انتشار خلايا وأعضاء الأسنان والجهاز التنفسي في الجاذبية الصغرى
Summary
يقدم هذا البروتوكول طريقة للثقافة ونمو 3D للخلايا الشبيهة بالأرومة المينائية في الجاذبية الصغرى للحفاظ على شكلها الممدود والمستقطب بالإضافة إلى تعبير البروتين الخاص بالمينا. كما يتم وصف ظروف الثقافة لثقافة التركيبات الهندسية للثة وأعضاء الرئة في الجاذبية الصغرى.
Abstract
الجاذبية هي واحدة من المحددات الرئيسية لوظيفة الخلية البشرية ، والانتشار ، والبنية الهيكلية الخلوية والتوجه. تحاكي أنظمة المفاعلات الحيوية الدوارة (RCCSs) فقدان الجاذبية عند حدوثه في الفضاء وتوفر بدلا من ذلك بيئة الجاذبية الصغرى من خلال الدوران المستمر للخلايا أو الأنسجة المستزرعة. تضمن هذه RCCSs إمدادا غير منقطع من العناصر الغذائية وعوامل النمو والنسخ والأكسجين ، وتعالج بعض أوجه القصور في قوى الجاذبية في أطباق زراعة الخلايا أو الأعضاء 2D (ثنائية الأبعاد) بلا حراك. في الدراسة الحالية ، استخدمنا RCCSs لمشاركة خلايا حلقة عنق الرحم وخلايا لب الأسنان لتصبح أرومات مينائية ، لتوصيف تفاعلات السلف / السقالة اللثوية ، ولتحديد تأثير الالتهاب على الحويصلات الهوائية الرئوية. سهلت بيئات RCCS نمو الخلايا الشبيهة بالأرومات المينائية ، وعززت تكاثر السلف اللثوي استجابة لطلاء السقالات ، وسمحت بتقييم آثار التغيرات الالتهابية على الحويصلات الهوائية الرئوية المزروعة. تلخص هذه المخطوطة الظروف البيئية والمواد والخطوات على طول الطريق وتسلط الضوء على الجوانب الهامة والتفاصيل التجريبية. في الختام ، RCCSs هي أدوات مبتكرة لإتقان الثقافة والنمو ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) للخلايا في المختبر والسماح بدراسة الأنظمة الخلوية أو التفاعلات غير القابلة لبيئات ثقافة 2D الكلاسيكية.
Introduction
تؤثر الجاذبية على جميع جوانب الحياة على الأرض ، بما في ذلك بيولوجيا الخلايا الفردية ووظيفتها داخل الكائنات الحية. تستشعر الخلايا الجاذبية من خلال المستقبلات الميكانيكية وتستجيب للتغيرات في الجاذبية عن طريق إعادة تكوين البنى الهيكلية الخلوية وتغيير انقسام الخلايا1،2،3. تشمل التأثيرات الأخرى للجاذبية الصغرى الضغط الهيدروستاتيكي في الحويصلات المملوءة بالسوائل ، وترسيب العضيات ، والحمل الحراري المدفوع بالطفو للتدفق والحرارة4. أجريت دراسات حول تأثير فقدان الجاذبية على الخلايا والأعضاء البشرية في الأصل لمحاكاة بيئة الفضاء عديمة الوزن على رواد الفضاء أثناء بعثات الرحلات الفضائية5. ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، أصبحت تقنيات المفاعلات الحيوية ثلاثية الأبعاد هذه التي طورتها ناسا في الأصل لمحاكاة الجاذبية الصغرى ذات أهمية متزايدة كنهج جديدة لثقافة مجموعات الخلايا التي لا تكون قابلة لأنظمة الثقافة 2D.
تحاكي المفاعلات الحيوية 3D الجاذبية الصغرى عن طريق نمو الخلايا المعلقة وبالتالي خلق تأثير “السقوط الحر” المستمر. تشمل المزايا الأخرى للمفاعلات الحيوية الدوارة عدم التعرض للهواء الذي تصادفه أنظمة زراعة الأعضاء ، وتقليل إجهاد القص والاضطراب ، والتعرض المستمر لإمدادات متغيرة من العناصر الغذائية. هذه الظروف الديناميكية التي يوفرها المفاعل الحيوي لنظام زراعة الخلايا الدوارة (RCCS) تفضل التوطين المكاني المشترك والتجميع ثلاثي الأبعاد للخلايا المفردة في مجاميع 6,7.
أظهرت الدراسات السابقة مزايا المفاعل الحيوي الدوار لتجديد العظام8 ، وزراعة جرثومة الأسنان9 ، ولزراعة خلايا بصيلات الأسنان البشرية10. كان هناك أيضا تقرير يشير إلى أن RCCS يعزز تكاثر خلايا EOE والتمايز إلى الأرومات المينائية11. ومع ذلك ، تم اعتبار الخلايا المتمايزة أرومات مينائية بناء على التألق المناعي للأميلوبلاستين و / أو تعبير الأميلوجينين وحده11 دون النظر في مورفولوجيتها الممدودة أو شكل الخلية المستقطبة.
بالإضافة إلى المفاعل الحيوي لأوعية الجدار الدوار (RWV) الذي طورته وكالة ناسا ، تشمل التقنيات الأخرى لتوليد مجاميع 3D من الخلايا الرفع المغناطيسي ، وآلة تحديد المواقع العشوائية (RPM) و clinostat12. لتحقيق الرفع المغناطيسي ، يتم رفع الخلايا الموسومة بجسيمات نانوية مغناطيسية باستخدام قوة مغناطيسية خارجية ، مما يؤدي إلى تكوين هياكل ثلاثية الأبعاد خالية من السقالات تم استخدامها للتصنيع الحيوي لهياكل الخلايا الشحمية13،14،15. هناك طريقة أخرى لمحاكاة الجاذبية الصغرى وهي توليد قوى G متعددة الاتجاهات عن طريق التحكم في الدوران المتزامن حول محورين مما يؤدي إلى إلغاء متجه الجاذبية التراكمي في مركز جهاز يسمى clinostat16. عندما تم استزراع الخلايا الجذعية لنخاع العظم في كلينستات ، تم تثبيط تكوين عظام جديدة من خلال قمع تمايز بانيات العظم ، مما يوضح أحد التأثيرات غير المتمايزة للجاذبية الصغرى16.
من شأن الأنظمة المختبرية لتسهيل الثقافة المخلصة للأرومات المينائية أن توفر خطوة كبيرة إلى الأمام نحو هندسة أنسجة مينا الأسنان17. لسوء الحظ ، حتى هذا التاريخ ، كانت ثقافة الأرومات المينائية مهمة صعبة18,19. حتى الآن ، تم الإبلاغ عن خمسة خطوط خلايا مختلفة تشبه الأرومة المينائية ، بما في ذلك خط خلية سلالة الأرومة المينائية للفأر (ALC) ، وخط الخلايا الظهارية لأسنان الفئران (HAT-7) ، وخط خلية الفأر LS8 20 ، وخط خلية PABSo-E الخنازير21 وخط خلية الفئران SF2-2422. ومع ذلك ، فقد فقدت غالبية هذه الخلايا شكل الخلية المستقطبة المميزة في ثقافة 2D.
في هذه الدراسة ، لجأنا إلى نظام المفاعل الحيوي لثقافة الخلايا الدوارة (RCCS) لتسهيل نمو الخلايا الشبيهة بالأرومة المينائية من ظهارة عنق الرحم المستزرعة بالاشتراك مع أسلاف اللحمة المتوسطة وللتغلب على تحديات أنظمة الاستزراع 2D ، بما في ذلك انخفاض تدفق العناصر الغذائية والتغيرات الهيكلية الخلوية بسبب الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك ، قدمت RCCS طرقا جديدة لدراسة تفاعلات الخلايا / السقالات المتعلقة بهندسة أنسجة اللثة وفحص آثار الوسطاء الالتهابيين على الأنسجة السنخية الرئوية في المختبر. وتسلط نتائج هذه الدراسات مجتمعة الضوء على فوائد نظم الاستزراع الدوار القائمة على الجاذبية الصغرى لتكاثر الظهارة المتمايزة ولتقييم الآثار البيئية على الخلايا المزروعة في المختبر، بما في ذلك تفاعلات الخلايا/السقالات واستجابة الأنسجة للحالات الالتهابية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تشمل الخطوات الحاسمة لبروتوكول نمو الخلايا في الجاذبية الصغرى المفاعل الحيوي ، والسقالة ، والخلايا المستخدمة في ثقافة 3D ، وطلاء السقالة كوسيلة للحث على تمايز الخلايا. يتكون نوع المفاعل الحيوي المستخدم في دراساتنا من المفاعل الحيوي RCCS-4 ، وهو تعديل حديث لجهاز زراعة الأنسجة الأسطوانية الد?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم الدراسات بسخاء بمنح من المعهد الوطني لأبحاث الأسنان والقحف الوجهي (UG3-DE028869 و R01-DE027930).
Materials
| Antibiotic-antimycotic | ThermoFisher Scientfic | 15240096 | |
| Ascorbic Acid | Sigma Aldrich | A4544 | |
| BGJb Fitton-Jackson Modification media | ThermoFisher Scientfic | 12591 | |
| BIOST PGA scaffold | Synthecon | Custom | Available from the company through a custom order |
| BMP-2 | R&D Systems | 355-BM | |
| BMP-4 | R&D Systems | 314-BP | |
| DMEM Media | Sigma Aldrich | D6429-500mL | |
| FBS | ThermoFisher Scientfic | 16140071 | |
| Fibricol | Advanced Biomatrix | 5133-20mL | |
| Fibronectin | Corning | 354008 | |
| Galanin | Sigma Aldrich | G-0278 | |
| Gelatin disc | Advanced Biomatrix | CytoForm 500 | |
| Graphene sheets | Advanced Biomatrix | CytoForm 300 | |
| hEGF | Peprotech | AF-100-15 | |
| hFGF | ThermoFisher Scientfic | AA1-155 | |
| Hydroxyapatite disc | Advanced Biomatrix | CytoForm 200 | |
| Il-6 protein | PeproTech | 200-06 | |
| Keratinocyte SFM media (1X) | ThermoFisher Scientfic | 17005042 | |
| Laminin | Corning | 354259 | |
| LRAP peptide | Peptide 2.0 | Custom made sequence: MPLPPHPGSPGYINLSYEVLT PLKWYQSMIRQPPLSPILPEL PLEAWPATDKTKREEVD |
|
| Matrigel | Corning | 354234 | |
| Millipore Nitrocellulose membrane | Merck Millipore | AABP04700 | |
| RCCS Bioreactor | Synthecon | RCCS 4HD | |
| SpongeCol | Advanced Biomatrix | 5135-25EA | |
| Syring valve one way stopcock w/swivel male luer lock | Smiths Medical | MX5-61L | |
| Syringes with needle 3cc | McKESSON | 16-SN3C211 | |
| Trypsin EDTA (0.25%) | ThermoFisher Scientfic | 25200056 |
Referências
- Horneck, G., et al. Life sciences: microorganisms in the space environment. Science. 225 (4658), 226-228 (1984).
- Helmstetter, C. E. Gravity and the orientation of cell division. Proceedings of the National Academy of Sciences. 94 (19), 10195-10198 (1997).
- Bizzarri, M., Monici, M., van Loon, J. J. W. A. How microgravity affects the biology of living systems. BioMed Research International. 2015, 863075 (2015).
- Freed, L. E., Vunjak-Novakovic, G. Spaceflight bioreactor studies of cells and tissues. Advances in Space Biology and Medicine. 8, 177-195 (2002).
- Walther, I. Space bioreactors and their applications. Advances in Space Biology and Medicine. 8, 197-213 (2002).
- Morabito, C., et al. RCCS bioreactor-based modelled microgravity induces significant changes on in vitro 3D neuroglial cell cultures. BioMed Research International. 2015, 754283 (2015).
- Schwarz, R. P., Goodwin, T. J., Wolf, D. A. Cell culture for three-dimensional modeling in rotating-wall vessels: An application of simulated microgravity. Journal of Tissue Culture Methods. 14 (2), 51-57 (1992).
- Nokhbatolfoghahaei, H., et al. Computational modeling of media flow through perfusion-based bioreactors for bone tissue engineering. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H. 234 (12), 1397-1408 (2020).
- Sun, F. -. y., Wang, X. -. m., Li, X. -. y. An innovative membrane bioreactor (MBR) system for simultaneous nitrogen and phosphorus removal. Process Biochemistry. 48 (11), 1749-1756 (2013).
- Steimberg, N., et al. Advanced 3D Models Cultured to Investigate Mesenchymal Stromal Cells of the Human Dental Follicle. Tissue Engineering Methods (Part C). 24 (3), 187-196 (2018).
- Li, P., et al. RCCS enhances EOE cell proliferation and their differentiation into ameloblasts. Molecular Biology Reports. 39 (1), 309-317 (2012).
- Grimm, D., et al. Tissue engineering under microgravity conditions-use of stem cells and specialized cells. Stem Cells and Development. 27 (12), 787-804 (2018).
- Tasoglu, S., et al. Magnetic Levitational Assembly for Living Material Fabrication. Advanced Healthcare Materials. 4 (10), 1469-1476 (2015).
- Sarigil, O., et al. Scaffold-free biofabrication of adipocyte structures with magnetic levitation. Biotechnology and Bioengineering. 118 (3), 1127-1140 (2021).
- Anil-Inevi, M., et al. Biofabrication of in situ Self Assembled 3D Cell Cultures in a Weightlessness Environment Generated using Magnetic Levitation. Scientific Reports. 8 (1), 7239 (2018).
- Nishikawa, M., et al. The effect of simulated microgravity by three-dimensional clinostat on bone tissue engineering. Cell Transplant. 14 (10), 829-835 (2005).
- Pandya, M., Diekwisch, T. G. H. Enamel biomimetics-fiction or future of dentistry. International Journal of Oral Science. 11 (1), 8 (2019).
- Klein, O. D., et al. Meeting report: a hard look at the state of enamel research. International Journal of Oral Science. 9 (11), 3 (2017).
- Liu, H., Yan, X., Pandya, M., Luan, X., Diekwisch, T. G. Daughters of the Enamel Organ: Development, Fate, and Function of the Stratum Intermedium, Stellate Reticulum, and Outer Enamel Epithelium. Stem Cells and Development. 25 (20), 1580-1590 (2016).
- Chen, L. S., Couwenhoven, R. I., Hsu, D., Luo, W., Snead, M. L. Maintenance of amelogenin gene expression by transformed epithelial cells of mouse enamel organ. Archives of Oral Biology. 37 (10), 771-778 (1992).
- DenBesten, P. K., Gao, C., Li, W., Mathews, C. H., Gruenert, D. C. Development and characterization of an SV40 immortalized porcine ameloblast-like cell line. European Journal of Oral Sciences. 107 (4), 276-281 (1999).
- Arakaki, M., et al. Role of epithelial-stem cell interactions during dental cell differentiation. Journal of Biological Chemistry. 287 (13), 10590-10601 (2012).
- Au – Chavez, M. G., et al. Isolation and Culture of Dental Epithelial Stem Cells from the Adult Mouse Incisor. Journal of Visualized Experiments. (87), e51266 (2014).
- Pandya, M., et al. Posttranslational Amelogenin Processing and Changes in Matrix Assembly during Enamel Development. Frontiers in Physiology. 8, 790 (2017).
- Dangaria, S. J., Ito, Y., Luan, X., Diekwisch, T. G. Differentiation of neural-crest-derived intermediate pluripotent progenitors into committed periodontal populations involves unique molecular signature changes, cohort shifts, and epigenetic modifications. Stem Cells and Development. 20 (1), 39-52 (2011).
- Ahadian, S., et al. Electrical stimulation as a biomimicry tool for regulating muscle cell behavior. Organogenesis. 9 (2), 87-92 (2013).
- Smith, C. E. Cellular and chemical events during enamel maturation. Critical Reviews in Oral Biology & Medicine. 9 (2), 128-161 (1998).
- Pei, M., et al. Bioreactors mediate the effectiveness of tissue engineering scaffolds. The FASEB Journal. 16 (12), 1691-1694 (2002).
- Ahmed, S., Chauhan, V. M., Ghaemmaghami, A. M., Aylott, J. W. New generation of bioreactors that advance extracellular matrix modelling and tissue engineering. Biotechnology Letters. 41 (1), 1-25 (2019).
- Seidel, K., et al. Resolving stem and progenitor cells in the adult mouse incisor through gene co-expression analysis. Elife. 6, (2017).
- Green, H., Rheinwald, J. G., Sun, T. T. Properties of an epithelial cell type in culture: the epidermal keratinocyte and its dependence on products of the fibroblast. Progress in Clinical and Biological Research. 17, 493-500 (1977).
- Green, H. The birth of therapy with cultured cells. Bioessays. 30 (9), 897-903 (2008).
- Zeichner-David, M., et al. Control of ameloblast differentiation. International Journal of Developmental Biology. 39 (1), 69-92 (1995).
- Bei, M., Stowell, S., Maas, R. Msx2 controls ameloblast terminal differentiation. Developmental Dynamics. 231 (4), 758-765 (2004).
- Dangaria, S. J., Ito, Y., Luan, X., Diekwisch, T. G. Successful periodontal ligament regeneration by periodontal progenitor preseeding on natural tooth root surfaces. Stem Cells and Development. 20 (10), 1659-1668 (2011).
- Del Moral, P. M., Warburton, D. Explant culture of mouse embryonic whole lung, isolated epithelium, or mesenchyme under chemically defined conditions as a system to evaluate the molecular mechanism of branching morphogenesis and cellular differentiation. Methods in Molecular Biology. 633, 71-79 (2010).
- Hermanns, M. I., Unger, R. E., Kehe, K., Peters, K., Kirkpatrick, C. J. Lung epithelial cell lines in coculture with human pulmonary microvascular endothelial cells: development of an alveolo-capillary barrier in vitro. Laboratory Investigation. 84 (6), 736-752 (2004).
- Duell, B. L., Cripps, A. W., Schembri, M. A., Ulett, G. C. Epithelial cell coculture models for studying infectious diseases: benefits and limitations. Journal of Biomedicine and Biotechnolog. 2011, 852419 (2011).
- Kuppan, P., Sethuraman, S., Krishnan, U. M. In vitro co-culture of epithelial cells and smooth muscle cells on aligned nanofibrous scaffolds. Materials Science and Engineering: C. 81, 191-205 (2017).
- Navran, S. The application of low shear modeled microgravity to 3-D cell biology and tissue engineering. Biotechnology Annual Review. 14, 275-296 (2008).
