоростью 10 капсул в секунду. Полученные капсулы имели гидрогелевую оболочку и водное ядро, которое позволяло отдельным клеткам быстро собираться в агрегаты и образовывать сфероиды. Процесс инкапсуляции не оказывал негативного влияния на жизнеспособность гПСК, при этом >95% жизнеспособность наблюдалась через 3 дня после инкапсуляции. Для сравнения, hPSCs, инкапсулированные в твердые гелевые микрочастицы (без водного ядра), не образовывали сфероидов и имели <50% жизнеспособность через 3 дня после инкапсуляции. Сфероидное образование hPSCs внутри микрокапсул ядра-оболочки происходило в течение 48 ч после инкапсуляции, причем диаметр сфероида был функцией плотности прививки клеток. В целом, технология микрофлюидной инкапсуляции, описанная в этом протоколе, хорошо подходила для инкапсуляции hPSCs и формирования сфероидов.
Introduction
Существует значительный интерес к 3D-культурам человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSCs) из-за улучшенной плюрипотентности и дифференцировочного потенциала, обеспечиваемого этим форматом культуры 1,2,3. hPSCs обычно формируются в сфероиды или другие форматы 3D-культур с помощью биореакторов, микроэлементов, гидрогелей и полимерных каркасов 4,5,6. Инкапсуляция предлагает еще одно средство для организации отдельных HPSC в сфероиды. После инкапсулирования сфероиды hPSC могут быть легко обработаны и перенесены в микротитрные пластины для дифференцировки, моделирования заболеваний или экспериментов по тестированию лекарств. Пленение гПСК в гидрогелевом слое также защищает клетки от повреждения сдвигом и позволяет культивировать сфероиды в биореакторе при высоких скоростях перемешивания7.
Наша методология инкапсуляции стволовых клеток развивалась с течением времени. Во-первых, мы сосредоточились на твердых микрочастицах гидрогеля и продемонстрировали успешную инкапсуляцию и культивирование эмбриональных стволовых клеток мышей (mESCs)8. Однако было отмечено, что эмбриональные стволовые клетки человека (hESCs) имеют низкую жизнеспособность при инкапсуляции в таких микрочастицах гидрогеля, по-видимому, из-за большей необходимости для этих клеток восстанавливать контакты между клетками после инкапсуляции. Мы рассуждали, что гетерогенная микрокапсула, обладающая водным ядром, может лучше подходить для инкапсуляции клеток, которые полагаются на быстрое восстановление клеточных контактов. Концепция коаксиального потока, фокусирующего микрофлюидное устройство для получения микрокапсул водного ядра / гидрогелевой оболочки, была адаптирована из He et al.9, но вместо альгината, используемого в первоначальном подходе, в оболочку был включен гидрогель на основе ПЭГ. Впервые мы продемонстрировали успешную инкапсуляцию и сфероидное образование первичного гепатоцита в микрокапсулахядра-оболочки 10 и совсем недавно описали инкапсуляцию hES и iPS-клеток7. Как показано на фиг.1А, капсулы изготавливаются в устройстве фокусировки потока, где потоки потока оболочки и ядра переходят из стороны в сторону в коаксиальный поток перед выбросом в масляную фазу. Основной поток содержит клетки и добавки, которые увеличивают вязкость раствора (нереакционноспособный ПЭГ MW 35кД и йодиксанол – коммерческое название OptiPrep), в то время как оболочка потока содержит реакционноспособные молекулы (ПЭГ-4-Мал). Непрерывный поток коаксиального потока дискретизируется на капли, которые сохраняют архитектуру ядра-оболочки. Структура ядра-оболочки становится постоянной путем воздействия ди-тиолового сшивателя (DTT), который реагирует с PEG-4-Mal через химию щелчка и приводит к образованию тонкой (~ 10 мкм) гидрогелевой кожи или оболочки. После того, как эмульсия нарушается и капсулы переводятся в водную фазу, молекулы ПЭГ диффундируют из ядра и заменяются молекулами воды. Это приводит к образованию микрокапсул водного ядра и гидрогелевой оболочки.
Ниже приведены пошаговые инструкции о том, как создавать микрофлюидные устройства, как подготовить клетки и как проводить инкапсуляцию гПСК.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанный здесь процесс инкапсуляции приводит к воспроизводимому образованию сфероидов hPSC. Формат микрокапсул позволяет легко дозировать сфероиды в колодцы микротитровой пластины для экспериментов, направленных на улучшение/оптимизацию протоколов дифференциации или тестирование …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было частично поддержано грантами Центра регенеративной медицины клиники Майо, Фонда J. W. Kieckhefer, Фонда Аль Нахайяна, Регенеративной медицины Миннесоты (RMM 101617 TR 004) и NIH (DK107255).
Materials
| 0.22 µm Syringe Filters | Genesee Scientific | 25-244 | |
| 1 ml syringe luer-lock tip | BD | 309628 | |
| 1x DPBS | Corning | 23220003 | |
| 4-arm PEG maleimide, 10kDa | Laysan Inc. | 164-68 | |
| 5 ml syringe luer-lock tip | BD | 309646 | |
| 6-WELL NON-TREATED PLATE | USA Scientific | CC7672-7506 | |
| Aquapel Applicator Pack | Aquapel Glass Treatment | 47100 | |
| CAD software | Autodesk | AutoCAD v2020 | |
| CELL STRAINER 100 µm pore size | cardinal | 335583 | |
| Chlorotrimethylsilane | Aldrich | 386529-100mL | |
| Countess II FL Automated Cell Counter | Life technology | A27974 | |
| Digital hot plate | Dataplate | ||
| Digital vortex mixer | Fisher Scientific | 215370 | |
| Distilled water | Gibco | 15230-162 | |
| Dithiotheritol (DTT) | Sigma | D0632-10G | |
| DMEM/F12 media | gibco | 11320-033 | |
| Falcon 15 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher scientific | 14-959-53A | |
| Fisherbrand accuSpin Micro 17 Microcentrifuge | live | 13-100-675 | |
| HERACELL VIOS 160i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 50144906 | |
| Inverted Fluorescence Motorized Microscope | Olympus | Olympus IX83 | |
| Laurell Spin Coaters | Laurell Technologies | WS-650MZ-23NPPB | |
| Live/Dead mammalian staining kit | Fisher | L3224 | |
| Magic tape | Staples | 483535 | |
| Micro Medical Tubing (0.015" I.D. x 0.043" O.D.) | Scientific Commodities, Inc | BB31695-PE/2 | |
| Micro stir bar | Daigger Scientific | EF3288E | |
| MilliporeSigma Filter Forceps | Fisher scientific | XX6200006P | |
| Mineral oil | Sigma | M8410-1L | |
| mTeSR 1 Basal Medium | STEMCELL TECHNOLOGY | 85850 | |
| Needles-Stainless Steel 14 Gauge | CML supply | 901-14-025 | |
| Needles-Stainless Steel 15 Gauge | CML supply | 901-15-050 | |
| OptiPrep | STEMCELL TECHNOLOGY | 7820 | |
| Oven | Thermo Scientific | HERA THERM Oven | |
| Penicillin:Streptomycin (10,000 U/mL Penicillin G, 10mg/mL Streptomycin) | Gemini | 400-109 | |
| Petri Dish 150X20 Sterile Vent | Sarstedt, Inc. | 82.1184.500 | |
| Plasma Cleaning System | Yield Engineering System, Inc. | YES-G500 | |
| Pluronic F-127 | Sigma | P2443-250G | |
| Poly(ethylene glycol) 35kDa | Sigma | 94646-250G-F | |
| PrecisionGlide Needle 27G | BD | 305109 | |
| Rock inhibitor Y-27632 dihydrocloride | SELLECK CHEM | S1049-10mg | |
| Silicon wafer 100mm | University Wafer | 452 | |
| Slide glass (75mm ´ 25mm) | CardinalHealth | M6146 | |
| Span 80 | Sigma | S6760-250ML | |
| SpeedMixer | Thinky | ARE-310 | |
| Spin-X Centrifuge Tube Filter (0.22 µm) | Costar | 8160 | |
| SU-8 2025 | Kayaku Advanced Materials | Y111069 0500L1GL | |
| SU-8 developer | Kayaku Advanced Materials | Y020100 4000L1PE | |
| Surgical Design Royaltek Stainless Steel Surgical Scalpel Blades | fisher scientific | 22-079-684 | |
| SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) | Dow Corning | 2065622 | |
| Syringe pump | New Era Pump System, Inc | NE-4000 | |
| Triethanolamine | Sigma-aldrich | T58300-25G | |
| TrypLE Express | Gibco | 12604-013 | |
| Tygon Tubing (0.02" I.D. x 0.06" O.D.) | Cole-Parmer | 06419-01 | |
| Tygon Tubing (0.04" I.D. x 0.07" O.D.) | Cole-Parmer | 06419-04 | |
| Ultrasonic cleaner FS20D | Fisher Scientific | CPN-962-152R | |
| Vacuum desiccator | Bel-Art | F42025-0000 | |
| Zeiss Stemi DV4 Stereo Microscope 8x-32x | ZEISS | 435421-0000-000 | |
| μPG 101 laser writer | Heidelberg Instruments | HI 1128 |
References
- Zhu, Z., Huangfu, D. Human pluripotent stem cells: an emerging model in developmental biology. Development. 140 (4), 705-717 (2013).
- Liu, G., David, B. T., Trawczynski, M., Fessler, R. G. Advances in pluripotent stem cells: history, mechanisms, technologies, and applications. Stem Cell Reviews and Reports. 16 (1), 3-32 (2020).
- Chan, S. W., Rizwan, M., Yim, E. K. Emerging methods for enhancing pluripotent stem cell expansion. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 70 (2020).
- Lei, Y., Schaffer, D. V. A fully defined and scalable 3D culture system for human pluripotent stem cell expansion and differentiation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (52), 5039-5048 (2013).
- Olmer, R., et al. Suspension culture of human pluripotent stem cells in controlled, stirred bioreactors. Tissue Engineering Part C: Methods. 18 (10), 772-784 (2012).
- Kraehenbuehl, T. P., Langer, R., Ferreira, L. S. Three-dimensional biomaterials for the study of human pluripotent stem cells. Nature Methods. 8 (9), 731-736 (2011).
- Fattahi, P., et al. Core-shell hydrogel microcapsules enable formation of human pluripotent stem cell spheroids and their cultivation in a stirred bioreactor. Scientific Reports. 11 (1), 1-13 (2021).
- Siltanen, C., et al. Microfluidic fabrication of bioactive microgels for rapid formation and enhanced differentiation of stem cell spheroids. Acta Biomaterialia. 34, 125-132 (2016).
- Agarwal, P., et al. One-step microfluidic generation of pre-hatching embryo-like core-shell microcapsules for miniaturized 3D culture of pluripotent stem cells. Lab on a Chip. 13 (23), 4525-4533 (2013).
- Siltanen, C., et al. One step fabrication of hydrogel microcapsules with hollow core for assembly and cultivation of hepatocyte spheroids. Acta Biomaterialia. 50, 428-436 (2017).
- Rahimian, A., Siltanen, C., Feyzizarnagh, H., Escalante, P., Revzin, A. Microencapsulated immunoassays for detection of cytokines in human blood. ACS Sensors. 4 (3), 578-585 (2019).
- Kim, M., Lee, J., Jones, C. N., Revzin, A., Tae, G. Heparin-based hydrogel as a matrix for encapsulation and cultivation of primary hepatocytes. Biomaterials. 31, 3596-3603 (2010).
- Shin, D. S., et al. Photodegradable hydrogels for capture, detection, and release of live cells. Angewandte Chemie International Edition. , (2014).
- You, J., et al. Bioactive photodegradable hydrogel for cultivation and retrieval of embryonic stem cells. Advanced Functional Materials. , (2015).
