Bioimpression 3D d’astrocytes corticaux murins pour l’ingénierie de tissus de type neural
Summary
Nous rapportons ici une méthode de bioimpression 3D d’astrocytes corticaux murins pour la biofabrication de tissus de type neuronal afin d’étudier la fonctionnalité des astrocytes dans le système nerveux central et les mécanismes impliquant les cellules gliales dans les maladies neurologiques et les traitements.
Abstract
Les astrocytes sont des cellules gliales ayant un rôle essentiel dans le système nerveux central (SNC), y compris le soutien et la fonctionnalité neuronals. Ces cellules répondent également aux lésions neurales et agissent pour protéger le tissu contre les événements dégénératifs. Les études in vitro de la fonctionnalité des astrocytes sont importantes pour élucider les mécanismes impliqués dans de tels événements et contribuer au développement de thérapies pour traiter les troubles neurologiques. Ce protocole décrit une méthode pour biofabriquer une structure tissulaire de type neuronal riche en astrocytes par bioimpression 3D d’une bioencaire chargée d’astrocytes. Une bioimprimante 3D à base d’extrusion a été utilisée dans ce travail, et les astrocytes ont été extraits des cortex cérébraux des chiots de souris C57Bl / 6. La bioencentaire a été préparée en mélangeant des astrocytes corticaux jusqu’au passage 3 à une solution de biomatériau composée de gélatine, de gélatine-méthacryloyle (GelMA) et de fibrinogène, complétée par de la laminine, qui présentait des conditions optimales de bioimpression. Les conditions de bio-impression 3D ont minimisé le stress cellulaire, contribuant à la haute viabilité des astrocytes pendant le processus, dans lequel 74,08% ± 1,33% des cellules étaient viables juste après la bioimpression. Après 1 semaine d’incubation, la viabilité des astrocytes a considérablement augmenté à 83,54% ± 3,00%, ce qui indique que la construction 3D représente un microenvironnement approprié pour la croissance cellulaire. La composition du biomatériau a permis l’attachement cellulaire et stimulé le comportement astrocytaire, les cellules exprimant la protéine acide fibrillaire gliale marqueur astrocytaire spécifique des astrocytes (GFAP) et possédant une morphologie astrocytaire typique. Ce protocole reproductible fournit une méthode précieuse pour biofabriquer des tissus de type neuronal 3D riches en astrocytes qui ressemblent au microenvironnement natif des cellules, utile aux chercheurs qui visent à comprendre la fonctionnalité des astrocytes et leur relation avec les mécanismes impliqués dans les maladies neurologiques.
Introduction
Les astrocytes sont le type de cellule le plus abondant dans le système nerveux central (SNC) et jouent un rôle clé dans l’homéostasie cérébrale. En plus de supporter le neurone, les astrocytes sont responsables de la modulation de l’absorption des neurotransmetteurs, du maintien de l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique et de la régulation de la synaptogenèse neuronale1,2. Les astrocytes ont également un rôle essentiel dans l’inflammation du SNC, répondant aux lésions cérébrales dans un processus qui conduit à la réactivité astrocitaire ou à l’astrogliose réactive3,4 , formant une cicatriceglialequi empêche l’exposition des tissus sains aux agents dégénératifs5. Cet événement entraîne des changements dans l’expression génique, la morphologie et la fonction des astrocytes6,7. Par conséquent, les études portant sur la fonctionnalité des astrocytes sont utiles pour le développement de thérapies pour traiter les troubles neurologiques.
Les modèles in vitro sont cruciaux pour étudier les mécanismes liés aux lésions neurologiques, et bien que l’isolement réussi et la culture bidimensionnelle (2D) des astrocytes corticaux aient été établis8,ce modèle ne parvient pas à fournir un environnement réaliste qui imite le comportement des cellules natives et à reproduire la complexité du cerveau9 . Dans l’état 2D, le faible soutien mécanique et biochimique, les faibles interactions cellule-cellule et cellule-matrice, et l’aplatissement cellulaire conduisant à l’absence de polarité baso-apicale, affectent la dynamique de signalisation cellulaire et les résultats expérimentaux conduisant à une altération de la morphologie cellulaire et de l’expression des gènes, qui compromettent la réponse aux traitements10. Par conséquent, il est crucial de développer des alternatives qui fournissent un environnement neuronal plus réaliste, visant à traduire les résultats à la clinique.
La culture cellulaire tridimensionnelle (3D) représente un modèle plus avancé qui récapitule avec des caractéristiques de fidélité accrues des organes et des tissus, y compris leSNC 11. En ce qui concerne la culture gliale, les modèles 3D contribuent au maintien de la morphologie des astrocytes, de la polarité baso-apicale cellulaire et de la signalisation cellulaire12,13. La technologie de bio-impression 3D est apparue comme un outil puissant pour biofabriquer des tissus vivants 3D de manière contrôlée en utilisant des cellules et des biomatériaux pour recréer la structure et les propriétés des tissus natifs. L’utilisation de cette technologie a conduit à une amélioration substantielle de la prédiction des résultats et a contribué à la médecine régénérative appliquée au SNC14,15,16.
Le protocole décrit ici détaille l’isolement et la culture des astrocytes corticaux. Le protocole détaille également une méthode reproductible pour bioimprimer des astrocytes incorporés dans de la gélatine / méthacryloyle de gélatine (GelMA) / fibrinogène, complétés par de la laminine. Dans ce travail, une bioimprimante à base d’extrusion a été utilisée pour imprimer la composition de biomatériau contenant des astrocytes corticaux à une densité de 1 x 106 cellules / mL. La contrainte de cisaillement de la bio-impression a été minimisée en contrôlant la vitesse d’impression, et les astrocytes ont montré une viabilité élevée après le processus. Les constructions bioimprimées ont été cultivées pendant 1 semaine, et les astrocytes ont pu se propager, se fixer et survivre dans l’hydrogel, en maintenant la morphologie astrocytaire et en exprimant un marqueur spécifique de la protéine acide fibrillaire gliale (GFAP)4.
Cette procédure est compatible avec les bioimprimantes à base d’extrusion à piston et peut être utilisée pour bioimprimer des astrocytes dérivés de différentes sources. Le modèle bioimprimé en 3D proposé ici convient à un large éventail d’applications d’ingénierie neuronale, telles que l’étude des mécanismes impliqués dans la fonctionnalité des astrocytes dans les tissus sains et la compréhension de la progression des pathologies neurologiques et du développement de traitements.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technologie de bio-impression 3D est apparue comme une alternative de biofabrication qui permet l’ingénierie de constructions raffinées qui ressemblent structurellement et physiologiquement à des tissus natifs22, y compris le cerveau23. La biofabrication de tissus de type neuronal permet une modélisation in vitro du microenvironnement natif, étant un outil important pour comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires associés au développement e…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation de recherche de São Paulo (FAPESP), numéros de subvention 2018/23039-3 et 2018/12605-8; Conseil national pour le développement scientifique et technologique (CNPq), numéros de subvention 465656/2014-5 et 309679/2018-4; et Coordination pour l’amélioration du personnel de l’enseignement supérieur (CAPES), code financier 001.
Materials
| 3D Bioprinter | 3D Biotechnology Solutions | Extrusion-based bioprinter | |
| Blunt-tip forceps | Integra Miltex | 6–30 | Forceps for brain dissection previously sterilized |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | 9048-46-8 | Protease free, fatty acid free, essentially globulin free |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| Cell culture flask | Fisher Scientific | 156340 | Culture flask T25 |
| Cell strainer | Corning Incorporated | 352340 | Cell strainer 40 µm |
| Confocal microscope | Leica | Confocal TCS SP8 microscopy coupled with an Olympus FluoView 300 confocal system | |
| Conical tubes | Thermo Scientific | 339651, 339652 | Sterile tubes of 15 mL and 50 mL |
| DAPI | Abcam | ab224589 | DAPI staining solution |
| DMEM/F12 | Gibco; Life Technologies Corporation | 12500062 | DMEM/F-12 50/50, 1X (Dulbecco's Mod. Of Eagle's Medium/Ham's F12 50/50 Mix) with L-glutamine |
| Dyalisis tubing | Sigma-Aldrich | D9527 | Molecular weight cut-off = 14 kDa |
| Ethanol | Fisher Scientific | 64-15-5 | Reagent grade |
| Fetal Bovine Serum | Gibco; Life Technologies Corporation | 12657011 | Research Grade |
| Fibrinogen | Sigma-Aldrich | 9001-32-5 | Fibrinogen cristalline powder from bovine plasma |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | 9000-70-8 | Gelatin powder from porcine skin |
| Glycine | Sigma-Aldrich | 56-40-6 | Glycine powder |
| Hanks Buffered Salt Solution (HBSS) | Gibco; Life Technologies Corporation | 14175095 | No calcium, no magnesium, no phenol red |
| L-Glutamine | Sigma-Aldrich | 56-85-9 | L-Glutamine crystalline powder |
| Laminin | Sigma-Aldrich | 114956-81-9 | Laminin 1-2 mg/mL L in 50 mM Tris-HCl |
| Live dead kit cell imaging kit | Thermo Scientific | R37601 | Green fluorescence in live cells (ex/em 488 nm/515 nm). Red fluorescence in dead cells (ex/em 570 nm/602 nm) |
| Methacrylic anhydride | Sigma-Aldrich | 760-93-0 | For GelMA preparation |
| Microtubes | Corning Incorporated | MCT-150-C | Microtubes of 1,5 mL |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| Needle 22G | Fisher Scientific | NC1362045 | Sterile blunt needle |
| Operating scissor | Integra Miltex | 05–02 | Sharp scissor for brain dissection previously sterilized |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 30525-89-4 | Paraformaldehyde powder |
| Penicillin/Streptomycin | Gibco; Life Technologies Corporation | 15070063 | Pen Strep (5,000 Units/ mL Penicillin; 5,000 ug/mL Streptomycin) |
| Petri dish | Corning Incorporated | 430591, 430588 | Sterile petri dishes of 35 and 100 mm |
| Phalloidin | Abcam | ab176753 | iFluor 488 reagent |
| Photoinitiator | Sigma-Aldrich | 106797-53-9 | 2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone |
| Phosphate buffer saline (PBS) | Gibco; Life Technologies Corporation | 10010023 | PBS 1 x, culture grade, no calcium, no magnesium |
| Poly-L-lysine | Sigma-Aldrich | 25988-63-0 | Poly-L-lysine hydrobromide mol wt 30,000-70,000 |
| Primary antobody | Abcam | ab4674 | Chicken polyclonal to GFAP |
| Secondary antibody | Abcam | ab150176 | Alexa fluor 594 anti-chicken |
| Spatula | Miltex | V973-70 | Number 24 cement spatula previously sterilized |
| Stereomicroscope | Fisherbrand | 3000038 | Microscope for brain dissection |
| Syringe 5 mL | BD | 1222C84 | Sterile syringe |
| Syringe filter 2 µm | Fisher Scientific | 09-740-105 | Polypropylene filter for sterilization |
| Thrombin | Sigma-Aldrich | 9002–04-4 | Thrombin cristalline powder from bovine plasma |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | Laboratory grade |
| Trypsin-EDTA | Gibco; Life Technologies Corporation | 15400054 | Trypsin no phenol red 1 x diluted in PBS |
| Versene solution | Gibco; Life Technologies Corporation | 15040066 | Versene Solution (0.48 mM) formulated as 0.2 g EDTA(Na4) per liter of PBS |
| Well plate | Thermo Scientific | 144530 | Sterile 24-well plate |
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