Dispositif d’assemblage acoustique tridimensionnel pour la fabrication en série de sphéroïdes cellulaires
Summary
Les sphéroïdes cellulaires ont été considérés comme un modèle potentiel dans le domaine des applications biologiques. Cet article décrit les protocoles permettant de générer de manière évolutive des sphéroïdes cellulaires à l’aide d’un dispositif d’assemblage acoustique 3D, qui fournit une méthode efficace pour la fabrication robuste et rapide de sphéroïdes cellulaires uniformes.
Abstract
Les sphéroïdes cellulaires sont des modèles tridimensionnels (3D) prometteurs qui ont de nombreuses applications dans de nombreux domaines biologiques. Ce protocole présente une méthode de fabrication de sphéroïdes cellulaires de haute qualité et à haut débit à l’aide d’un dispositif d’assemblage acoustique 3D par des procédures manœuvrables. Le dispositif d’assemblage acoustique se compose de trois transducteurs en titanate de zirconate de plomb (PZT), chacun disposé dans le plan X/Y/Z d’une chambre carrée en polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Cette configuration permet la génération d’un réseau de points 3D de nœuds acoustiques en lévitation (LAN) lorsque trois signaux sont appliqués. En conséquence, les cellules de la solution de gélatine méthacryloyl (GelMA) peuvent être conduites vers les réseaux locaux, formant des agrégats cellulaires uniformes en trois dimensions. La solution GelMA est ensuite photopolymérisée par UV et réticulée pour servir d’échafaudage qui soutient la croissance des agrégats cellulaires. Enfin, des masses de sphéroïdes matures sont obtenues et récupérées en dissolvant ensuite les échafaudages GelMA dans des conditions douces. Le nouveau dispositif d’assemblage de cellules acoustiques 3D proposé permettra la fabrication à grande échelle de sphéroïdes cellulaires, et même d’organoïdes, offrant ainsi un grand potentiel technologique dans le domaine biologique.
Introduction
Les modèles de culture in vitro 3D, qui offrent des caractéristiques structurelles et morphologiques plus proches de celles de l’in vivo que les modèles de culture 2D conventionnels, ont été reconnus comme des systèmes prometteurs dans diverses applications biomédicales telles que l’ingénierie tissulaire, la modélisation des maladies et le criblage de médicaments 1,2,3. En tant que type de modèle de culture 3D, les sphéroïdes cellulaires font généralement référence à l’agrégation cellulaire, créant des structures sphéroïdales 3D caractérisées par des interactions cellule-cellule et cellule-matriceaméliorées 4,5,6. Par conséquent, la fabrication de sphéroïdes cellulaires est devenue un outil puissant pour permettre diverses études biologiques.
Diverses techniques, dont la goutte suspendue7, les plaques non adhésives8 ou les dispositifs à micropuits9, ont été développées pour obtenir des sphéroïdes. En principe, ces méthodes facilitent généralement l’assemblage des cellules en utilisant des forces physiques telles que la force gravitationnelle tout en minimisant les interactions entre les cellules et le substrat. Cependant, ils impliquent souvent des processus à forte intensité de main-d’œuvre, ont une faible productivité et posent des défis pour le contrôle de la taille des sphéroïdes10,11. Il est important de noter que la production de sphéroïdes de la taille et de l’uniformité souhaitées en quantité suffisante est de la plus haute importance pour satisfaire des applications biologiques spécifiques. Contrairement aux méthodes mentionnées ci-dessus, les ondes acoustiques, en tant que type de technique pilotée par des forces externes 12,13,14, ont montré un potentiel pour la fabrication en série de sphéroïdes cellulaires de haute qualité et de haut débit, sur la base du principe de l’amélioration de l’agrégation cellulaire par des forces externes 15,16,17,18. Contrairement aux forces électromagnétiques ou magnétiques, les techniques de manipulation cellulaire acoustiques sont non invasives et sans marquage, ce qui permet la formation de sphéroïdes avec une excellente biocompatibilité19,20.
Généralement, des dispositifs à base d’ondes acoustiques de surface stationnaires (SAW) et d’ondes acoustiques de masse (BAW) ont été développés pour générer des sphéroïdes, en utilisant les nœuds acoustiques (AN) produits par les champs acoustiques stationnaires correspondants 21,22,23. En particulier, les dispositifs d’assemblage acoustique à base de BAW, avec les mérites d’une fabrication pratique, d’une utilisation facile et d’une excellente évolutivité, ont attiré l’attention pour la fabrication de sphéroïdes cellulaires24,25. Nous avons récemment développé un dispositif d’assemblage acoustique simple à base de BAW avec la capacité de générer des sphéroïdes à haut débit26. Le dispositif proposé se compose d’une chambre carrée en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) avec trois transducteurs en titanate de zirconate de plomb (PZT) disposés respectivement dans le plan X/Y/Z. Cette disposition permet la création d’un réseau de points 3D de nœuds acoustiques en lévitation (LAN) pour l’assemblage de cellules de pilotage. Par rapport aux dispositifs à base de BAW ou de SAW précédemment signalés, qui ne peuvent créer qu’un réseau 1D ou 2D d’ANs 27,28,29, le dispositif actuel permet un réseau de points 3D de LAN pour la formation rapide d’agrégats cellulaires dans la solution de gélatine méthacryloyl (GelMA). Par la suite, les agrégats cellulaires ont mûri en sphéroïdes à haute viabilité dans les échafaudages photopolymérisés de GelMA après trois jours de culture. Enfin, un grand nombre de sphéroïdes de taille uniforme ont été facilement obtenus à partir des échafaudages GelMA pour des applications en aval.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fabrication efficace et stable de sphéroïdes cellulaires à haut débit à l’aide de technologies telles que le dispositif d’assemblage acoustique 3D est très prometteuse pour faire progresser l’ingénierie biomédicale et le criblage de médicaments 1,2,3. Cette approche simplifie la production de masse de sphéroïdes cellulaires grâce à des procédures simples.
Cependant, il y a des f…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par le Programme national clé de recherche et de développement de la Chine (2022YFA1104600) et la Fondation provinciale des sciences naturelles du Zhejiang de Chine (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 |
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