Vervaardiging van een biomimetische nanomatrix met Janus Base Nanotubes en Fibronectin voor stamcelhechting

Summary

Het doel van dit protocol is om de assemblage van een biomimetische nanomatrix (NM) met Janus basis nanobuisjes (JBNT’s) en fibronectine (FN) te tonen. Wanneer ze worden gekweekt met menselijke mesenchymale stamcellen (hMSCs), vertonen de NMs uitstekende bioactiviteit bij het aanmoedigen van hMSCs-adhesie.

Abstract

Een biomimetische NM werd ontwikkeld om te dienen als een weefsel-engineering biologische steiger, die stamcelverankering kan verbeteren. De biomimetische NM wordt gevormd uit JBNT’s en FN door zelfassemblage in een waterige oplossing. JBNT’s meten 200-300 μm lang met binnenste hydrofobe holle kanalen en buitenste hydrofiele oppervlakken. JBNT’s worden positief geladen en FN’s worden negatief geladen. Daarom worden ze, wanneer ze in een neutrale waterige oplossing worden geïnjecteerd, aan elkaar gebonden via niet-covalente binding om de NM-bundels te vormen. Het zelfassemblageproces is binnen enkele seconden voltooid zonder chemische initiators, warmtebron of UV-licht. Wanneer de pH van de NM-oplossing lager is dan het iso-elektrische punt van FN’s (pI 5,5-6,0), zullen de NM-bundels zichzelf vrijgeven vanwege de aanwezigheid van positief geladen FN.

NM staat erom bekend de extracellulaire matrix (ECM) morfologisch na te bootsen en kan daarom worden gebruikt als een injecteerbare steiger, die een uitstekend platform biedt om de hMSC-hechting te verbeteren. Celdichtheidsanalyse en fluorescentiebeeldvormingsexperimenten wezen erop dat de NMs de verankering van hMS’s aanzienlijk verhoogden in vergelijking met de negatieve controle.

Introduction

Menselijke mesenchymale stamcellen (hMC’s) hebben het potentieel voor zelfvernieuwing en zelfdifferentiatie langs verschillende mesenchymale afstammingen aangetoond, wat helpt bij de regeneratie en het onderhoud van weefsels¹. Op basis van het differentiatiepotentieel worden hMC’s beschouwd als kandidaten voor mesenchymale weefselletsels en hematopoietische stoornistherapie². hMC’s hebben het vermogen aangetoond om wondgenezing te bevorderen door weefselherstel, angiogenese en ontsteking te verminderen³. Zonder hulp van biochemische of biomaterialen is de efficiëntie voor de hMC’s om een doelweefsel te bereiken en op de gewenste locatie te functioneren echter laag⁴. Hoewel verschillende ontworpen steigers zijn gebruikt om hMC’s aan te trekken om zich aan de laesies te hechten, zijn sommige plaatsen zoals groeiplaatbreuk, in het midden van een lang bot, niet gemakkelijk toegankelijk door de conventionele voorgefabriceerde steigers, die mogelijk niet perfect passen in een onregelmatig gevormde gewonde plaats.

Hier hebben we een biomimetisch nanomateriaal ontwikkeld dat zichzelf in situ kan assembleren en kan worden geïnjecteerd in een moeilijk te bereiken doelgebied. De injecteerbare biosteiger NM bestaat uit Janus base nanotubes (JBNTs) en fibronectine (FN). JBNT’s, ook bekend als de Rosette Nanotubes (RNT’s), zijn afgeleid van DNA-basisparen, met name thymine en adenine, hier^5,6,7. Zoals te zien is in figuur 1, worden de nanobuisjes gevormd wanneer zes moleculen van de afgeleide DNA-basisparen zichzelf assembleren via waterstofbindingen om een vlak te vormen⁶. Zes moleculen worden vervolgens op elkaar gestapeld in een vlak via een sterke pi-stapelinteractie⁷, die tot 200-300 μm lang kan zijn. De JBNT’s zijn ontworpen om collageenvezels morfologisch na te bootsen, zodat FN ermee zal reageren.

FN is een lijmglycoproteïne met een hoog molecuulgewicht, dat te vinden is in de extracellulaire matrix (ECM)⁹. Deze kunnen de aanhechting van stamcellen aan andere componenten van het ECM bemiddelen, met name collageen¹⁰. We hebben JBNT’s ontworpen om collageenvezels morfologisch na te bootsen, zodat FN ermee kan reageren om NM in een paar seconden te vormen via niet-covalente binding. Daarom is NM een veelbelovende biosteiger die in een botbreukplaats wordt geïnjecteerd die niet toegankelijk is voor de conventioneel vervaardigde steigers. Hier biedt de injecteerbare NM een uitstekend vermogen om hMSC-verankering in vitro te verbeteren, waarbij ze hun potentieel vertonen om te dienen als een steiger voor weefselregeneratie.

Protocol

1. Synthese van JBNT’s OPMERKING: JBNT monomeer werd bereid zoals eerder gepubliceerd11. Synthese van verbinding A1 Bereid een oplossing met 8,50 g 2-cyanoazijnzuur en 9,80 g ethylcarbamaat in 25 ml tolueen en 2,5 ml N, N-dimethylformamide. Voeg 4,90 ml fosforylchloride dropwise toe. Verwarm het mengsel vervolgens tot 70 °C en blijf 1,5 uur roeren. Koel het reactiemengsel af op kamertemperatuur en giet er 100 g ijswater in. Haal de waterige…

Representative Results

Onze studies ontdekten dat de vorming van de NM van JBNT’s en FN snel is, wat in 10 seconden gebeurde. Zoals getoond in figuur 2,werd witte floccule verkregen toen de JBNT-oplossing werd gemengd met de FN-oplossing en meerdere keren werd gepijpt. Het vormingsproces van NM is volledig biomimetisch. Er zijn geen externe prikkels nodig. Het fabricageproces is veel eenvoudiger dan dat van sommige opkomende biomaterialen, dat is gebaseerd op ultraviolet licht of chemische initiator voor crosslink…

Discussion

In deze studie ontwikkelden we een zelfgemonteerde biomimetische NM, die werd gevormd met DNA-geïnspireerde JBNT’s en FN. Bij het bereiden van de JBNT-oplossing moet het JBNT-gelyophiliseerde poeder in het water worden opgelost in plaats van PBS, omdat PBS agglomeratie van JBNT’s zal veroorzaken, wat hun assemblage remt. Bovendien moet de NM ook in water worden geassembleerd als we de nanofibrillerende structuren van de NM willen observeren, omdat het zout in PBS zal bundelen met NM-vezels, wat de resolutie van de beeld…

Materials

1,2-dichloroethane	Alfa Aesar	39121
2-cyanoacetic acid	Sigma-Aldrich	C88505
4-Dimethylaminopyridine	TCI America	D1450
8 wells Chambered Coverglass	Thermo Fisher	155409
96-well plate	Corning	353072
absolute ethanol	Thermo Fisher	BP2818500
acetone	Sigma-Aldrich	179124
acetonitrile	Sigma-Aldrich	34851
allylamine	Sigma-Aldrich	145831
Basic Plasma Cleaner	Harrick Plasma	PDC32G
citric acid	Sigma-Aldrich	251275
concentrated hydrochloric acid	Sigma-Aldrich	H1758
Deionized water	Thermo Fisher	15230147
dichloromethane	Sigma-Aldrich	270997
diethyl ether	Sigma-Aldrich	296082
Di-tert-butyl dicarbonate	Sigma-Aldrich	361941
ethyl acetate	Sigma-Aldrich	319902
ethylcarbamate	Sigma-Aldrich	U2500
Fibronectin	Thermo Fisher	PHE0023
Fixative Solution (4 % formaldehyde prepared in PBS)	Thermo Fisher	R37814
guanidinium hydrochloride	Alfa Aesar	A13543
hexanes	Sigma-Aldrich	227064
Human mesenchymal stem cells	Lonza	PT-2501
methanol	Sigma-Aldrich	34860
methyl iodide	Sigma-Aldrich	289566
N,N-Diisopropylethylamine	Alfa Aesar	A17114
N,N-dimethylformamide	Sigma-Aldrich	227056
N-Methylmorpholine N-oxide	Alfa Aesar	A19802
Osmium tetraoxide	Alfa Aesar	45385
Penicillin-Streptomycin	Thermo Fisher	15140163
Phosphate Buffer Solution	Thermo Fisher	20012050
phosphoryl chloride	Sigma-Aldrich	201170
potassium carbonate	Sigma-Aldrich	347825
reverse phase column	Thermo Fisher	25305-154630
Rhodamine Phalloidin	Thermo Fisher	R415
silica gel	TCI America	S0821
sodium bicarbonate	Sigma-Aldrich	S6014
sodium ethoxide	Alfa Aesar	L13083
sodium periodide	Sigma-Aldrich	71859
sodium sulfate	Sigma-Aldrich	239313
sodium sulfite	Sigma-Aldrich	S0505
sodium triacetoxyborohydride	Alfa Aesar	B22060
spectrophotometer(NanoDrop One/Oneᶜ UV-Vis)	Thermo Fisher	ND-ONE-W
Stem Cell Growth Medium BulletKit	Lonza	PT-3001
tetrahydrofuran	Sigma-Aldrich	401757
thioanisole	Sigma-Aldrich	T28002
toluene	Sigma-Aldrich	179418
triethylamine	Alfa Aesar	A12646
trifluoroacetic acid	Alfa Aesar	A12198
Triton X-100	Thermo Fisher	HFH10
Trypsin-EDTA solution	Thermo Fisher	25200056