JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengenharia

3D-биопечать мышиных кортикальные астроциты для инженерии невроходобной ткани

Published: July 16, 2021
doi:
10.3791/62691
, , , ,
1Department of Biochemistry, Escola Paulista de Medicina,Universidade Federal de São Paulo

Summary

Здесь мы сообщаем о методе 3D-биопечати мышиных кортикальных астроцитов для биофабрикации нервно-подобных тканей для изучения функциональности астроцитов в центральной нервной системе и механизмов с участием глиальных клеток при неврологических заболеваниях и методах лечения.

Abstract

Астроциты представляют собой глиальные клетки с существенной ролью в центральной нервной системе (ЦНС), включая поддержку и функциональность нейронов. Эти клетки также реагируют на нервные травмы и защищают ткани от дегенеративных событий. Исследования функциональности астроцитов in vitro важны для выяснения механизмов, участвующих в таких событиях, и способствуют разработке методов лечения неврологических расстройств. Этот протокол описывает метод биофабрикатного моделирования невроходной структуры ткани, богатой астроцитами, с помощью 3D-биопечати биоинков, нагруженных астроцитами. В этой работе был использован 3D-биопринтер на основе экструзии, а астроциты были извлечены из коры головного мозга детенышей мышей C57Bl/6. Биомочинку готовили путем смешивания кортикальных астроцитов от пассажа до пассажа 3 с раствором биоматериала, состоящим из желатина, желатино-метанрилоила (GelMA) и фибриногена, дополненного ламинином, который представлял оптимальные условия биопечати. Условия 3D-биопечати минимизировали клеточный стресс, способствуя высокой жизнеспособности астроцитов во время процесса, в котором 74,08% ± 1,33% клеток были жизнеспособными сразу после биопечати. После 1 недели инкубации жизнеспособность астроцитов значительно возросла до 83,54% ± 3,00%, что указывает на то, что 3D-конструкция представляет собой подходящую микросреду для роста клеток. Состав биоматериала позволял прикреплять клетки и стимулировал астроцитарное поведение, при этом клетки экспрессировали специфический маркер астроцитов глиального фибриллярного кислого белка (GFAP) и обладали типичной астроцитарной морфологией. Этот воспроизводимый протокол обеспечивает ценный метод биофабрикатного 3D-невроходобной ткани, богатой астроцитами, которая напоминает нативную микросреду клеток, полезный для исследователей, которые стремятся понять функциональность астроцитов и их связь с механизмами, участвующими в неврологических заболеваниях.

Introduction

Астроциты являются наиболее распространенным типом клеток в центральной нервной системе (ЦНС) и играют ключевую роль в гомеостазе мозга. В дополнение к устойчивой поддержке нейронов, астроциты отвечают за модуляцию поглощения нейротрансмиттеров, поддержание целостности гематоэнцефалического барьера и регулирование нейронального синаптогенеза1,2. Астроциты также играют существенную роль в воспалении ЦНС, реагируя на травмы головного мозга в процессе, который приводит к астрограционной реактивности или реактивному астроглиозу3,4,образуя глиальный рубец, который препятствует поражению здоровой ткани дегенеративными агентами5. Это событие приводит к изменениям в экспрессии генов астроцитов, морфологии и функции6,7. Поэтому исследования, связанные с функциональностью астроцитов, полезны для разработки методов лечения неврологических расстройств.

Модели in vitro имеют решающее значение для изучения механизмов, связанных с неврологическими травмами, и хотя была установлена успешная изоляция и двумерная (2D) культура корковых астроцитов8,эта модель не может обеспечить реалистичную среду, которая имитирует поведение нативных клеток и воспроизводит сложность мозга9 . В 2D-состоянии плохая механическая и биохимическая поддержка, низкоклеточные и клеточно-матричные взаимодействия и сплющивание клеток, приводящее к отсутствию базально-апикальной полярности, влияют на динамику клеточной сигнализации и экспериментальные результаты, приводящие к изменению морфологии клеток и экспрессии генов, которые ставят под угрозу реакцию на лечение10. Поэтому крайне важно разработать альтернативы, которые обеспечивают более реалистичную нейронную среду, направленную на перевод результатов в клинику.

Трехмерная (3D) клеточная культура представляет собой более продвинутую модель, которая рекапитулирует с повышенной точностью особенности органов и тканей, включая ЦНС11. Что касается глиальной культуры, 3D-модели способствуют поддержанию морфологии астроцитов, базально-апикальной полярности клеток и клеточной сигнализации12,13. Технология 3D-биопечати стала мощным инструментом для контролируемого биофабрикатирования живых тканей 3D с использованием клеток и биоматериалов для воссоздания структуры и свойств нативных тканей. Использование этой технологии привело к существенному улучшению прогнозирования результатов и способствовало регенеративной медицине, применяемой в ЦНС14,15,16.

Протокол, описанный здесь, детализирует выделение и культуру корковых астроцитов. В протоколе также подробно описывается воспроизводимый метод биопечати астроцитов, встроенных в желатин / желатин метанрилоил (GelMA) / фибриноген, дополненный ламинином. В этой работе биопринтер на основе экструзии использовался для печати композиции биоматериала, содержащей корковые астроциты при плотности 1 х 106 клеток/мл. Напряжение сдвига биопечати было сведено к минимуму за счет контроля скорости печати, а астроциты показали высокую жизнеспособность после процесса. Биопечатные конструкции культивировали в течение 1 недели, и астроциты смогли распространяться, прикрепляться и выживать в гидрогеле, сохраняя астроцитарную морфологию и экспрессируя специфический маркер глиального фибриллярного кислого белка (GFAP)4.

Эта процедура совместима с биопринтерами на основе экструзии с поршневым приводом и может быть использована для биопечати астроцитов, полученных из разных источников. Предложенная здесь 3D-биопечатная модель подходит для широкого спектра применений нейронной инженерии, таких как исследования механизмов, участвующих в функциональности астроцитов в здоровых тканях и понимание прогрессирования неврологических патологий и развития лечения.

Protocol

Все процедуры с участием животных соответствовали международным руководящим принципам использования животных в исследованиях (http://www.iclas.org) и были одобрены Комитетом по этике в исследованиях Федерального университета Сан-Паулу (CEUA 2019 / 9292090519). 1. Рассечение мозга мышей <o…

Representative Results

Эта работа была направлена на разработку невроподобной ткани с использованием технологии 3D-биопечати для нанесения послойного первичного астроцита, нагруженного желатином / GelMA / фибриногеном биоинке. Астроциты были извлечены и выделены из коры головного мозга детенышей мышей<strong class=…

Discussion

Технология 3D-биопечати появилась как альтернатива биофабрикации, которая позволяет создавать усовершенствованные конструкции, которые структурно и физиологически напоминают нативныеткани 22,включая мозг23. Биофабрикация нервно-подобных тканей позволяет ?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Исследовательским фондом Сан-Паулу (FAPESP), номера грантов 2018/23039-3 и 2018/12605-8; Национальный совет по научно-техническому развитию (CNPq), номера грантов 465656/2014-5 и 309679/2018-4; и Координация по совершенствованию кадров высшего образования (CAPES), финансовый код 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Di, L., Mannelli, C., Cuzzocrea, S. Astrocytes: Role and functions in brain pathologies. Frontiers in Pharmacology. 10, 1114 (2019).
  2. Kimelberg, H. K., Nedergaard, M. Functions of astrocytes and their potential as therapeutic targets. Neurotherapeutics. 7 (4), 338-353 (2010).
  3. Giovannoni, F., Quintana, F. J. The role of astrocytes in CNS inflammation. Trends in Immunology. 41 (9), 805-819 (2020).
  4. Escartin, C., et al. Reactive astrocyte nomenclature, definitions, and future directions. Nature Neuroscience. 24 (3), 312-325 (2021).
  5. Carson, M. J., Thrash, J. C., Walter, B. The cellular response in neuroinflammation: The role of leukocytes, microglia and astrocytes in neuronal death and survival. Clinical Neuroscience Research. 6 (5), 237-245 (2006).
  6. Liddelow, S. A., Barres, B. A. Reactive astrocytes: Production, function, and therapeutic potential. Immunity. 46 (6), 957-967 (2017).
  7. Clarke, L. E., et al. Normal aging induces A1-like astrocyte reactivity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unied States of America. 115 (8), 1896-1905 (2018).
  8. Schildge, S., Bohrer, C., Beck, K., Schachtrup, C. Isolation and culture of mouse cortical astrocytes isolation and culture of mouse cortical astrocytes. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (71), e50079 (2013).
  9. Duval, K., et al. Modeling physiological events in 2D vs. 3D cell culture. Physiology. 32 (4), 266-277 (2017).
  10. Knight, E., Przyborski, S. Advances in 3D cell culture technologies enabling tissue-like structures to be created in vitro. Journal of Anatomy. 227 (6), 746-756 (2015).
  11. Zhuang, P., Sun, A. X., An, J., Chua, C. K., Chew, S. Y. 3D neural tissue models: From spheroids to bioprinting. Biomaterials. 154, 113-133 (2018).
  12. Balasubramanian, S., Packard, J. A., Leach, J. B., Powell, E. M. Three-dimensional environment sustains morphological heterogeneity and promotes phenotypic progression. Tissue Engineering. Part A. 22 (11-12), 885-898 (2016).
  13. Watson, P. M. D., Kavanagh, E., Allenby, G., Vassey, M. Bioengineered 3D glial cell culture systems and applications for neurodegeneration and neuroinflammation. SLAS Discovery. 22 (5), 583-601 (2017).
  14. Li, Y. E., Jodat, Y. A., Samanipour, R., Zorzi, G., Zhu, K. Toward a neurospheroid niche model: optimizing embedded 3D bioprinting for fabrication of neurospheroid brain-like co-culture constructs. Biofabrication. , (2020).
  15. Zhou, X., et al. Three-dimensional-bioprinted dopamine-based matrix for promoting neural regeneration. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (10), 8993-9001 (2018).
  16. de la Vega, L., et al. 3D bioprinting human induced pluripotent stem cell-derived neural tissues using a novel lab-on-a-printer technology. Applied Sciences. 8 (12), 2414 (2018).
  17. Scheraga, H. A. The thrombin-fibrinogen interaction. Biophysical Chemistry. 112 (2-3), 117-130 (2004).
  18. Ariens, R. A. S., Lai, T., Weisel, J. W., Greenberg, C. S., Grant, P. J. Role of factor XIII in fibrin clot formation and effects of genetic polymorphisms. Blood. 100 (3), 743-754 (2002).
  19. Yue, K., et al. Synthesis, properties, and biomedical applications of Gelatin Methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 73, 254-271 (2015).
  20. de Melo, B. A. G., et al. Strategies to use fibrinogen as bioink for 3D bioprinting fibrin-based soft and hard tissues. Acta Biomaterialia. 117, 60-76 (2020).
  21. Wang, X., et al. Gelatin-based hydrogels for organ 3D bioprinting. Polymers (Basel). 9 (9), 401 (2017).
  22. Murphy, S. V., Atala, A. 3D bioprinting of tissues and organs. Naure. Biotechnology. 32 (8), 773-785 (2014).
  23. de la Vega, L., Lee, C., Sharma, R., Amereh, M., Willerth, S. M. 3D bioprinting models of neural tissues: The current state of the field and future directions. Brain Research Bulletin. 150, 240-249 (2019).
  24. Clavreul, S., et al. Cortical astrocytes develop in a plastic manner at both clonal and cellular levels. Nature Communications. 10 (1), 4884 (2019).
  25. Hanu, R., et al. Monocarboxylic acid transporters, MCT1 and MCT2, in cortical astrocytes in vitro and in vivo. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 278 (5), 921-930 (2000).
  26. Liu, R., Wang, Z. h., Gou, L., Xu, H. A cortical astrocyte subpopulation inhibits axon growth in vitro and in vivo. Molecular Medicine Reports. 12 (2), 2598-2606 (2015).
  27. Winter, C. C., Cullen, D. K., Donnell, J. C. O., Song, Y. J., Hernandez, N. S. Three-dimensional tissue engineered aligned astrocyte networks to recapitulate developmental mechanisms and facilitate nervous system regeneration. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (131), e55848 (2018).
  28. East, E., Golding, J. P., Phillips, J. B. A versatile 3D culture model facilitates monitoring of astrocytes undergoing reactive gliosis. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 3 (8), 634-646 (2009).
  29. Hawkinsn, B. T., Grego, S., Sellgren, K. L. Three-dimensional culture conditions differentially affect astrocyte modulation of brain endothelial barrier function in response to transforming growth factor B1. Brain Research. 1608, 167-176 (2015).
  30. Abelseth, E., et al. 3D printing of neural tissues derived from human induced pluripotent stem cells using a fibrin-based bioink. ACS Biomaterials Science and Engineering. 5 (1), 234-243 (2019).
  31. Filippo, T. R. M., et al. CXCL12 N-terminal end is sufficient to induce chemotaxis and proliferation of neural stem/progenitor cells. Stem Cell Research. 11 (2), 913-925 (2013).
  32. Galindo, L. T., et al. Chondroitin sulfate impairs neural stem cell migration through ROCK activation. Molecular Neurobiology. 55 (4), 3185-3195 (2018).
  33. Groll, J., et al. A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Biofabrication. 11 (1), 03001 (2018).
  34. Kyle, S., Jessop, Z. M., Al-sabah, A., Whitaker, I. S. Printability of candidate biomaterials for extrusion-based 3D printing: state-of-the-art. Advanced Healthcare Materials. 6 (16), (2017).
  35. Blaeser, A., et al. Controlling shear stress in 3D bioprinting is a key factor to balance printing resolution and stem cell integrity. Advanced Healthcare Materials. 5 (3), 326-333 (2016).
  36. Miyawaki, O., Omote, C., Matsuhira, K. Thermodynamic analysis of sol-gel transition of gelatin in terms of water activity in various solutions. Biopolymers. 103 (12), 685-691 (2015).
  37. Shirahama, H., Lee, B. H., Tan, L. P., Cho, N. Precise tuning of facile one-pot Gelatin Methacryloyl (GelMA) synthesis. Science Reports. 6, 31036 (2016).
  38. Antonovaite, N., Beekmans, S. V., Hol, E. M., Wadman, W. J., Iannuzzi, D. Regional variations in stiffness in live mouse brain tissue determined by depth-controlled indentation mapping. Science Reports. 8 (1), 12517 (2018).
  39. Iwashita, M., et al. Comparative analysis of brain stiffness among amniotes using glyoxal fixation and atomic force microscopy. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 574619 (2020).
  40. Guimarães, C. F., Gasperini, L., Marques, A. P., Reis, R. L. The stiffness of living tissues and its implications for tissue engineering. Nature Reviews. 5, 351-370 (2010).
  41. Ye, W., et al. 3D printing of gelatin methacrylate-based nerve guidance conduits with multiple channels. Materials and Design. 192, 108757 (2020).
  42. Wu, Y., et al. The influence of the stiffness of GelMA substrate on the outgrowth of PC12 cells. Bioscience Reports. 39 (1), 1-9 (2019).
  43. Edgar, J. M., Robinson, M., Willerth, S. M. Fibrin hydrogels induce mixed dorsal/ventral spinal neuron identities during differentiation of human induced pluripotent stem cells. Acta Biomaterialia. 51, 237-245 (2017).
  44. Arulmoli, J., et al. Combination scaffolds of salmon fibrin, hyaluronic acid, and laminin for human neural stem cell and vascular tissue engineering. Acta Biomaterialia. 43, 122-138 (2016).
  45. Brenner, M. Role of GFAP in CNS Injuries. Neuroscience. Letters. 565, 7-13 (2014).

Tags

3D BioprintingAstrocytesIn Vitro ModelsNeurological DiseaseBiomaterialsExtracellular MatrixFibrinogenGelatinPhoto-initiatorLaminin

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
de Melo, B. A. G., Cruz, E. M., Ribeiro, T. N., Mundim, M. V., Porcionatto, M. A. 3D Bioprinting of Murine Cortical Astrocytes for Engineering Neural-Like Tissue. J. Vis. Exp. (173), e62691, doi:10.3791/62691 (2021).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image