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Bioengenharia

微小重力下で増殖させたヒト腸粘膜の多細胞三次元器官型モデルの開発

Published: July 25, 2016
doi:
10.3791/54148
, ,
1Center for Vaccine Development, Department of Pediatrics,University of Maryland School of Medicine, 2Mucosal Immunology and Biology Research Center,Massachusetts General Hospital for Children

Summary

三次元（3-D）環境中で増殖する細胞は、2-D環境（ 例えば 、フラスコまたはディッシュ）で細胞培養上顕著な改善を示します。ここでは、回転-壁容器（RWV）バイオリアクターが提供する微小重力下で培養ヒト腸粘膜の多細胞3次元器官モデルの開発について説明します。

Abstract

三次元（3-D）環境中で増殖する細胞は、多数の2次元環境における細胞培養の隙間（ 例えば 、フラスコまたはディッシュ）をブリッジする可能性があるからです。実際には、広くフラスコまたはディッシュで増殖した細胞は、脱分化し、それらが由来する組織の特殊な機能を失う傾向があることが認識されます。 （a）は、静的モデルとバイオリアクターを用いて（b）のモデル：現在、天然の細胞外マトリックス（ECM）を模倣する細胞が足場に播種される3-D培養系の2種類が主に存在します。最初のブレークスルーは、静的な3次元モデルでした。このような回転-壁容器（RWV）バイオリアクターなどのバイオリアクターを用いた3次元モデルは、より最近開発されています。 RWVバイオリアクターのオリジナルのコンセプトは、1990年代初頭にNASAのジョンソン宇宙センターで開発された、そのような低酸素性、壊死性コアの開発のような静的なモデルの限界を克服すると考えられています。 RWVバイオリアクターは、番目のを回避する可能性があります栄養と酸素の効率的な拡散を可能にする流体力学を提供することによって、問題です。これらのバイオリアクターは、彼らの曝気源の種類によって異なる培養容器の二つの異なるフォーマットをサポートし、回転させるのに役立つローテータベースで構成されています。中心部に同軸人工肺で（1）スローターニング横船舶（STLVsを）、または（2フラット、シリコーンゴムガス転写膜を介して酸素との）高アスペクト比の船舶（HARVs）。バブル形成とその結果としての乱流を回避しながら、これらの血管は、効率的なガス移動を可能にします。これらの条件は、モデルは、培養容器内部の重力（重力）を低減し、層流と最小限のせん断力が生じます。ここでは、RWVバイオリアクターが提供する腸上皮細胞株および一次ヒトリンパ球、微小重力下で培養内皮細胞および線維芽細胞から成るヒト腸粘膜の多細胞3次元器官モデルの開発について説明します。</ P>

Introduction

改善するために、最初の3-Dモデルを構築する画期的な科学者は、足場の異なるタイプの調査を開始したときに、1980年代の初頭に報告された（ 例えば 、ラミニン、コラーゲンタイプI、コラーゲンIV、およびフィブロネクチン）および成長因子のカクテル「静的」3次元モデル1-7の細胞と細胞とECMの相互作用。それ以来、これらのモデルの主な問題点は、媒体および組織の構築8内の栄養と酸素の転送の制限となっています。血管のネットワークを周囲から栄養と酸素の定常流を受ける生体内環境での細胞とは対照的に、これらのモデルの静的な性質は、細胞へのそれらの効果的な分散を妨げます。例えば、 インビトロで生成された細胞凝集体のサイズは数ミリを超える静的モデルは常に低酸素性、壊死性コア9を開発します。 RWVバイオリアクターは、この問題を回避する可能性があります栄養素および酸素10〜12の効率的な拡散を可能にする流体力学を提供することによって。しかし、今日まで、RWVバイオリアクターを使用して作業は、1つまたは2つの細胞型13〜17を含むことに限定されています。また、代わりにネイティブの組織に似た空間的配向の、それらの細胞は、細胞凝集体を形成しました。これらの制限の主な理由は、一元的に細胞を組み込むことができる足場の欠如となっています。現在までにRWVバイオリアクターで使用される足場は、主に合成マイクロビーズ、チューブ状の円筒又は小シート13-15,19-23のいくつかの例外を除い16-18、で、構成されています。これらは、その組成や柔軟性に操作することができず、その細胞がその表面に結合して硬い材料です。したがって、一体的に、そのようなことだ間質細胞（ 例えば 、線維芽細胞、免疫細胞および内皮細胞）のような種々の細胞成分、これらのモデルを評価するには、システムを提供するとは考えにくいですhouldは密接にヒト組織を模倣するために、足場内に分散します。

ここでは、腸上皮細胞株および一次ヒトリンパ球、内皮細胞からなるヒト腸粘膜の多3次元器官型モデルの開発について説明し、線維芽細胞24。これらの細胞は、RWVバイオリアクター13,25-30によって提供微小重力下で培養しました。我々の3-Dモデルでは、ECM（ 例えば 、培養中に、無視できる拡散拘束）は、培地に類似オスモル濃度などの多くの異なる特性を有し、細胞および他の関連する細胞外マトリックスタンパク質を取り込む能力、ならびにバイオリアクター24において使用される適切な剛性。生物学的システムは非常に複雑であり、過去数年間、isolatioでそれらを勉強するのではなく、その周囲との細胞の相互作用の検討に向けて粘膜研究の焦点のずれがありましたn個。具体的には、腸細胞の生存および分化に影響を与えるで細胞-細胞相互作用の重要性はよく31-34に記載されています。具体的には、上皮細胞とそのニッチとの間の通信は、上皮細胞の増殖と分化35に多大な影響を与えています。実際、それは広く受け入れられていることだけでなく、細胞間だけでなく、細胞 – ECM相互作用が3次元培養モデルにおける上皮細胞の維持および分化に重要です。以前の研究は、コラーゲンI 24,36,37、ラミニン38およびフィブロネクチン39は、ネイティブの粘膜に似た空間的配向を獲得するために腸上皮細胞に影響を与えることに尽力しているとして、その腸のECMタンパク質を実証しました。したがって、腸の表現型の多様性を模倣することができ、当社の3次元モデル24、のような新しい技術の開発が必要とされている研究者は、複雑な細胞及び構造のアーキテクチャを再作成する場合および腸の微小環境の機能。これらのモデルは、新しい経口薬やワクチン候補の開発および評価における重要なツールを表します。

Protocol

倫理の声明：すべての血液標本は、プロトコル番号HP-00040025から1に参加したボランティアから採取しました。メリーランド大学施設内倫理委員会は、このプロトコルを承認し、この原稿に含まれた研​​究のための健康なボランティアからの血液標本のコレクションを承認しました。本研究の目的は、ボランティアに説明した、そしてすべてのボランティアが知らさ与えた、採血前に同意書に?…

Representative Results

これまで我々は、腸上皮細胞株および一次ヒトリンパ球、微小重力条件24（ 図1）で培養内皮細胞および線維芽細胞からなるヒトの腸粘膜の多細胞3次元器官モデルを設計してきました。線維芽細胞および内皮細胞は、追加の腸基底膜タンパク質45（ すなわち 、ラミニン、コラーゲンIV、フィブロネクチン及びヘパリン硫酸プロ?…

Discussion

本稿では、一次ヒトリンパ球、線維芽細胞、および内皮細胞、ならびに腸上皮細胞株24を含む倍数細胞型から成る、ヒト腸粘膜の生物工学モデルの開発を記載します。この3次元モデルでは、細胞は、微小重力条件下24の下で、コラーゲンが豊富な細胞外マトリックス内で培養されます。

前述したように、このモデルの主な特徴は次の通りである：（…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported, in part, by NIAID, NIH, DHHS federal research grants R01 AI036525 and U19 AI082655 (CCHI) to MBS and by NIH grant DK048373 to AF. The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Institute of Allergy And Infectious Diseases or the National Institutes of Health.

Materials

Quad Rotator/Independent Rotating Wall Vessel (RWV) bioreactor  Synthecon RCCs-4DQ For up to 4 vessels. Models with more or less vessels are also available.
Disposable 50 ml-vessel Synthecon D-405 Box with 4 vessels
HCT-8 epithelial cells  ATCC CCL-244
CCD-18Co Fibroblasts  ATCC CRL-1459
Human Umbilical Vein Endothelial Cells ATCC CRL-1730 HUVEC
Fibroblast Growth Factor-Basic  Sigma F0291 bFGF
Stem Cell Factor  Sigma S7901 SCF
Hepatocyte Growth Factor  Sigma H1404 HGF
Endothelin 3 Sigma E9137
Laminin Sigma L2020 Isolated from mouse Engelbreth-Holm-Swarm tumor
Vascular Endothelial Growth Factor  Sigma V7259 VEGF
Leukemia Inhibitory Factor  Santa Cruz sc-4377 (LIF
Adenine Sigma A2786
Insulin Sigma I-6634
3,3',5-triiodo-L-thyronine  Sigma T-6397 T3
Cholera Toxin Sigma C-8052
Fibronectin BD 354008 Isolated from human plasma
apo-Transferrin Sigma T-1147
Heparin Sigma H3149
Heparan sulfate  proteoglycan Sigma H4777 Isolated from basement membrane of mouse  Engelbreth-Holm-Swarm tumor
Collagen IV Sigma C5533 Isolated from human placenta
Heat-inactivated fetal bovine serum  Invitrogen 10437-028
D-MEM, powder Invitrogen 12800-017
10% formalin–PBS  Fisher Scientific SF100-4
Bovine type I collagen  Invitrogen A1064401
Trypsin-EDTA  Fisher Scientific MT25-052-CI
Sodium pyruvate Invitrogen 11360-070
Gentamicin  Invitrogen 15750-060
Penicillin/streptomincin  Invitrogen 15140-122
L-Glutamine Invitrogen 25030-081
Hepes Invitrogen 15630-080
Ham's F-12 Invitrogen 11765-054
Basal Medium Eagle Invitrogen 21010-046 BME
RPMI-1640 Invitrogen 11875-093
Endothelial Basal Medium Lonza CC-3156 EBM-2
Endothelial cell growth supplement Millipore 02-102 ECGS
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Salerno-Goncalves, R., Fasano, A., Sztein, M. B. Development of a Multicellular Three-dimensional Organotypic Model of the Human Intestinal Mucosa Grown Under Microgravity. J. Vis. Exp. (113), e54148, doi:10.3791/54148 (2016).
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