Hücre sferoidlerinin seri üretimi için üç boyutlu akustik montaj cihazı
Summary
Hücre sferoidleri, biyolojik uygulamalar alanında potansiyel bir model olarak kabul edilmiştir. Bu makale, tek tip hücre sferoidlerinin sağlam ve hızlı üretimi için etkili bir yöntem sağlayan bir 3D akustik montaj cihazı kullanarak hücre sferoidlerini ölçeklendirilebilir şekilde üretmeye yönelik protokolleri açıklamaktadır.
Abstract
Hücre küreleri, birçok biyolojik alanda geniş uygulama alanları kazanmış umut verici üç boyutlu (3D) modellerdir. Bu protokol, manevra kabiliyetine sahip prosedürler aracılığıyla bir 3D akustik montaj cihazı kullanarak yüksek kaliteli ve yüksek verimli hücre sferoidleri üretmek için bir yöntem sunar. Akustik montaj cihazı, her biri bir kare polimetil metakrilat (PMMA) odasının X/Y/Z düzleminde düzenlenmiş üç kurşun zirkonat titanat (PZT) dönüştürücüsünden oluşur. Bu yapılandırma, üç sinyal uygulandığında havaya kaldırılmış akustik düğümlerin (LAN’lar) 3B nokta dizisi modelinin oluşturulmasını sağlar. Sonuç olarak, jelatin metakriloyl (GelMA) çözeltisindeki hücreler, üç boyutta tek tip hücre agregaları oluşturarak LAN’lara sürülebilir. GelMA çözeltisi daha sonra UV ışınla kürlenir ve hücre agregalarının büyümesini destekleyen bir iskele görevi görmek üzere çapraz bağlanır. Son olarak, olgunlaşmış sferoid kütleleri elde edilir ve daha sonra GelMA iskelelerinin hafif koşullar altında çözülmesiyle elde edilir. Önerilen yeni 3D akustik hücre montaj cihazı, biyolojik alanda büyük potansiyel teknoloji sunan hücre sferoidlerinin ve hatta organoidlerin ölçeklendirilmesini sağlayacaktır.
Introduction
Konvansiyonel 2D kültür modellerine kıyasla daha fazla in vivo benzeri yapısal ve morfolojik özellikler sağlayan 3D in vitro kültür modelleri, doku mühendisliği, hastalık modellemesi ve ilaç taraması gibi çeşitli biyomedikal uygulamalarda umut verici sistemler olarak kabul edilmiştir 1,2,3. Bir tür 3D kültür modeli olarak, hücre sferoidleri tipik olarak hücre agregasyonuna atıfta bulunur ve gelişmiş hücre-hücre ve hücre-matris etkileşimleri ile karakterize edilen 3D küresel yapılar oluşturur 4,5,6. Bu nedenle, hücre sferoidlerinin üretilmesi, çeşitli biyolojik çalışmalara olanak sağlamak için güçlü bir araç haline gelmiştir.
Sferoidleri elde etmek için asılı damla7, yapışkan olmayan plakalar8 veya mikrokuyu cihazları9 dahil olmak üzere çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Prensip olarak, bu yöntemler genellikle hücreler ve substrat arasındaki etkileşimleri en aza indirirken yerçekimi kuvveti gibi fiziksel kuvvetleri kullanarak hücre montajını kolaylaştırır. Bununla birlikte, genellikle emek yoğun süreçleri içerirler, düşük üretkenliğe sahiptirler veküresel boyut 10,11’i kontrol etmek için zorluklar oluştururlar. Daha da önemlisi, istenen büyüklükte ve homojenlikte yeterli miktarda sferoidlerin üretimi, spesifik biyolojik uygulamaları karşılamak için son derece önemlidir. Yukarıda belirtilen yöntemlerin aksine, akustik dalgalar, bir tür dış kuvvetle çalışan teknikolarak 12,13,14, dış kuvvetler yoluyla hücre agregasyonunu artırma ilkesine dayalı olarak, hücre sferoidlerinin yüksek kalite ve verimle seri üretimi için potansiyel göstermiştir 15,16,17,18. Elektromanyetik veya manyetik kuvvetlerin aksine, akustik tabanlı hücre manipülasyon teknikleri non-invaziv ve etiketsizdir, mükemmel biyouyumluluk ile sferoid oluşumunu sağlar19,20.
Yaygın olarak, duran yüzey akustik dalgaları (SAW’lar) ve toplu akustik dalgalar (BAW’lar) tabanlı cihazlar, karşılık gelen duran akustik alanlar 21,22,23 tarafından üretilen akustik düğümleri (AN’ler) kullanarak sferoidler oluşturmak için geliştirilmiştir. Özellikle, uygun üretim, kolay kullanım ve mükemmel ölçeklenebilirlik özelliklerine sahip BAW’lara dayalı akustik montaj cihazları, hücre sferoidlerininimalatında dikkat çekmiştir 24,25. Kısa bir süre önce, yüksek verim26 ile sferoidler üretme yeteneğine sahip, BAWS tabanlı basit bir akustik montaj cihazı geliştirdik. Önerilen cihaz, sırasıyla X/Y/Z düzleminde düzenlenmiş üç kurşun zirkonat titanat (PZT) dönüştürücüye sahip bir kare polimetil metakrilat (PMMA) odasından oluşur. Bu düzenleme, hücre montajını yürütmek için havaya kaldırılmış akustik düğümlerden (LAN’lar) oluşan bir 3B nokta dizisi modelinin oluşturulmasını sağlar. Yalnızca 1D veya 2D ANs 27,28,29 dizisi oluşturabilen daha önce bildirilen BAW’lar veya SAW’lar tabanlı cihazlarla karşılaştırıldığında, mevcut cihaz, jelatin metakriloyl (GelMA) çözeltisi içinde hızlı hücre agregası oluşumu için bir 3D nokta LAN dizisi sağlar. Daha sonra, hücre agregaları, üç günlük ekimden sonra fotokürlenmiş GelMA iskeleleri içinde yüksek canlılığa sahip sferoidlere olgunlaştı. Son olarak, aşağı akış uygulamaları için GelMA iskelelerinden tek tip boyuta sahip çok sayıda sferoid kolayca elde edildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D akustik montaj cihazı gibi teknolojiler kullanılarak yüksek verime sahip hücre sferoidlerinin verimli ve istikrarlı üretimi, biyomedikal mühendisliğini ve ilaç taramasınıilerletmek için büyük umut vaat ediyor 1,2,3. Bu yaklaşım, basit prosedürlerle hücre sferoidlerinin seri üretimini basitleştirir.
Ancak, bu akustik cihazı kullanırken göz önünde bulundurulması gereken krit…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı (2022YFA1104600) ve Çin Zhejiang Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı (LQ23H160011) tarafından desteklenmiştir.
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).
