بيوبرينتابل الجينات/الجيلاتين المائية 3D في المختبر النموذجي النظم الحث على تشكيل خلية كروي
Summary
قمنا بتطوير نموذج سرطان الثدي غير متجانسة تتألف من خلايا الورم وتنتجها الخلايا الليفية مخلدة جزءا لا يتجزأ من بيوينك الجينات/جيلاتين بيوبرينتابل. النموذج الذي يجمل في فيفو وورم المكروية ويسهل تشكيل الماغنيسيوم متعددة الخلايا السرطانية، مما أسفر عن التبصر في آليات القيادة tumorigenesis.
Abstract
لا هو لخص التغايرية الخلوية والبيوكيميائية والفيزيائية الحيوية من الأم وورم المكروية بخطوط الخلايا السرطان مخلدة تزايد استخدام الثقافة التقليدية من خلية ثنائية الأبعاد (2D). ويمكن التغلب على هذه التحديات باستخدام تقنيات بيوبرينتينج لبناء نماذج غير متجانسة الورم (3D) ثلاثي الأبعاد حيث يتم تضمين أنواع مختلفة من الخلايا. الجينات والجيلاتين وهما الحيوية الأكثر شيوعاً المستخدمة في بيوبرينتينج نظراً لتوافق مع الحياة، بيوميميكري، والخواص الميكانيكية. عن طريق الجمع بين اثنين البوليمرات، حققنا المائية بيوبرينتابل مركب مع أوجه التشابه مع بنية مجهرية ستروما الورم الأصلي. علينا درس برينتابيليتي من مركب المائية عن طريق ريولوجيا وحصل على نافذة الطباعة المثلى. خلايا سرطان الثدي والخلايا الليفية جزءا لا يتجزأ من الهلاميات المائية وطباعتها على شكل نموذج ثلاثي الأبعاد محاكاة المكروية في فيفو . النموذج غير متجانسة بيوبرينتيد تحقق من صلاحية عالية لزراعة الخلايا طويلة الأجل (> 30 يوما)، ويشجع التجميع الذاتي لخلايا سرطان الثدي في متعددة الخلايا السرطانية الماغنيسيوم (MCTS). لقد احتفلنا بالهجرة والتفاعل بين الخلايا المرتبطة بالسرطان تنتجها الخلايا الليفية (اجواءه) مع المراكز في هذا النموذج. باستخدام منصات الثقافة خلية بيوبرينتيد كنظم الثقافة المشارك، يوفر أداة فريدة لدراسة اعتماد توموريجينيسيس على تكوين سدى. ويتميز هذا الأسلوب الفائق، وإمكانية تكرار نتائج منخفضة التكلفة وعالية، ويمكن أن توفر أيضا نموذج بديل لثقافات أحادي الطبقة الخلية التقليدية والنماذج الحيوانية الورم لدراسة بيولوجيا السرطان.
Introduction
على الرغم من أن الثقافة الخلية 2D يستخدم على نطاق واسع في أبحاث السرطان، توجد قيود كما تزرع الخلايا في شكل أحادي الطبقة بتركيز موحد من المواد المغذية والأكسجين. تفتقر هذه الثقافات الهامة خلية خلية والخلية-مصفوفة التفاعلات الموجودة في الأم وورم المكروية (TME). ونتيجة لذلك، هذه النماذج الخص سوء الظروف الفسيولوجية، أسفر عن السلوكيات الشاذة الخلية، بما في ذلك مورفولوجيس غير طبيعي والمنظمة مستقبلات غير النظامية واستقطاب الغشاء والتعبير الجيني غير طبيعي، بين أمور أخرى الشروط1،2،،من34. من ناحية أخرى، يقدم الثقافة خلية ثلاثية الأبعاد، حيث يتم توسيع الخلايا في مساحة حجمية كمجاميع، الماغنيسيوم، أو أورجانويدس، أسلوب بديل لإيجاد بيئات في المختبر أكثر دقة لدراسة بيولوجيا الخلية الأساسية وعلم وظائف الأعضاء. يمكن أيضا أن تشجع ثقافة الخلية 3D نماذج التفاعلات الخلية-إدارة المحتوى في المؤسسة التي هي حاسمة الخصائص الفسيولوجية لأن TME الأصلي في المختبر4،،من15. بيوبرينتينج 3D التكنولوجيا الناشئة توفر إمكانيات لبناء النماذج التي تحاكي TME غير متجانسة.
بيوبرينتينج 3D مستمدة من النماذج الأولية السريعة ويمكن تلفيق المجهرية 3D قادرة على محاكاة بعض تعقيدات المعيشة عينات الأنسجة6،7. وتشمل أساليب بيوبرينتينج الحالي النافثة للحبر، البثق، وساعدت ليزر الطباعة8. فيما بينها، يسمح طريقة البثق التغايرية التحكم داخل المصفوفات المطبوعة بدقة تحديد المواقع أنواع متميزة من المواد في مختلف المواقع الأولية. ولذلك، هو أفضل نهج لاختلاق غير متجانسة في المختبر النماذج التي تنطوي على أنواع متعددة من الخلايا أو المصفوفات. بيوبرينتينج البثق وقد استخدمت بنجاح لبناء السقالات على شكل إذني9، هياكل الأوعية الدموية10،،من1112، والجلد الأنسجة13، مما أدى إلى دقة الطباعة العالية وخلية البقاء. ميزات التكنولوجيا أيضا تحديدات مادية متعددة الاستعمالات، القدرة على إيداع المواد مع الخلايا المضمنة مع الكثافة المعروفة، وإمكانية تكرار نتائج عالية14،،من1516،17 . كثيرا ما تستخدم بيوينكس الهلاميات المائية الطبيعية والاصطناعية بيوبرينتينج ثلاثية الأبعاد بسبب ما توافق مع الحياة وبيواكتيفيتي وشبكاتها ماء يمكن إجراء هندسة عكسية ليشابه هيكلياً ECM7،18 ،19،،من2021،،من2223. الهلاميات المائية أيضا مفيدة حيث أنها يمكن أن تشمل مواقع لاصقة للخلايا، والعناصر الهيكلية، النفاذية للمواد الغذائية والغازات، والخلية الخصائص الميكانيكية الملائمة لتشجيع التنمية24. على سبيل المثال، توفر الكولاجين الهلاميات المائية إنتغرين مرسى المواقع التي يمكن أن تستخدم الخلايا لإرفاق إلى المصفوفة. الجيلاتين، الكولاجين التشويه والتحريف، يحتفظ بمواقع الالتصاق خلية مماثلة. وفي المقابل، الجينات بيوينيرت لكنه يوفر السلامة الميكانيكية عن طريق تشكيل كروسلينكس مع أيونات ديفالينت25،26،،من2728.
في هذا العمل، قمنا بتطوير المائية مركب بيوينك، تتألف من الجينات والجيلاتين، مع أوجه التشابه مع بنية مجهرية ستروما الورم الأصلي. خلايا سرطان الثدي والخلايا الليفية كانت جزءا لا يتجزأ من الهلاميات المائية وطباعة عبر بيوبرينتير البثق المستندة إلى إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد يحاكي المكروية في فيفو . يسمح البيئة 3D الهندسة الخلايا السرطانية لتشكيل الورم متعددة الخلايا الماغنيسيوم (MCTS) مع صلاحية عالية لفترات طويلة من ثقافة الخلية (> 30 يوما). هذا البروتوكول يوضح منهجيات توليف مركب الهلاميات المائية، ووصف المواد المجهرية وبرينتابيليتي، بيوبرينتينج الخلوية نماذج غير متجانسة، ومراقبة تشكيل المراكز. يمكن تطبيق هذه المنهجيات الأخرى بيوينكس في بيوبرينتينج البثق، فضلا عن تصاميم مختلفة لنماذج الأنسجة غير متجانسة مع التطبيقات المحتملة في فحص المخدرات وفحوصات الهجرة الخلية والدراسات التي تركز على الخلية الأساسية الوظائف الفسيولوجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن أن يثير الشبهة هياكل محملة بخلية في حالة حدوث تلوث (بيولوجية أو كيميائية) في أي نقطة في هذه العملية. عادة، ويعتبر التلوث البيولوجي بعد سنتين أو ثلاثة أيام ثقافة كلون تغيير في ثقافة وسائل الإعلام أو بنية بيوبرينتيد. ولذلك، عملية التعقيم (تعقيم الفيزيائية والكيميائية) خطوة أساسية لجميع …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
جيانغ تاو يشكر مجلس المنح الدراسية الصيني (201403170354) وجائزة الدكتوراه هندسة ماكغيل (90025) لتمويل المنح الدراسية هذه. شكرا خوسيه زاي مونجويا لوبيز مبرزين (250279 و 290936 و 291168) وفرقنت (258421) لتمويل المنح الدراسية هذه. شكرا سلفادور فلوريس-توريس مبرزين للمنح الدراسية تمويل (751540). جوزيف م. Kinsella بفضل العلم الوطني ومجلس البحوث الهندسية، والمؤسسة الكندية للابتكار، ومؤسسة الأسرة امار توونشند، وجامعة ماكغيل لتمويلها. نود أن نشكر اهرليتشير الين على السماح لنا باستخدام له رهيوميتير، دان نيكولاو على السماح لنا باستخدام مجهر [كنفوكل]، وبارك موراغ لمنح لنا الوصول إلى خطوط الخلايا المسماة فلوريسسينتلي.
Materials
| Sodium alginate | FMC BioPolymer | CAS-No: 9005-38-3 | Protanal LF 10/60 FT |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G9391 | Type B gelatin from bovine skin |
| Dubelcco's phosphate buffered saline (DPBS 1X) | Gibco | LS14190136 | 1×, w/o calcium, w/o magnesium |
| Magnetic hotplate | Corning | N/A | Stirrer/hot plate model PC-420 |
| 50 mL centrifuge tubes | Corning | 352098 | Falcon® 50mL High Clarity PP Centrifuge Tube, Conical Bottom, Sterile |
| Centrifuge | GMI | N/A | Sorvall RT6000D, GMI, USA |
| Calcium chloride anhydrous | Sigma-Aldrich | C1016 | |
| MilliQ water | Millipore | N/A | |
| Millipore 0.22 µm filters | Millipore | SLGS033SB | Millex-GS Syringe Filter Unit, 0.22 µm, mixed cellulose esters, 33 mm, ethylene oxide sterilized |
| Oscillation rheometer MCR 302 | Anton Paar | N/A | |
| Rheometer measuring tool CP25 | Anton Paar | 79038 | Conical plate geometry for rheometer |
| RheoCompass | Anton Paar | N/A | Software controlling rheometer MCR 302 |
| Scanning electron microscope | Hitachi | N/A | SEM, Hitachi SU-3500 Variable Pressure |
| Paraformaldehyde, 96%, extra pure | Acros Organics | 416785000 | |
| Dulbecco modified eagle medium (DMEM) | Gibco | 11965092 | |
| Antibiotic/Antimycotic solution (100X) stabilized | Sigma | A5955 | |
| Fetal bovine serum | Wisent Bioproducts | 080-150 | |
| Cell culture T-75 flasks | Sigma-Aldrich | CLS430641 | 75 cm2 TC-Treated surface treatment |
| 3D bioprinter BioScaffolder 3.1 | GeSiM | N/A | |
| GeSim software | GeSiM | N/A | Software controlling BioScaffolder 3.1 |
| 10cc cartridge UV resist | EFD Nordson | 7012126 | |
| End cap | EFD Nordson | 7014472 | |
| Tip cap | EFD Nordson | 7014469 | |
| Piston | EFD Nordson | 7012182 | |
| Stainless nozzle G25 | EFD Nordson | 7018345 | |
| Water bath | VWR | N/A | |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | Bioreagent, for molecular biology |
| Costar 6-well plates | Corning | 3516 | TC-Treated Multiple Well Plates, Individually Wrapped, Sterile |
| Confocal spinning disk inverted microscope | Olympus Life Science | N/A | Olympus IX83 |
| MTS assay kit | Promega | G3582 | CellTiter 96® AQueous One Solution Cell Proliferation Assay |
| Live/Dead viability cytotoxicity kit | Molecular Probes,ThermoFisher Scientific | L3224 | |
| Trypsin 0.25/EDTA 1X | Gibco | 25200-072 | |
| Corning 96-well plate | Corning | 3595 | Clear Flat Bottom Polystyrene TC-Treated Microplate, Individually Wrapped, with Low Evaporation Lid, Sterile |
| Autoclave Tuttnauer | Heidolph Brinkmann | N/A | Heidolph Tuttnauer 2540E Autoclave Sterilizer Electronic Model with 4 Stainless Steel Trays, 23L Capacity |
| Trypan blue | Invitrogen | T10282 | 0.4% solution |
| Ethanol | Commercial Alcohols | P016EA95 | Greenfield Speciality Alcohols |
| CO2 Incubator | Panasonic | N/A | MCO 19AIC-PA |
| Lyophilizer | SP Scientific | N/A | Virtis Sentry 2.0 |
| SolidWorks | Dassault Systems | N/A | A CAD software used to build demostrative propeller-like model |
| MATLAB | The MathWorks | N/A | A programming software used to generate G-code for BioScaffolder 3.1 |
Riferimenti
- Cui, X., Hartanto, Y., Zhang, H. Advances in multicellular spheroids formation. Journal of the Royal Society Interface. 14 (127), (2017).
- Yip, D., Cho, C. H. A multicellular 3D heterospheroid model of liver tumor and stromal cells in collagen gel for anti-cancer drug testing. Biochemical and Biophysical Research Communications. 433 (3), 327-332 (2013).
- Breslin, S., O’Driscoll, L. The relevance of using 3D cell cultures, in addition to 2D monolayer cultures, when evaluating breast cancer drug sensitivity and resistance. Oncotarget. 7 (29), 45745-45756 (2016).
- Yue, X., Lukowski, J. K., Weaver, E. M., Skube, S. B., Hummon, A. B. Quantitative proteomic and phosphoproteomic comparison of 2D and 3D colon cancer cell culture models. Journal of Proteome Research. 15 (12), 4265-4276 (2016).
- Priwitaningrum, D. L., et al. Tumor stroma-containing 3D spheroid arrays: a tool to study nanoparticle penetration. Journal of Controlled Release. 244 (Pt B), 257-268 (2016).
- Hong, S., et al. Cellular behavior in micropatterned hydrogels by bioprinting system depended on the cell types and cellular interaction. Journal of Bioscience and Bioengineering. 116 (2), 224-230 (2013).
- Dolati, F., et al. In vitro evaluation of carbon-nanotube-reinforced bioprintable vascular conduits. Nanotechnology. 25 (14), 145101 (2014).
- Murphy, S. V., Atala, A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 32 (8), 773-785 (2014).
- Kang, H. W., et al. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nature Biotechnology. 34 (3), 312-319 (2016).
- Miller, J. S., et al. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. Nature Materials. 11 (9), 768-774 (2012).
- Jia, W., et al. Direct 3D bioprinting of perfusable vascular constructs using a blend bioink. Biomaterials. 106, 58-68 (2016).
- Kolesky, D. B., Homan, K. A., Skylar-Scott, M. A., Lewis, J. A. Three-dimensional bioprinting of thick vascularized tissues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (12), 3179-3184 (2016).
- Lee, V., et al. Design and fabrication of human skin by three-dimensional bioprinting. Tissue Engineering Part C: Methods. 20 (6), 473-484 (2014).
- Jiang, T., et al. Directing the self-assembly of tumour spheroids by bioprinting cellular heterogeneous models within alginate/gelatin hydrogels. Scientific Reports. 7 (1), 4575 (2017).
- Knowlton, S., Onal, S., Yu, C. H., Zhao, J. J., Tasoglu, S. Bioprinting for cancer research. Trends in Biotechnology. 33 (9), 504-513 (2015).
- Derby, B. Printing and prototyping of tissues and scaffolds. Science. 338 (6109), 921-926 (2012).
- Nair, K., et al. Characterization of cell viability during bioprinting processes. Biotechnology Journal. 4 (8), 1168-1177 (2009).
- Costa, E. C., et al. 3D tumor spheroids: an overview on the tools and techniques used for their analysis. Biotechnology Advances. 34 (8), 1427-1441 (2016).
- Zhao, Y., et al. Three-dimensional printing of Hela cells for cervical tumor model in vitro. Biofabrication. 6 (3), 035001 (2014).
- Ling, K., et al. Bioprinting-based high-throughput fabrication of three-dimensional MCF-7 human breast cancer cellular spheroids. Ingegneria. 1 (2), 269-274 (2015).
- Liang, Y., et al. A cell-instructive hydrogel to regulate malignancy of 3D tumor spheroids with matrix rigidity. Biomaterials. 32 (35), 9308-9315 (2011).
- Szot, C. S., Buchanan, C. F., Freeman, J. W., Rylander, M. N. 3D in vitro bioengineered tumors based on collagen I hydrogels. Biomaterials. 32 (31), 7905-7912 (2011).
- Carey, S. P., Kraning-Rush, C. M., Williams, R. M., Reinhart-King, C. A. Biophysical control of invasive tumor cell behavior by extracellular matrix microarchitecture. Biomaterials. 33 (16), 4157-4165 (2012).
- Hospodiuk, M., Dey, M., Sosnoski, D., Ozbolat, I. T. The bioink: a comprehensive review on bioprintable materials. Biotechnology Advances. 35 (2), 217-239 (2017).
- Caliari, S. R., Burdick, J. A. A practical guide to hydrogels for cell culture. Nature Methods. 13 (5), 405-414 (2016).
- Bhutani, U., Laha, A., Mitra, K., Majumdar, S. Sodium alginate and gelatin hydrogels: viscosity effect on hydrophobic drug release. Materials Letters. 164, 76-79 (2016).
- Biswal, D., et al. Effect of mechanical and electrical behavior of gelatin hydrogels on drug release and cell proliferation. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 53, 174-186 (2016).
- Rowley, J. A., Madlambayan, G., Mooney, D. J. Alginate hydrogels as synthetic extracellular matrix materials. Biomaterials. 20 (1), 45-53 (1999).
- Djabourov, M., Leblond, J., Papon, P. Gelation of aqueous gelatin solutions. I. Structural investigation. Journal de Physique (France). 49 (2), 319-332 (1988).
- Djabourov, M., Leblond, J., Papon, P. Gelation of aqueous gelatin solutions. II. Rheology of the sol-gel transition. Journal de Physique (France). 49 (2), 333-343 (1988).
- Coussot, P. . Rheometry of Pastes, Suspensions, and Granular Materials: Applications in Industry and Environment. , (2005).
- Ouyang, L., Yao, R., Zhao, Y., Sun, W. Effect of bioink properties on printability and cell viability for 3D bioplotting of embryonic stem cells. Biofabrication. 8 (3), 035020 (2016).
- Michon, C., Cuvelier, G., Launay, B. Concentration dependence of the critical viscoelastic properties of gelatin at the gel point. Rheologica Acta Rheologica Acta: An International Journal of Rheology. 32 (1), 94-103 (1993).
- Mouser, V. H., et al. Yield stress determines bioprintability of hydrogels based on gelatin-methacryloyl and gellan gum for cartilage bioprinting. Biofabrication. 8 (3), 035003 (2016).
- Benbow, J. J., Oxley, E. W., Bridgwater, J. The extrusion mechanics of pastes-the influence of paste formulation on extrusion parameters. Chemical Engineering Science. 42 (9), 2151-2162 (1987).
- Bingham, E. C. . Fluidity and plasticity. , (1922).
- Horrobin, D. J., Nedderman, R. M. Die entry pressure drops in paste extrusion. Chemical Engineering Science. 53 (18), 3215-3225 (1998).
- Soman, P., et al. Cancer cell migration within 3D layer-by-layer microfabricated photocrosslinked PEG scaffolds with tunable stiffness. Biomaterials. 33 (29), 7064-7070 (2012).
- Asghar, W., et al. Engineering cancer microenvironments for in vitro 3-D tumor models. Materials Today. 18 (10), 539-553 (2015).
- Lin, R. Z., Chang, H. Y. Recent advances in three-dimensional multicellular spheroid culture for biomedical research. Biotechnology Journal. 3 (9-10), 1172-1184 (2008).
- Akasov, R., et al. Formation of multicellular tumor spheroids induced by cyclic RGD-peptides and use for anticancer drug testing in vitro. International Journal of Pharmaceutics. 506 (1-2), 148-157 (2016).
