Generación de una tridimensional grosor de la piel completa y automatizada Equivalente Heridas
Summary
The goal of this protocol is to build up a three-dimensional full thickness skin equivalent, which resembles natural skin. With a specifically constructed automated wounding device, precise and reproducible wounds can be generated under maintenance of sterility.
Abstract
In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models reflect the human wound situation better than animal models. Although two-dimensional models are widely used to investigate processes such as cellular migration and proliferation, models that are more complex are required to gain a deeper knowledge about wound healing. Besides a suitable model system, the generation of precise and reproducible wounds is crucial to ensure comparable results between different test runs. In this study, the generation of a three-dimensional full thickness skin equivalent to study wound healing is shown. The dermal part of the models is comprised of human dermal fibroblast embedded in a rat-tail collagen type I hydrogel. Following the inoculation with human epidermal keratinocytes and consequent culture at the air-liquid interface, a multilayered epidermis is formed on top of the models. To study the wound healing process, we additionally developed an automated wounding device, which generates standardized wounds in a sterile atmosphere.
Introduction
La piel es el órgano más grande del cuerpo. Se crea una barrera entre el entorno exterior y los órganos internos. Por otra parte, la piel protege el cuerpo de la pérdida de líquidos, las influencias ambientales, las lesiones y las infecciones y ayuda a regular la temperatura corporal 1. Debido a su ubicación a la vista, la piel es a menudo afectada por los traumatismos mecánicos, térmicos o químicos. Aunque la piel es generalmente capaz de auto-reparación, múltiples factores locales como la infección, la oxigenación y la suficiencia venosa pueden conducir a problemas de cicatrización de la herida. La cicatrización de heridas también puede ser interferido por factores sistémicos como la obesidad, alcoholismo, tabaquismo, medicación, nutrición y las enfermedades tales como la diabetes. 2
El proceso de curación de las heridas puede dividirse en 3 fases: (i) la fase inflamatoria, (ii) la proliferación y la (iii) fase de remodelación. Tras la lesión en la piel, un complejo de señal en cascada se inicia, lo que conduce al cierre de la herida. 3Después de la lesión, la herida está sangrando y se forma un coágulo de sangre. Los fibroblastos se mueven en la coagulación de la sangre y lo reemplazan con nuevo tejido que está remodelado posteriormente durante años.
La comprensión actual de la reparación cutánea procesos biológicos subyacentes es limitado. Modelos pequeños animales y de cerdo se han utilizado para estudiar la cicatrización de heridas. Sin embargo, estos resultados no pueden ser transferidos directamente a los seres humanos debido a las diferencias específicas de las especies. Además de estos modelos in vivo, algunos aspectos de la cicatrización de heridas se pueden estudiar mediante la simulación de una situación de la herida a través de rascado de cultivos en monocapa in vitro basado en líneas celulares inmortalizadas o células primarias. 4 Estos modelos rascarse están altamente estandarizados, pero no suficientemente reflejan la . compleja fisiología in vivo 5 Además de los modelos de dos dimensiones, los equivalentes de piel humana en tres dimensiones se han desarrollado para la investigación dermatológica. La parte dérmica de estos modelos son generated utilizando diversos andamios incluyendo dermis descelularizados, 6 hidrogeles de colágeno, glicosaminoglicanos 7,8 9 o materiales sintéticos. 10 Empleando estos equivalentes de piel, el papel de las interacciones epitelio mesenquimal 11, la re-epitelización, la diafonía celular entre fibroblastos y queratinocitos y la influencia de diferentes factores de crecimiento puede ser estudiado. Además, estos modelos son útiles para obtener nuevos conocimientos sobre cómo los fibroblastos migran a la zona herida y cómo los factores quimiotácticos influyen en la regeneración de tejidos. 12
No sólo la generación del modelo de cicatrización de la herida en sí es difícil, sino también para establecer una herida altamente estandarizada en un modelo es problemática. Las técnicas comunes para crear heridas son ensayos de rayado, 13 quemaduras, 14 cintas de abrasión, 15 lesiones térmicas, 16 ampollas de succión, nitrógeno líquido 17, 18, 19 lasers </sup> escalpelos, 18 malladores 6 y punzones de biopsia. 20 La mayoría de estos métodos tienen las mismas trampas. Lesiones aplicadas manualmente son difíciles de estandarizar y de reproducirse entre múltiples pruebas. Tamaño, forma y profundidad de la herida varían entre los estudios y por lo tanto perjudican la calidad de los datos de investigación. El uso de láser para heridas de la piel definido puede ser estandarizada con relativa facilidad, pero conduce a una situación imitando heridas de quemaduras. El calor aplicado por láser puede causar desnaturalización de la proteína, la agregación plaquetaria o los vasos constricción, que puede conducir a tejido necrótico.
En un enfoque alternativo, hemos desarrollado un dispositivo heridas automatizado (AWD), que nos permite generar heridas cutáneas definidas y precisas en condiciones estériles. Parámetros herida, como la profundidad y la velocidad de penetración, así como las revoluciones de la cabeza de perforación pueden ser reguladas. En este estudio, hemos combinado el AWD con equivalentes de piel de espesor completo en casa desarrollados (ftSE) que son comparables a un protocolo publicado por Gangatirkar et al. 8 La capa dérmica de la piel equivalente se compone de fibroblastos dérmicos humanos (HDF), que están incrustados en un colágeno I hidrogel. En la capa dérmica, los queratinocitos epidérmicos humanos (HEK) se siembran. Dentro de dos semanas en la interfase aire-líquido del HEK construir una epidermis compuesta de varias capas de células vitales y un estrato córneo. Además de la generación de este modelo, este estudio muestra el uso de la tracción total para crear heridas definidos y precisos en FTSE.
Protocol
Representative Results
Discussion
En las células in vitro generalmente se expanden en cultivos celulares bidimensionales, en el que las células se adhieren a las superficies de plástico. Sin embargo, estas condiciones de cultivo no reflejan las condiciones en tres dimensiones fisiológicas en las que las células crecen in vivo. En condiciones tridimensionales, las células pueden formar adjuntos célula-célula y célula-matriz naturales y migrar en tres dimensiones. Especialmente en la herida cutánea sanar el parecido de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the Fraunhofer ISC for the collaboration concerning the construction of the automated wounding device. The project was founded by Fraunhofer internal project “Märkte von Übermorgen” (SkinHeal).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Trypsin EDTA (1:250) 0.5 % in DPBS | PAA | L11-003 | 0.05% |
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Sigma | D8537 | |
| Collagen (6 mg/ml in 0,1 % acetic acid) | Produced in house | ||
| Fibronectin Human Protein, Plasma (50 µg/ml) | Life Technologies | 33016-015 | |
| Inserts | Nunc | 140627 | |
| 6 well plate | Nunc | 140685 | |
| 24 well plate | Nunc | 142485 | |
| Microscope slides | R. Langenbrinck | 03-0070 | |
| Fibroblasts culturing (500 ml): | |||
| DMEM, high glucose | Life Technologies | 11965-092 | 89% (445 ml) |
| Fetal bovine serum | Bio & Sell | FCS.ADD.0500 | 10% (50 ml) |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140-122 | 1% (5 ml) |
| Keratinozyten culture medium (500 ml): | |||
| Keratinocyte Growth Medium 2 | Promocell | C-20111 | 89% (445 ml) |
| Keratinocyte Growth Medium 2 SupplementPack | Promocell | C-39011 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140-122 | 1% (5 ml) |
| Gel neutralization solution (250 ml): | |||
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium, high Glucose Powder with L-Glutamine | PAA | G0001,3010 | 93% (232,5 ml) |
| Chondroitin sulfate sodium salt from shark cartilage | Sigma | C4384-1g | 1% (2,5 ml) |
| Fetal bovine serum | Bio & Sell | FCS.ADD.0500 | 3% (7,5 ml) |
| HEPES | Sigma | H3375-1kg | 3% (7,5 ml) |
| Skin model submers medium (500ml): | |||
| Keratinocyte Growth Medium 2 | Promocell | C-20111 | |
| Keratinocyte Growth Medium 2 SupplementPack | Promocell | C-39011 | |
| Fetal calf serum | Bio & Sell | FCS.ADD.0500 | 5%-2% (25 ml-10 ml) |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140-122 | 1% (5 ml) |
| Skin model air-liquid interface medium (500 ml): | |||
| Keratinocyte Growth Medium 2 | |||
| Keratinocyte Growth Medium 2 Supplement Pack | Promocell | C-39011 | adding only supplements: Insulin, Hydrocortisone, Epinephrine, Transferrin, CaCl2 |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140-122 | 1% (5 ml) |
| CaCl2 (300 mM) | Sigma | C7902-500g | 0,62% (3,1 ml) |
| Histology: | |||
| IHC-Kit DCS SuperVision 2 HRP | DCS | PD000KIT | |
| Vimentin antibody | Abcam | ab92547 | |
| CK14 antibody | Sigma | HPA023040-100µl | |
| CK10 antibody | Dako | M7002 | |
| Filaggrin antibody | Abcam | ab81468 | |
| H&E staining | |||
| Mayer´s Haemalaun | AppliChem | A0884,2500 | |
| Xylol | Sigma Aldrich | 296325-4X2L | |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 32205-4X2.5L | |
| HCl | Sigma Aldrich | H1758-500ML | |
| Eosin | Sigma Aldrich | E4009-5G | |
| 2-Propanolol | Sigma Aldrich | I9516-500ML | |
| Mounting Medium | Sigma Aldrich | M1289-10ML |
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