Summary

3D Bioprinting Phototunable Hydrogels til undersøgelse af fibroblastaktivering

Published: June 30, 2023
doi:

Summary

Denne artikel beskriver, hvordan man 3D bioprinter fototjusterbare hydrogeler for at studere ekstracellulær matrixafstivning og fibroblastaktivering.

Abstract

Fototjusterbare hydrogeler kan transformere rumligt og tidsmæssigt som reaktion på lyseksponering. Inkorporering af disse typer biomaterialer i cellekulturplatforme og dynamisk udløsende ændringer, såsom øget mikromiljømæssig stivhed, gør det muligt for forskere at modellere ændringer i den ekstracellulære matrix (ECM), der opstår under fibrotisk sygdomsprogression. Heri præsenteres en metode til 3D-bioprint af et fototunable hydrogelbiomateriale, der er i stand til to sekventielle polymerisationsreaktioner i et gelatinestøttebad. Teknikken med Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) bioprint blev tilpasset ved at justere pH i støttebadet for at lette en Michael-additionsreaktion. Først blev bioblækket indeholdende poly(ethylenglycol)-alfamethacrylat (PEGαMA) omsat off-støkiometri med en cellenedbrydelig tværbinding til dannelse af bløde hydrogeler. Disse bløde hydrogeler blev senere udsat for fotoinitator og lys for at inducere homopolymerisation af ureagerede grupper og stive hydrogelen. Denne protokol dækker hydrogelsyntese, 3D-bioprint, fotostiffening og slutpunktskarakteriseringer til vurdering af fibroblastaktivering inden for 3D-strukturer. Metoden, der præsenteres her, gør det muligt for forskere at 3D-bioprinte en række materialer, der gennemgår pH-katalyserede polymerisationsreaktioner og kunne implementeres for at konstruere forskellige modeller af vævshomeostase, sygdom og reparation.

Introduction

3D-bioprint er en transformativ teknologi, der gør det muligt for forskere præcist at deponere celler og biomaterialer inden for 3D-volumener og genskabe den komplekse hierarkiske struktur af biologisk væv. I løbet af det sidste årti har fremskridt inden for 3D-bioprint skabt bankende humant hjertevæv1, funktionelle modeller af nyrevæv2, modeller for gasudveksling i lungen3 og tumormodeller til kræftforskning4. Opfindelsen af indlejrede 3D-bioprintteknikker, såsom Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogel (FRESH) bioprinting, har gjort det muligt at reproducere komplekse bløddelsstrukturer såsom lungeblodkar5 og endda menneskehjerte6 i 3D. FRESH 3D-bioprinting letter lag-for-lag-udskrivning af blødt bioblæk med lav viskositet gennem ekstrudering i et forskydningsfortyndende støttebad. Støttebadet består af et materiale såsom tæt pakkede gelatinemikropartikler, der fungerer som en Bingham-plast og opretholder den tilsigtede form og struktur af bioblækket efter udskrivning. Når den trykte konstruktion er størknet, kan støttebadet opløses væk ved at øge temperaturen til 37 °C7.

En nylig oversigtsartikel opsummerede de materialer, der er blevet 3D-bioprintet i forskellige publikationer ved hjælp af FRESH-teknik. Disse naturligt afledte materialer spænder fra kollagen type I til methacryleret hyaluronsyre og repræsenterer flere forskellige geleringsmekanismer7. De fleste forskningsundersøgelser udført ved hjælp af denne 3D-bioprintteknik anvender statiske biomaterialer, der ikke ændres som reaktion på eksterne stimuli. Dynamiske fototunable hydrogel biomaterialer er blevet brugt af vores laboratorium og andre 8,9,10,11,12 til at modellere en række fibrotiske sygdomme. I modsætning til statiske biomaterialer giver fototjusterbare bioblæk mulighed for at skabe en blødgjort model med lavere elastisk modulværdi og senere stivne for at udforske cellulære reaktioner på stigninger i mikromiljømæssig afstivning.

Fibrotiske sygdomme er kendetegnet ved en stigning i den ekstracellulære matrixproduktion, der kan forårsage ardannelse og stivhed13. Vævsafstivning kan indlede yderligere skade og ødelæggelse af det påvirkede væv, hvilket forårsager permanent organskade og endda død; Fibrotiske lidelser er ansvarlige for en tredjedel af dødeligheden på verdensplan. Fibroblaster producerer overskydende og afvigende ekstracellulær matrix i denne sygdomstilstand14,15. Øget fibroblastproliferation og ekstracellulær matrixaflejring stiver vævet yderligere og aktiverer en profibrotisk positiv feedback-sløjfe16,17,18,19. At studere fibroblastaktivering er afgørende for at forstå fibrotiske sygdomme. Her præsenterer vi human pulmonal arteriel hypertension (PAH) som et eksempel på en fibrotisk lidelse, hvor det er vigtigt at efterligne blodkarets 3D-geometri ved hjælp af 3D-bioprint og introducere de dynamiske afstivningsevner hos fototjusterbare hydrogeler. PAH er en tilstand, hvor trykket i de vigtigste lungearterier overstiger normale niveauer og lægger pres på hjertet, øger human pulmonal arterie adventitial fibroblast (HPAAF) aktivering og stiver blodkarrenevæv 16,17,18,19. En fototunable poly(ethylenglycol)-alpha methacrylat (PEGαMA) bioink-formulering giver mulighed for tidsmæssig afstivning i konstruktioner og hjælper med at modellere både sundt væv og sygdomsprogression 5,8,9,10. Udnyttelse af denne unikke funktion muliggør kvantificering af HPAAF-aktivering og spredning som reaktion på mikromiljømæssig afstivning i 3D og kan give værdifuld indsigt i de cellulære mekanismer, der er involveret i denne sygdom. Protokollen beskrevet her vil give forskere mulighed for at oprette 3D-modeller, der rekapitulerer ændringer i det ekstracellulære mikromiljø under sygdomsprogression eller vævsreparation og studerer fibroblastaktivering.

Protocol

1. PEGαMA syntese og karakterisering BEMÆRK: Poly(ethylenglycol)-alfamethacrylat (PEGαMA) syntese blev tilpasset fra Hewawasam et al . og udført under fugtfrie forhold9. Væg reaktanterne.BEMÆRK: Afvej f.eks. 5 g 10 kg/mol 8-armet PEG-hydroxyl (PEG-OH) og 0,38 g natriumhydrid (NaH) (se materialetabel). Tilsæt en rørestang til 250 ml Schlenk-kolbe og rens med argon. PEG-OH opløses i den …

Representative Results

Denne protokol beskriver, hvordan man 3D-bioprinter fototjusterbare hydrogeler i et støttebad for at skabe konstruktioner, der er i stand til dynamisk og tidsmæssig afstivning til undersøgelse af fibroblastaktivering i geometrier, der efterligner humant væv. For det første forklarede protokollen, hvordan man syntetiserer PEGαMA, rygraden i dette fototable polymersystem. Målinger af kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi viste vellykket PEGαMA-funktionalisering ved 96,5% (figur 1)…

Discussion

Totrinspolymerisationsreaktioner som reaktion på kontrolleret lyseksponering kan stivne biomaterialer med rumlig og tidsmæssig kontrol. Flere undersøgelser har udnyttet denne teknik til at evaluere cellematrixinteraktioner i forskellige platforme 5,8,9,10,11,21,22,23.<sup class…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne anerkende Dr. Adam Feinberg (Carnegie Mellon University) og dem, der var vært for 3D Bioprinting Open-Source Workshop. Disse personer gjorde det muligt at lære teknikkerne til FRESH bioprint og bygge den 3D-bioprinter, der blev brugt til disse undersøgelser. Derudover vil forfatterne gerne anerkende Biorender.com, som blev brugt til at producere figurer i dette manuskript. Dette arbejde blev støttet af flere grupper eller finansieringskilder, herunder Rose Community Foundation (DDH og CMM), en Colorado Pulmonary Vascular Disease Research Award (DDH og CMM), National Science Foundation under Award 1941401 (CMM), Department of the Army under Award W81XWH-20-1-0037 (CMM), National Cancer Institute of NIH under Award R21 CA252172 (CMM), Ludeman Family Center for Women’s Health Research ved University of Colorado Anschutz Medical Campus (DDH og CMM), National Heart, Lung and Blood Institute of National Institutes of Health under Awards R01 HL080396 (CMM), R01 HL153096 (CMM), F31 HL151122 (DDH) og T32 HL072738 (DDH og AT).

Materials

AccuMax Radiometer/Photometer Kit Spectronics Corporation XPR-3000 To measure light intensity, used for photostiffening
Acetic Acid  Fisher Scientific BP2401-500 Used during PEGaMA synthesis
Acetone Fisher Scientific A184 Used with the cryosections
ActinGreen 488 ReadyProbes Fisher Scientific R37110 Used for staining
Aluminum Foil Reynolds F28028
Anhydrous Tetrahydrofuran (THF) Sigma-Aldrich 401757-1L Used during PEGaMA synthesis
Argon Compressed Gas Airgas AR R300 Used during PEGaMA synthesis
8 Arm Poly(ethylene glycol)-hydroxyl (PEG-OH) JenKem Technology 8ARM-PEG-10K Used during PEGaMA synthesis
365 nm Bandpass Filter Edmund Optics 65-191 Used for photostiffening
Bovine Serum Albumin (BSA) Fisher Scientific BP9700-100 Used during staining process
Buchner Funnel Quark Glass QFN-8-14 Used during PEGaMA synthesis
Calcein AM Invitrogen 65-0853-39 Used during staining process
Celite 545 (Filtration Aid) EMD Millipore CX0574-1 Used during PEGaMA synthesis
Charged Microscope Slides Globe Scientific 1358W
Chloroform-d Sigma-Aldrich 151823-10X0.75ML Used to characterize PEGaMA
Click-iT Plus EdU Cell Proliferation Kit Invitrogen C10637 Used for staining
50 mL Conical Tubes CELLTREAT 667050B
Cryogenic Safety Kit Cole-Parmer EW-25000-85
Cryostat Leica CM 1850-3-1
Dialysis Tubing Repligen 132105
4’,6-Diamidino-2-Phylindole (DAPI) Sigma-Aldrich D9542-1MG Used for staining
Diethyl Ether Fisher Scientific E1384 Used during PEGaMA synthesis
1,4-Dithiothreitol (DTT)  Sigma-Aldrich 10197777001 Bioink component
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) Cytiva SH30271.FS
Ethyl 2-(Bromomethyl)Acrylate (EBrMA) Ambeed Inc. A918087-25g Used during PEGaMA synthesis
Filter Paper Whatman 1001-090 Used during PEGaMA synthesis
Freezone 2.5L Freeze Dry System Labconco LA-2.5LR Lyophilizer
Fusion 360 Autodesk N/A Software download
2.5 mL Gastight Syringe Hamilton 81420 Used for bioprinting
15 Gauge 1.5" IT Series Tip Jensen Global JG15-1.5X Used for bioprinting
30 Gauge 0.5" HP Series Tip Jensen Global JG30-0.5HPX Used for bioprinting
Goat Anti-Mouse Alexa Fluor 555 Antibody Fisher Scientific A21422 Used for staining
Glycine Fisher Scientific C2H5NO2 Used during staining process
Hemocytometer Fisher Scientific 1461
Hoechst Thermo Scientific 62249 Used during staining process
Human Pulmonary Artery Adventitial Fibroblasts (HPAAFs) AcceGen ABC-TC3773  From a 2-year-old male patient
Hydrochloric Acid (HCl) Fisher Scientific A144-500 Used to pH adjust solutions
ImageJ National Institutes of Health (NIH) N/A Free software download
ImmEdge® Pen Vector Laboratories H-4000 Used during staining process
Incubator VWR VWR51014991
LifeSupport Gelatin Microparticle Slurry (Gelatin Slurry) Advanced Biomatrix 5244-10GM Used for bioprinting
Light Microscope Olympus CKX53 Inverted light microscope
Lithium Phenyl-2,4,6-Trimethylbenzoylphosphinate (LAP) Sigma-Aldrich 900889-5G Photoinitiator used for photostiffening
Liquid Nitrogen N/A N/A
LulzBot Mini 2  LulzBot N/A Bioprinter adapted
Methacryloxyethyl Thiocarbamoyl Rhodamine B  Polysciences Inc. 669775-30-8
2-Methylbutane Sigma-Aldrich M32631-4L
Microman Capillary Pistons CP1000 VWR 76178-166 Positive displacement pipette tips
MMP2 Degradable Crosslinker (KCGGPQGIWGQGCK) GL Biochem N/A Bioink component
Mouse Anti-Human αSMA Monoclonal Antibody Fisher Scientific MA5-11547 Used for staining
OmniCure Series 2000  Lumen Dynamics S2000-XLA UV light source used for photostiffening
Paraformaldehyde (PFA)  Electron Microscopy Sciences 15710 Used to fix samples
pH Meter Mettler Toledo  FP20 
pH Strips Cytiva 10362010
Phosphate Buffered Saline (PBS) Hyclone Laboratories, Inc. Cytiva SH30256.FS
Pipette Set Fisher Scientific 14-388-100
10 µL Pipette Tips USA Scientific 1120-3710
20 µL Pipette Tips USA Scientific 1183-1510
200 µL Pipette Tips USA Scientific 1111-0700
1000 µL Pipette Tips USA Scientific 1111-2721
Poly(Ethylene Glycol)-Alpha Methacrylate (PEGαMA) N/A N/A Refer to manuscript for synthesis steps
Poly(Ethylene Oxide) (PEO) Sigma-Aldrich 372773-250G Bioink component
Positive Displacement Pipette Fisher Scientific FD10004G 100-1000 µL
Potassium Hydroxide (KOH) Sigma-Aldrich 221473-500G Used to pH adjust solutions
ProLong Gold Antifade Reagent Invitrogen P36930 Used during staining process
Pronterface All3DP N/A Software download
Propidium Iodide Sigma-Aldrich P4864-10ML Used for staining
RGD Peptide (CGRGDS) GL Biochem N/A Bioink component
Rocker VWR 10127-876
Rotary Evaporator  Thomas Scientific 11100V2022 Used during PEGaMA synthesis
Rubber Band Staples 808659
Schlenk Flask  Kemtech America F902450 Used during PEGaMA synthesis
Slic3r Slic3r N/A Software download
Smooth Muscle Cell Growth Medium-2 (SmGM-2) BulletKit Lonza CC-3182 Kit contains CC-3181 and CC-4149 components
Sodium Hydride  Sigma-Aldrich 223441-50G Used during PEGaMA synthesis
Sorvall ST 40R Centrifuge Fisher Scientific 75-004-525
Stir Bar VWR 58948-091
Syringe Filter VWR 28145-483 Used to sterile filter solutions
T-75 Tissue-Cultured Treated Flask VWR 82050-856 Used for cell culture work
Tissue-Tek Cyromold Sakura 4557
Tissue-Tek O.C.T Compound (OCT) Sakura 4583
Tris(2-Carboxyethyl) Phosphine (TCEP) Sigma-Aldrich C4706-2G
Triton X-100 Fisher Bioreagents C34H622O11 Used during staining process
Trypan Blue Sigma-Aldrich T8154-20ML Used for cell culture work
0.05% Trypsin-EDTA Gibco 25-300-062 Used for cell culture work
Tween 20 Fisher Bioreagents C58H114O26 Used during staining process
Upright Microscope Olympus BX63F Fluorescent microscope capabilities
Water Bath PolyScience WBE20A11B
24-Well Tissue Culture Plates Corning 3527

References

  1. Ahrens, J. H., et al. Programming cellular alignment in engineered cardiac tissue via bioprinting anisotropic organ building blocks. Advanced Materials. 34 (26), e2200217 (2022).
  2. Lin, N. Y. C., et al. Renal reabsorption in 3D vascularized proximal tubule models. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (12), 5399-5404 (2019).
  3. Grigoryan, B., et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science. 364 (6439), 458-464 (2019).
  4. Kang, Y., Datta, P., Shanmughapriya, S., Ozbolat, I. T. 3D bioprinting of tumor models for cancer research. ACS Applied Biomaterials. 3 (9), 5552-5573 (2020).
  5. Davis-Hall, D., Thomas, E., Pena, B., Magin, C. M. 3D-bioprinted, phototunable hydrogel models for studying adventitial fibroblast activation in pulmonary arterial hypertension. Biofabrication. 15 (1), (2022).
  6. Mirdamadi, E., Tashman, J. W., Shiwarski, D. J., Palchesko, R. N., Feinberg, A. W. FRESH 3D bioprinting of a full-size model of the human heart. ACS Biomaterials Science & Engineering. 6 (11), 6453-6459 (2020).
  7. Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W., Feinberg, A. W. Emergence of FRESH 3D printing as a platform for advanced tissue biofabrication. APL Bioengineering. 5 (1), 010904 (2021).
  8. Petrou, C. L., et al. Clickable decellularized extracellular matrix as a new tool for building hybrid hydrogels to model chronic fibrotic diseases in vitro. Journal of Materials Chemistry B. 8 (31), 6814-6826 (2020).
  9. Hewawasam, R. S., Blomberg, R., Serbedzija, P., Magin, C. M. Chemical modification of human decellularized extracellular matrix for incorporation into phototunable hybrid hydrogel models of tissue fibrosis. ACS Applied Materials & Interfaces. 15 (12), 15071-15083 (2023).
  10. Saleh, K. S., et al. Engineering hybrid hydrogels comprised healthy or diseased decellularized extracellular matrix to study pulmonary fibrosis. Cellular and Molecular Bioengineering. 15 (5), 505-519 (2022).
  11. Guvendiren, M., Burdick, J. A. Stiffening hydrogels to probe short- and long-term cellular responses to dynamic mechanics. Nature Communications. 3, 792 (2012).
  12. Rosales, A. M., Vega, S. L., DelRio, F. W., Burdick, J. A., Anseth, K. S. Hydrogels with reversible mechanics to probe dynamic cell microenvironments. Angewandte Chemie International Edition English. 56 (40), 12132-12136 (2017).
  13. Wynn, T. A., Ramalingam, T. R. Mechanisms of fibrosis: therapeutic translation for fibrotic disease. Nature Medicine. 18 (7), 1028-1040 (2012).
  14. Huertas, A., Tu, L., Humbert, M., Guignabert, C. Chronic inflammation within the vascular wall in pulmonary arterial hypertension: more than a spectator. Cardiovascular Research. 116 (5), 885-893 (2020).
  15. Kendall, R. T., Feghali-Bostwick, C. A. Fibroblasts in fibrosis: novel roles and mediators. Frontiers in Pharmacology. 5, 123 (2014).
  16. Parker, M. W., et al. Fibrotic extracellular matrix activates a profibrotic positive feedback loop. The Journal of Clinical Investigation. 124 (4), 1622-1635 (2014).
  17. Habiel, D. M., Hogaboam, C. Heterogeneity in fibroblast proliferation and survival in idiopathic pulmonary fibrosis. Frontiers in Pharmacology. 5, 2 (2014).
  18. Hu, C. J., Zhang, H., Laux, A., Pullamsetti, S. S., Stenmark, K. R. Mechanisms contributing to persistently activated cell phenotypes in pulmonary hypertension. The Journal of Physiology. 597 (4), 1103-1119 (2019).
  19. Li, M., et al. Emergence of fibroblasts with a proinflammatory epigenetically altered phenotype in severe hypoxic pulmonary hypertension. The Journal of Immunology. 187 (5), 2711-2722 (2011).
  20. Hinton, T. J., et al. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform-reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 1 (9), e1500758 (2015).
  21. Brown, T. E., et al. Secondary photocrosslinking of click hydrogels to probe myoblast mechanotransduction in three dimensions. Journal of the American Chemical Society. 140 (37), 11585-11588 (2018).
  22. Ondeck, M. G., et al. Dynamically stiffened matrix promotes malignant transformation of mammary epithelial cells via collective mechanical signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (9), 3502-3507 (2019).
  23. Caliari, S. R., et al. Stiffening hydrogels for investigating the dynamics of hepatic stellate cell mechanotransduction during myofibroblast activation. Scientific Reports. 6, 21387 (2016).
  24. Liu, F., et al. Feedback amplification of fibrosis through matrix stiffening and COX-2 suppression. Journal of Cell Biology. 190 (4), 693-706 (2010).
  25. Tschumperlin, D. J., Ligresti, G., Hilscher, M. B., Shah, V. H. Mechanosensing and fibrosis. The Journal of Clinical Investigation. 128 (1), 74-84 (2018).
  26. Chelladurai, P., Seeger, W., Pullamsetti, S. S. Matrix metalloproteinases and their inhibitors in pulmonary hypertension. European Respiratory Journal. 40 (3), 766-782 (2012).
  27. Caracena, T., et al. Alveolar epithelial cells and microenvironmental stiffness synergistically drive fibroblast activation in three-dimensional hydrogel lung models. Biomaterials Science. 10 (24), 7133-7148 (2022).
  28. Ruskowitz, E. R., DeForest, C. A. Proteome-wide analysis of cellular response to ultraviolet light for biomaterial synthesis and modification. ACS Biomaterials Science & Engineering. 5 (5), 2111-2116 (2019).
  29. Kruse, C. R., et al. The effect of pH on cell viability, cell migration, cell proliferation, wound closure, and wound reepithelialization: In vitro and in vivo study. Wound Repair and Regeneration. 25 (2), 260-269 (2017).
  30. Filippi, M., et al. Perfusable biohybrid designs for bioprinted skeletal muscle tissue. Advanced Healthcare Materials. , e1500758 (2023).
  31. Matthiesen, I., et al. Astrocyte 3D culture and bioprinting using peptide-functionalized hyaluronan hydrogels. Science and Technology of Advanced Materials. 24 (1), 2165871 (2023).
  32. Xu, L., et al. Bioprinting a skin patch with dual-crosslinked gelatin (GelMA) and silk fibroin (SilMA): An approach to accelerating cutaneous wound healing. Materials Today Bio. 18, 100550 (2023).
  33. Bliley, J. M., Shiwarski, D. J., Feinberg, A. W. 3D-bioprinted human tissue and the path toward clinical translation. Science Translational Medicine. 14 (666), eabo7047 (2022).
check_url/kr/65639?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Tanneberger, A. E., Blair, L., Davis-Hall, D., Magin, C. M. 3D Bioprinting Phototunable Hydrogels to Study Fibroblast Activation. J. Vis. Exp. (196), e65639, doi:10.3791/65639 (2023).

View Video