Melhorar 2D e 3D Pele<em> In Vitro</em> Models Usando Macromolecular Crowding

Summary

Apresenta-se um protocolo para obter matrizes derivadas de células ricas em proteínas da matriz extracelular, utilizando Crowders macromoleculares (MMC). Além disso, apresentamos um protocolo que incorpora MMC na geração de co-cultura de pele organot�ica 3D, o que reduz o tempo de cultura, mantendo a maturidade da construção.

Abstract

A família das glicoproteínas de colágenos representa as principais proteínas estruturais do corpo humano, e são componentes essenciais de biomateriais utilizados em engenharia de tecidos modernos. Um gargalo técnica é a deposição de colagénio in vitro, como é notoriamente lenta, resultando numa sub-óptima formação de tecido conjuntivo e subsequente coesão tecido, particularmente em modelos de pele. Aqui, nós descrevemos um método que envolve a adição de co-polímeros de sacarose diferencialmente porte a culturas de pele para gerar macromolecular aglomerando (MMC), o que resulta num aumento dramático da deposição de colagénio. Particularmente, os fibroblastos dérmicos depositada uma quantidade significativa de colagénio I / IV / VII e fibronectina sob MMC em comparação com os controlos.

O protocolo também descreve um método para decellularize camadas de células aglomeradas, expondo quantidades significativas de matriz extracelular (ECM), que foram retidas na superfície da cultura como evidenciado por immunocyimuno. Total de padrão de massa de matriz e distribuição foi estudada usando microscopia de interferência reflexão. matrizes Curiosamente, f ibroblastos, queratinócitos e co-culturas produzidas derivadas de células (CDM) de composição variada e morfologia. MDL podem ser usados ​​como "bio-andaimes para" semear célula secundária, em que a utilização actual de revestimentos ou andaimes, tipicamente a partir de fontes animais xenogénicas, pode ser evitado, movendo-se assim, para aplicações mais clinicamente relevante.

Além disso, este protocolo descreve a aplicação de MMC durante a fase submersa de um modelo 3D-organotípicas pele de co-cultura que foi suficiente para aumentar a deposição de ECM na junção dermo-epidérmica (JDE), em particular, colagénio VII, o componente principal das fibrilas de ancoragem. A microscopia eletrônica confirmou a presença das fibrilas de ancoragem em culturas desenvolvidas com MMC, em comparação aos controles. Isto é significativo como fibrilas de ancoragem amarrar da derme para a epiderme, daí,tendo um pré-formado madura JDE podem beneficiar receptores de enxertos de pele em termos de estabilidade do enxerto e da cura de feridas em geral. Além disso, o tempo de cultura foi condensado a partir de 5 semanas a 3 semanas para obter uma construção madura, quando se utiliza MMC, reduzindo os custos.

Introduction

A pele constitui uma barreira de protecção, impedindo a perda de água e entrada de agentes patogénicos. Ele é constituído por três componentes principais; derme ricos do estroma ^1, uma epiderme estratificada ^2,3,4 em cima dela, e a junção dermo-epidérmica entre ^5,6. A derme é composta em grande parte de colágeno e fibras elásticas e é pouco povoada com fibroblastos ^7. Em contraste, a epiderme rica de células é constituída por várias camadas de queratinócitos. Os queratinócitos da camada mais interior são proliferativa e fornecer novas células basais que renovam e substituir os queratinócitos terminalmente diferenciados que movem-se constantemente para o mais exterior da camada da pele e perderam os seus núcleos e o material citoplasmático, resultando numa camada córnea que sofre descamação.

A junção dérmico-epidérmica, um tipo específico de membrana basal, é uma estrutura complexa composta por moléculas que interligam matriz, que tethers da epiderme para a derme. fibras de colágeno I da derme entrelaçado com o colágeno VII fibrilas de ancoragem que são ancorados ao colágeno IV rica lâmina densa. filamentos de ancoragem (laminina 5, XVII colágeno e integrinas), por sua vez ligar a lâmina densa com hemidesmossomos de queratinócitos basais. Os queratinócitos basais (stratum basale) têm a capacidade de proliferar e renovar, bem como diferenciar e estratificar para formar as camadas suprabasais; estrato espinhoso, estrato granuloso, e, finalmente, o estrato córneo, que constitui a superfície de contacto da pele com o meio ambiente. No caminho a partir da camada basal até à camada córnea, queratinócitos mudar os padrões de citoqueratinas de expressão e, por fim, sofrem apoptose e encerram-se em cornificado envelopes, cascos de proteínas específicas que são covalentemente reticulados pela actividade da transglutaminase.

Recriando pele e suas camadas, in vitro, incluindo as estruturas complexas do junção dermo-epidérmica e dérmica matriz extracelular, e emular o processo de queratinização, tem cientistas longa intrigado e bioengenheiros como uma tarefa desafiadora. Tem havido avanços significativos na engenharia de tecido de pele, por exemplo, a extracção com êxito de células da pele de biópsias de pacientes e a geração de culturas organotípicas pele usando células da pele derivada de paciente ^8. No entanto, permanecem por resolver problemas relativos à pobre secreção de proteínas da matriz extracelular pelas células da pele si e resultando em modelos de pele sub-óptimas. Além disso, o tempo necessário para gerar a co-cultura organotípica pele 3D utilizando protocolos correntes varia entre quatro a oito semanas, um período de tempo, que poderia, potencialmente, ser encurtado com a incorporação de Crowders macromoleculares. Reduzindo o tempo de cultura economiza custos reagente, reduz a incidência de senescência celular e reduz o tempo de espera do paciente o produto deve ser utilizado na prática clínica.

t "> Macromoleculares aglomerando (MMC) envolve a introdução de macromoléculas específicas para o meio de cultura para gerar efeitos de volume excluído. Isto afecta as taxas de reacção enzimáticas, incluindo a clivagem proteolítica da pró-colagénio que é tardia sob condições de cultura padrão aquosas ^9-13. De acordo com MMC, as reacções enzimáticas são apressou sem aumentar a quantidade de reagentes ^14,15 resultantes em, no caso de clivagem de pró-colagénio, um aumento da quantidade de colagénio I moléculas em culturas cheio como comparado com os controlos sem aglomeração ^10. à medida que a conversão de pró-colagénio de colagénio permite a formação de colagénio assembléias, fibroblastos cultivados com MMC durante 48 horas produziu significativamente mais colágeno I, em comparação com culturas de fibroblastos desertas monitorados por até quatro semanas ^11,16,17. Além dos efeitos sobre as atividades enzimáticas que afetam a formação, estabilização e remodelação de ECM, MMC também foi mostrado para melhorar directamente e modulam colagénioformação de fibras ^18,19.

Apresentamos aqui um método para aumentar a produção de matriz extracelular (ECM) por células da pele, em particular, fibroblastos da derme e queratinocitos epidérmicos. Além disso, mostramos que a ECM enriquecido produzido sob MMC em culturas em monocamada pode ser descelularizados e usado como matriz derivada de células puro (MDL).

Nós usamos uma abordagem não convencional para visualizar e apreciar plenamente a ECM depositado por células da pele cultivadas com MMC. microscopia de interferência de reflexão é tipicamente utilizada para estudar as interacções célula-matriz ou pontos de contacto célula-a-vidro. Esta técnica foi utilizada no nosso sistema para visualizar a quantidade total de matriz depositado na superfície do vidro. microscopia de interferência reflexão foi acoplado com imunocoloração fluorescente para obter a maior quantidade de informação em termos de composição da matriz extracelular e o padrão, na presença e ausência de MMC.

Organotypic pele co-culturas é um método clássico para modelar a pele in vitro num contexto tridimensional. Enquanto bidimensionais co-culturas podem fornecer informação significativa, é limitado ao traduzir estes dados e aplicando-a de volta para um ambiente in vivo, o que é inerentemente uma estrutura tridimensional. queratinócitos da pele, em particular, são polarizados e contêm segmentos apicais e basais, que são essenciais para a homeostase e adesão celular. Além disso, a expressão de proteínas nos queratinócitos suprabasais típicos acima da camada basal, tais como queratina 1, queratina 10 e filagrina só está presente no decurso da estratificação e diferenciação terminal de queratinócitos. Como diferenciação terminal é dificilmente presente em culturas em monocamada típicos, a expressão da proteína suprabasal normalmente não é conseguido no presente sistema de cultura. Portanto, as culturas organotípicas de começar submerso em meio de cultura, mas são, então, levantada para uma interface ar-líquido para dirigir keratinocyte diferenciação. Isto resulta na expressão de marcadores de estratificação, mesmo cornifica�o e geralmente melhor reflexão da fisiologia epidérmica. Enquanto outros grupos têm gerado anteriormente pele organot�ica co-culturas com sucesso, o estabelecimento de uma zona de junção dermo-epidérmica funcional tem sido um problema. Aqui, apresentamos um novo método para a cultura de pele organot�ica co-culturas com uma membrana basal melhorada, num período de tempo condensado e sem comprometer a maturidade dessas construções. Isso proporcionaria miméticos da pele para modelar in vitro, o estudo da biologia da pele e uma variedade de ensaios de rastreio.

Protocol

1. Macromolecular Crowding em 2D culturas de células da pele 50.000 células de sementeira (fibroblastos primários ou queratinócitos primários ou co-cultura de fibroblastos e queratinócitos primários) por poço de uma placa de 24 poços. Semear as células em 1 ml de meio de crescimento tipo de célula correspondente. Permitir que as células a aderir durante a noite, numa incubadora a 37 ° C em 5% de CO 2. Descartar a velha mídia e substituir com 1 ml de meio fresco con…

Representative Results

Aglomeração macromolecular foi capaz de aumentar a deposição de ECM, em particular, fibroblastos depositado mais colagénio I, IV e fibronectina, em comparação com culturas de controlo (Figura 1, camada celular; 1A, colagénio I; 1B, colagénio IV; 1C, fibronectina). Após a descelularização, era evidente que os fibroblastos eram os principais depositantes de colagénio I, IV e fibronectina, em comparação com o…

Discussion

Enhanced extracellular matrix is obtained upon introduction of macromolecular crowders to cell culture, owing to the excluded volume effect which increases the propeptide cleavage by proteinases. This results in extracellular matrix, in particular collagen, to be processed faster and deposited on the culture surface. While other groups have obtained thick fibroblast cell layers, it involved a culture time of several weeks²⁰. In contrast, MMC described in this Protocol, dramatically shortens the culture time wh…

Materials

Ascorbic acid	Wako	013-12061	Cell culture media additive
Cell culture inserts  (6-well format)	Greiner Bio-One	657610	Organotypic cultures
Citrate solution	Dako	S2369	DakoCytomation Target Retrieval Solution Citrate, pH 6 (x10)
Collagen (rat tail)	Corning	354236	Organotypic cultures
CnT-57	CELLnTEC	CnT-57	Cell culture media
DAB Substrate + chromogen kit	Dako	K3468	Histology
Deep-well plate (6-well format)	Corning	355467	Organotypic cultures
ECL detection reagent	GE Healthcare Life Sciences	RPN2106	Amersham ECL Western Blotting Detection Reagent
Electron microscope (TEM)	JEOL	JEM-1010 (100kV)	Transmission electron microscopy
Fibroblast media (FM)			High Glucose-DMEM + 10% Fetal Bovine Serum + 1% Penicillin Streptomycin
Ficoll PM70	GE Healthcare Life Sciences	17-0310-05	Macromolecular crowder
Ficoll PM400	GE Healthcare Life Sciences	17-0300-05	Macromolecular crowder
Keratinocyte serum-free media (KSFM)	Life Technologies	17005-042	Cell culture media
Lysis buffer	ThermoFisher Scientific	89900	Lysis buffer for protein extraction. A protease inhibitor (Roche, #11836170001) was added to this lysis buffer.
Microscope	Zeiss	LSM510	Red, green and blue channels to visualize AF594, AF488 and DAPI fluorescent immunostainings (40X mag).
Mounting media (Hydromount)	National Diagnostics	HS-106	Fluorescent staining
Mounting media (Cytoseal)	ThermoFisher Scientific	8310-16	Histology (HRP)
OCT compound (Tissue Tek)	Sakura	4583	Embedding for cryotomy
Penicillin-streptomycin antibiotics	Sigma Aldrich	A5955	Cell culture media additive
Primary antibodies
Anti-Collagen I antibody	Abcam	#ab6308
Anti-Collagen Type IV	Novocastra	#NCL-COLL-IV
Anti-collagen VII			LH7.2 (in house)
Anti-Fibronectin antibody	Abcam	#ab2413
Reducing agent	ThermoFisher Scientific	NP0009	Western blot
Sample buffer	ThermoFisher Scientific	NP0008	Western blot
Secondary antibodies (Immunostaining)
4′,6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride (DAPI)	Sigma Aldrich	#D9542
AlexaFluor 594 goat-anti-rabbit	ThermoFisher Scientific	#A-11037
AlexaFluor 594 goat-anti-mouse	ThermoFisher Scientific	#A-11005
AlexaFluor 488 chicken-anti-rabbit	ThermoFisher Scientific	#A-21441
AlexaFluor 488 goat-anti-mouse	ThermoFisher Scientific	#A-11001
Secondary antibodies (HRP)	Dako	Envision + System – HRP Labelled Polymer Anti-Rabbit and Anti-Mouse	undiluted
Sodium deoxycholate	Prodotti Chimicie Alimentari		Decellularization
Stratification media
Dulbecco's Modified Eagle's Medium			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
Ham’s F12			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
10% fetal bovine serum			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
100U/mL penicillin and 100U/mL streptomycin			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
0.4mg/mL hydrocortisone			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
5mg/mL insulin			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
1.8·10-4 M adenine			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
5mg/mL transferrin			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
2·10- 11 M triiodothyronine			Used during the air-liquid interface of organotypic cultures. This media is added to the outside of the cell-culture insert.
Trypsin	Biopolis Shared Facilities	0.125% Trypsin/Versene   pH 7.0 + 0.3	Used to trypsinize cells