Trasformazione di modelli di tessuto barriera statico in sistemi microfisiologici dinamici
Summary
Questo protocollo descrive una piattaforma di coltura cellulare riconfigurabile basata su membrana che integra il formato a pozzetto aperto con capacità di flusso del fluido. Questa piattaforma è compatibile con i protocolli standard e consente transizioni reversibili tra le modalità di coltura a pozzetto aperto e microfluidica, soddisfacendo le esigenze dei laboratori di ingegneria e bioscienze.
Abstract
I sistemi microfisiologici sono piattaforme di coltura cellulare miniaturizzate utilizzate per imitare la struttura e la funzione dei tessuti umani in un ambiente di laboratorio. Tuttavia, queste piattaforme non hanno ottenuto un’adozione diffusa nei laboratori di bioscienze, dove gli approcci basati su membrana a pozzetto aperto fungono da gold standard per imitare le barriere tissutali, nonostante la mancanza di capacità di flusso dei fluidi. Questo problema può essere attribuito principalmente all’incompatibilità dei sistemi microfisiologici esistenti con i protocolli standard e gli strumenti sviluppati per i sistemi a pozzo aperto.
Qui, presentiamo un protocollo per la creazione di una piattaforma riconfigurabile basata su membrana con una struttura a pozzetto aperto, capacità di miglioramento del flusso e compatibilità con i protocolli convenzionali. Questo sistema utilizza un approccio di assemblaggio magnetico che consente la commutazione reversibile tra le modalità a pozzetto aperto e microfluidica. Con questo approccio, gli utenti hanno la flessibilità di iniziare un esperimento nel formato a pozzetto aperto utilizzando protocolli standard e di aggiungere o rimuovere funzionalità di flusso in base alle esigenze. Per dimostrare l’uso pratico di questo sistema e la sua compatibilità con le tecniche standard, è stato creato un monostrato di cellule endoteliali in un formato a pozzetto aperto. Il sistema è stato riconfigurato per introdurre il flusso di fluido e quindi è passato al formato a pozzetto aperto per condurre l’immunocolorazione e l’estrazione dell’RNA. Grazie alla sua compatibilità con i protocolli convenzionali a pozzo aperto e alla capacità di miglioramento del flusso, si prevede che questo design riconfigurabile sarà adottato sia dai laboratori di ingegneria che da quelli di bioscienze.
Introduction
Le barriere vascolari fungono da interfaccia critica che separa il compartimento sanguigno dal tessuto circostante. Svolgono un ruolo fondamentale nel preservare l’omeostasi attirando le cellule immunitarie, controllando la permeabilità molecolare e proteggendo dall’intrusione di agenti patogeni nel tessuto 1,2. Sono stati sviluppati modelli di coltura in vitro per imitare il microambiente in vivo, consentendo indagini sistematiche sui fattori e sulle condizioni che influenzano le proprietà di barriera sia in stato sano che malato 3,4.
L’approccio più utilizzato per tali modelli di coltura è la configurazione “a pozzetto aperto”simile a Transwell 5, in cui una membrana di coltura porosa e incisa separa i compartimenti pieni di terreno (Figura 1A). In questo formato, le cellule possono essere seminate su entrambi i lati della membrana ed è stata sviluppata un’ampia gamma di protocolli sperimentali. Tuttavia, questi sistemi sono limitati nella loro capacità di fornire i flussi di fluidi essenziali per supportare la maturazione della barriera e imitare la circolazione delle cellule immunitarie osservate in vivo 5,6. Di conseguenza, non possono essere utilizzati per studi che richiedono flussi dinamici che introducono dosi di farmaco, stimolazione meccanica o sollecitazioni di taglio indotte da fluidi 6,7,8.
Per superare i limiti dei sistemi a pozzetto aperto, sono state sviluppate piattaforme microfluidiche che combinano membrane di coltura porose con canali fluidici indirizzabili individualmente9. Queste piattaforme offrono un controllo preciso sull’instradamento dei fluidi, la perfusione e l’introduzione di composti chimici, la stimolazione a taglio controllata e le capacità di aggiunta dinamica delle cellule 7,10,11,12,13. Nonostante le capacità avanzate fornite dalle piattaforme microfluidiche, non hanno visto un’adozione diffusa nei laboratori di bioscienze a causa dei complessi protocolli microfluidici e della loro incompatibilità con i flussi di lavoro sperimentali stabiliti 4,10,14.
Per colmare il divario tra queste tecnologie, presentiamo un protocollo che impiega un sistema basato su moduli riconfigurabile magneticamente. Questo sistema può essere facilmente commutato tra la modalità a pozzetto aperto e la modalità microfluidica in base alle esigenze specifiche dell’esperimento. La piattaforma è dotata di un dispositivo a pozzetto aperto, noto come m-μSiM (sistema microfisiologico modulare abilitato da una membrana di silicio), con una membrana di coltura (nanomembrana) spessa 100 nm. Questa nanomembrana possiede un’elevata porosità (15%) e una trasparenza simile al vetro, come illustrato nella Figura 1B. Separa fisicamente il compartimento superiore da un canale inferiore, consentendo il trasporto molecolare attraverso scale di lunghezza fisiologiche15. A differenza delle membrane convenzionali incise su traccia, che presentano sfide note nell’imaging di cellule vive con imaging in campo chiaro, le proprietà ottiche e fisiche favorevoli della nanomembrana consentono una chiara visualizzazione delle cellule su entrambi i lati della superficie della membrana 15,16,17.
Il presente protocollo delinea la fabbricazione di moduli specializzati per la semina e il flusso e spiega la riconfigurazione magnetica della piattaforma. Dimostra come la piattaforma possa essere impiegata per stabilire barriere endoteliali sia in condizioni statiche che dinamiche. Questa dimostrazione rivela che le cellule endoteliali si allineano lungo la direzione del flusso, con una sovraregolazione dei bersagli genici sensibili al taglio sotto stimolazione al taglio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo scopo di questo protocollo è quello di sviluppare un metodo pratico per incorporare le capacità di flusso in una piattaforma a pozzetto aperto con una nanomembrana ultrasottile. In questo progetto, viene utilizzato un approccio di aggancio magnetico, che consente di passare dalla modalità a pozzetto aperto a quella fluidica durante gli esperimenti e combinando i vantaggi di entrambi gli approcci. A differenza delle piattaforme convenzionali incollate in modo permanente, la chiusura magnetica consente di smontare la…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata in parte dal National Institute of Health con i numeri di premio R43GM137651, R61HL154249, R16GM146687 e la sovvenzione NSF CBET 2150798. Gli autori ringraziano la RIT Machine Shop per la fabbricazione di stampi in alluminio. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente il punto di vista ufficiale del National Institutes of Health.
Materials
| 0.5 x 0.86 Micro Flow tubes | Langer Instruments | WX10-14 & DG Series | |
| 1 mm Disposable Biopsy Punches, Integra Miltex | VWR | 95039-090 | |
| 1x PBS 7.4 pH | ThermoFisher Scientific | 10010023 | |
| 20 GAUGE IT SERIES DISPENSING TIP | Jensen Global | JG20-1.5X | |
| 21 GAUGE NT PREMIUM SERIES ANGLED DISPENSING TIP | Jensen Global | JG21-1.0HPX-90 | |
| 3M 467 MP Pressure senstitive adhesive (PSA) | DigiKey | 3M9726-ND | |
| 3M 468 MP Pressure senstitive adhesive (PSA) | DigiKey | 3M9720-ND | |
| AlexaFluor 488 conjugated phalloidin | ThermoFisher Scientific | A12379 | |
| Applied Biosystems TaqMan Fast Advanced Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4444556 | |
| Bovine Serum Albumin (BSA), Fraction V, 98%, Reagent grade, Alfa Aesar, Size = 10 g | VWR | AAJ64100-09 | |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet | McMaster-Carr | 8560K171 | 12" x 12" x 1/16" |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet | McMaster-Carr | 8589K31 | 12" x 12" x 3/32" |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet | McMaster-Carr | 8560K191 | 12" x 12" x 7.64" |
| Corning Fibronectin, Human, 1 mg | Corning | 47743-728 | |
| Cover Glasses, Globe Scientific, L x W = 24 x 60 mm | VWR | 10118-677 | |
| DOW SYLGARD 184 SILICONE ENCAPSULANT CLEAR 0.5 KG KIT | Ellsworth Adhesives | 4019862 | |
| EGM-2 Endothelial Cell Growth Medium-2 BulletKit | Lonza | CC-3162 | |
| Fixture A1&A2 | SiMPore Inc. | NA | |
| Fixture B1&B2 | SiMPore Inc. | NA | |
| High Capacity cDNA Reverse Transcription Kit with RNase Inhibitor | Thermo Fisher Scientific | 4374966 | |
| Human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) | ThermoFisher Scientific | C0035C | |
| LIVE/DEAD Cell Imaging Kit (488/570) | Thermo Fisher Scientific | R37601 | |
| Molecular Probes Hoechst 33342, Trihydrochloride, Trihydrate | Thermo Fisher Scientific | H3570 | |
| Nickel-plated magnets (4.75 mm diameter, 0.34 kg pull force) | K&J Magnetics | D31 | 3/16" dia. x 1/16" thick |
| Paraformaldehyde, 4% w/v aq. soln., methanol free, Alfa Aesar | Fisher Scientific | aa47392-9M | |
| Peristaltic Pump | Langer Instruments | BQ50-1J-A | |
| Photoresist SU-8 developer solution | Fisher Scientific | NC9901158 | |
| PVDF syringe filters | PerkinElmer | 2542913 | |
| Silicon wafer | University wafer,USA | 1196 | |
| SU-8 3050 | Fisher Scientific | NC0702369 | |
| Target gene: eNOS (Hs01574659_m1) | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| Target gene: GAPDH (Hs02786624_g1) | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| Target gene: KLF2 (Hs00360439_g1) | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| Thermo Scientific Pierce 20x PBS Tween 20 | Thermo Fisher Scientific | 28352 | |
| Transport Tube Sample White caps, 5 mL, Sterile | VWR | 100500-422 | |
| TRI-reagent | ThermoFisher Scientific | AM9738 | |
| Ultrathin Nanoporous Membrane Chip | SiMPore Inc. | NPSN100-1L | The design is compatible with all of SiMPore membranes |
| uSiM component 1 | SiMPore Inc. | NA | |
| uSiM component 2 | SiMPore Inc. | NA |
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