התקן הרכבה אקוסטית תלת מימדי לייצור המוני של ספרואידים סלולריים
Summary
ספרואידים של תאים נחשבו למודל פוטנציאלי אחד בתחום היישומים הביולוגיים. מאמר זה מתאר פרוטוקולים לייצור מדרגי של ספרואידים של תאים באמצעות התקן הרכבה אקוסטית תלת-ממדית, המספק שיטה יעילה לייצור חזק ומהיר של ספרואידים אחידים של תאים.
Abstract
ספרואידים של תאים הם מודלים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) מבטיחים שזכו ליישומים נרחבים בתחומים ביולוגיים רבים. פרוטוקול זה מציג שיטה לייצור ספרואידים תאים באיכות גבוהה ובתפוקה גבוהה באמצעות התקן הרכבה אקוסטית תלת מימדית באמצעות הליכים הניתנים לתמרון. התקן ההרכבה האקוסטית מורכב משלושה מתמרי טיטנאט זירקונט עופרת (PZT), שכל אחד מהם מסודר במישור X/Y/Z של תא פולימתיל מתקרילט מרובע (PMMA). תצורה זו מאפשרת יצירת תבנית תלת-ממדית של מערך נקודות של צמתים אקוסטיים מרחפים (LAN) בעת החלת שלושה אותות. כתוצאה מכך, תאים בתמיסת ג’לטין מתקרילויל (GelMA) יכולים להיות מונעים ל- LANs, ויוצרים צברי תאים אחידים בשלושה ממדים. לאחר מכן, תמיסת GelMA עוברת פוטוקורפינג UV ומקושרת כדי לשמש כפיגום התומך בצמיחה של אגרגטים של תאים. לבסוף, המוני ספרואידים בשלים מתקבלים ונשלפים על ידי המסה לאחר מכן של פיגומי GelMA בתנאים קלים. המכשיר החדש המוצע להרכבת תאים אקוסטיים בתלת ממד יאפשר ייצור בקנה מידה גדול של ספרואידים תאיים, ואפילו אורגנואידים, ויציע טכנולוגיה פוטנציאלית גדולה בתחום הביולוגי.
Introduction
מודלים תלת-ממדיים של תרביות חוץ גופיות, המספקים יותר מאפיינים מבניים ומורפולוגיים דמויי vivo בהשוואה למודלים קונבנציונליים של תרביות דו-ממדיות, הוכרו כמערכות מבטיחות ביישומים ביו-רפואיים שונים כגון הנדסת רקמות, מידול מחלות וסינון תרופות 1,2,3. כסוג אחד של מודל תרבית תלת-ממדי, ספרואידים של תאים מתייחסים בדרך כלל לצבירת תאים, ויוצרים מבנים ספרואידים תלת-ממדיים המאופיינים באינטראקציות משופרות בין תא לתא ולמטריצה התאית 4,5,6. לכן, ייצור ספרואידים של תאים הפך לכלי רב עוצמה המאפשר מחקרים ביולוגיים מגוונים.
טכניקות שונות, כולל טיפה תלויה7, לוחות לא דביקים8, או מכשירי מיקרווול9, פותחו כדי להשיג ספרואידים. באופן עקרוני, שיטות אלה בדרך כלל מקלות על הרכבת תאים על ידי ניצול כוחות פיזיקליים כגון כוח כבידה תוך מזעור אינטראקציות בין התאים למצע. עם זאת, לעתים קרובות הם כרוכים בתהליכים עתירי עבודה, בעלי פרודוקטיביות נמוכה, ומציבים אתגרים לשליטה בגודלהספרואיד 10,11. חשוב לציין, ייצור ספרואידים בגודל ובאחידות הרצויים בכמות מספקת הוא בעל חשיבות עליונה כדי לספק יישומים ביולוגיים ספציפיים. בניגוד לשיטות שהוזכרו לעיל, גלים אקוסטיים, כסוג אחד של טכניקה מונעת כוח חיצוני 12,13,14, הראו פוטנציאל לייצור המוני של ספרואידים תאים באיכות ובתפוקה גבוהות, בהתבסס על העיקרון של שיפור צבירת תאים באמצעות כוחות חיצוניים 15,16,17,18. שלא כמו כוחות אלקטרומגנטיים או מגנטיים, טכניקות מניפולציה של תאים מבוססות אקוסטיקה אינן פולשניות ונטולות תוויות, ומאפשרות היווצרות ספרואידים עם תאימות ביולוגית מצוינת19,20.
בדרך כלל, התקנים מבוססי גלים אקוסטיים של משטח עומד (SAWs) וגלים אקוסטיים בתפזורת (BAWs) פותחו כדי ליצור ספרואידים, תוך ניצול הצמתים האקוסטיים (ANs) המיוצרים על ידי שדות אקוסטיים עומדים תואמים 21,22,23. במיוחד, התקני הרכבה אקוסטית המבוססים על BAWs, עם היתרונות של ייצור נוח, הפעלה קלה ומדרגיות מעולה, זכו לתשומת לב לייצור ספרואידים תא24,25. לאחרונה פיתחנו מכשיר הרכבה אקוסטית מבוסס BAWs עם היכולת לייצר ספרואידים עם תפוקה גבוהה26. המכשיר המוצע מורכב מתא פולימתיל מתקרילט ריבועי (PMMA) עם שלושה מתמרי טיטנאט זירקונט עופרת (PZT) המסודרים בהתאמה במישור X/Y/Z. סידור זה מאפשר יצירת תבנית תלת-ממדית של מערך נקודות של צמתים אקוסטיים מורחפים (LANs) להנעת הרכבת תאים. בהשוואה להתקנים מבוססי BAW או SAWs שדווחו בעבר, אשר יכולים ליצור רק מערך 1D או 2D של ANs 27,28,29, המכשיר הנוכחי מאפשר מערך נקודות תלת-ממדי של רשתות LAN ליצירת צבירת תאים מהירה בתמיסת ג’לטין מתקרילויל (GelMA). לאחר מכן, צברי תאים הבשילו לספרואידים עם כדאיות גבוהה בתוך פיגומי GelMA פוטוריפו לאחר שלושה ימים של גידול. לבסוף, מספר רב של ספרואידים בגודל אחיד הושגו בקלות מפיגומים GelMA עבור יישומים במורד הזרם.
Protocol
Representative Results
Discussion
ייצור יעיל ויציב של ספרואידים של תאים עם תפוקה גבוהה באמצעות טכנולוגיות כמו התקן ההרכבה האקוסטית התלת-ממדית טומן בחובו הבטחה גדולה לקידום הנדסה ביו-רפואית וסינון תרופות 1,2,3. גישה זו מפשטת את הייצור ההמוני של ספרואידים תאים באמצעות הליכי?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודת TIS נתמכה על ידי תוכנית המחקר והפיתוח הלאומית של סין (2022YFA1104600), והקרן למדעי הטבע של מחוז ג’ג’יאנג של סין (LQ23H160011).
Materials
| 0.22-μm filter | Merck | SLGSM33SS | Used for GelMA solution sterilization |
| 35 mm-cell culture dish | Corning | 430165 | Used for culturing cells |
| Confocal microscope | Nikon | A1RHD25 | Fluorescent cell observation |
| DiO dye | Beyotime | C1038 | Dye used to stain cells |
| DMEM | Gibco | 12430054 | Cell culture media |
| FBS | Gibco | 10099141C | Cell culture media supplement |
| Function generator | Rigol | DG5352 | For RF signal generation |
| GelMA | Regenovo | none | Used to prepare bioink |
| GelMA lysis buffer | EFL | EFL-GM-LS-001 | Used to dissolve GelMA scaffolds |
| Inverted microscope | Nikon | Ti-U | Cell observation |
| LAP | Sigma-Aldrich | 900889 | Used as photoinitiator |
| Live-Dead kit | Beyotime | C2015M | Cell vability analysis |
| PBS | Gibco | 10010002 | Used as buffer |
| Penicillin-streptomycin | Gibco | 15070063 | Prevent cell culture contamination |
| Power amplifer | Minicircuit | LCY-22+ | Increase the voltage amplitude of the RF signal |
| PZT transducers | Yantai Xingzhiwen Trading Co.,Ltd. | PZT-41 | Functional units for acoustic assembly device |
| T25 cell culture flask | Corning | 430639 | Used for culturing cells |
| Trypan blue | Gibco | 15250061 | Cell counting |
| Trypsin-EDTA | Gibco | 25200056 | Cell dissociation enzyme |
References
- Eiraku, M., et al. Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture. Nature. 472 (7341), 51-56 (2011).
- Lancaster, M. A., Knoblich, J. A. Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. Science. 345 (6194), 1247125 (2014).
- Habanjar, O., Diab-Assaf, M., Caldefie-Chezet, F., Delort, L. 3D cell culture systems: tumor application, advantages, and disadvantages. International Journal of Molecular Sciences. 22 (22), 12200 (2021).
- Decarli, M. C., et al. Cell spheroids as a versatile research platform: formation mechanisms, high throughput production, characterization and applications. Biofabrication. 13 (3), 032002 (2021).
- Lee, Y. B., et al. Engineering spheroids potentiating cell-cell and cell-ECM interactions by self-assembly of stem cell microlayer. Biomaterials. 165, 105-120 (2018).
- Zhuang, P., Chiang, Y. H., Fernanda, M. S., He, M. Using spheroids as building blocks towards 3d bioprinting of tumor microenvironment. International Journal of Bioprinting. 7 (4), 444 (2021).
- Foty, R. A simple hanging drop cell culture protocol for generation of 3D spheroids. Journal of Visualized Experiments. 51, e2720 (2011).
- Laschke, M. W., Menger, M. D. Life is 3D: boosting spheroid function for tissue engineering. Trends in Biotechnology. 35 (2), 133-144 (2017).
- Fu, W., et al. Combinatorial drug screening based on massive 3d tumor cultures using micropatterned array chips. Analytical Chemistry. 95 (4), 2504-2512 (2023).
- Kang, S. M., Kim, D., Lee, J. H., Takayama, S., Park, J. Y. Engineered microsystems for spheroid and organoid studies. Advanced Healthcare Materials. 10 (2), 2001284 (2021).
- Kim, S. J., Kim, E. M., Yamamoto, M., Park, H., Shin, H. Engineering multi-cellular spheroids for tissue engineering and regenerative medicine. Advanced Healthcare Materials. 9 (23), 2000608 (2020).
- Yang, Y., et al. 3D acoustic manipulation of living cells and organisms based On 2D array. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 69 (7), 2342-2352 (2022).
- Armstrong, J. P. K., et al. Engineering anisotropic muscle tissue using acoustic cell patterning. Advanced Materials. 30 (43), 1802649 (2018).
- Drinkwater, B. W. A perspective on acoustical tweezers-devices, forces, and biomedical applications. Applied Physics Letters. 117 (18), 180501 (2020).
- Bouyer, C., et al. A Bio-Acoustic Levitational (BAL) assembly method for engineering of multilayered, 3d brain-like constructs, using human embryonic stem cell derived neuro-progenitors. Advanced Materials. 28 (1), 161-167 (2016).
- Chansoria, P., Narayanan, L. K., Schuchard, K., Shirwaiker, R. Ultrasound-assisted biofabrication and bioprinting of preferentially aligned three-dimensional cellular constructs. Biofabrication. 11 (3), 035015 (2019).
- Wu, Y., et al. Acoustic assembly of cell spheroids in disposable capillaries. Nanotechnology. 29 (50), 504006 (2018).
- Hu, X., et al. On-chip hydrogel arrays individually encapsulating acoustic formed multicellular aggregates for high throughput drug testing. Lab on a Chip. 20 (12), 2228-2236 (2020).
- Wu, Z., et al. The acoustofluidic focusing and separation of rare tumor cells using transparent lithium niobate transducers. Lab on a Chip. 19 (23), 3922-3930 (2019).
- Chen, B., et al. High-throughput acoustofluidic fabrication of tumor spheroids. Lab on a Chip. 19 (10), 1755-1763 (2019).
- Sriphutkiat, Y., Kasetsirikul, S., Zhou, Y. Formation of cell spheroids using Standing Surface Acoustic Wave (SSAW). International Journal of Bioprinting. 4 (1), 130 (2018).
- Guex, A. G., Di Marzio, N., Eglin, D., Alini, M., Serra, T. The waves that make the pattern: a review on acoustic manipulation in biomedical research. Materials Today Bio. 10, 100110 (2021).
- Harley, W. S., et al. Advances in biofabrication techniques towards functional bioprinted heterogeneous engineered tissues: A comprehensive review. Bioprinting. 23, 00147 (2021).
- Yang, Y., Dejous, C., Hallil, H. Trends and applications of surface and bulk acoustic wave devices: a review. Micromachines (Basel). 14 (1), 43 (2022).
- Ma, Z., et al. Acoustic holographic cell patterning in a biocompatible hydrogel). Advanced Materials. 32 (4), 1904181 (2020).
- Miao, T. K., et al. High-throughput fabrication of cell spheroids with 3D acoustic assembly devices. International Journal of Bioprinting. 9 (4), 733 (2023).
- Jeger-Madiot, N., et al. Self-organization and culture of Mesenchymal Stem Cell spheroids in acoustic levitation. Scientific Reports. 11 (1), 8355 (2021).
- Cai, H., et al. Acoustofluidic assembly of 3D neurospheroids to model Alzheimer’s disease. Analyst. 145 (19), 6243-6253 (2020).
- Mei, J., Zhang, N., Friend, J. Fabrication of surface acoustic wave devices on lithium niobate. Jove-Journal of Visualized Experiments. (160), e61013 (2020).
- Niculescu, A. G., Chircov, C., Bîrcă, A. C., Grumezescu, A. M. Fabrication and applications of microfluidic devices: a review. International Journal of Molecular Sciences. 22 (4), 2011 (2011).
