Repovoamento celular epitelial e Preparação de Rodent Matriz Extracelular Andaimes para o desenvolvimento do tecido renal

Summary

This protocol describes decellularization of Sprague Dawley rat kidneys by antegrade perfusion of detergents through the vasculature, producing acellular renal extracellular matrices that serve as templates for repopulation with human renal epithelial cells. Recellularization and use of the resazurin perfusion assay to monitor growth is performed within specially-designed perfusion bioreactors.

Abstract

Este protocolo detalha a geração de acelular, ainda, renais matriz extracelular (ECM) andaimes biofuncionais que são úteis como pequenos substratos modelo para o desenvolvimento do tecido do órgão escala. Sprague Dawley rins de ratazana são canulados através da inserção de um cateter na artéria renal e perfundido com uma série de detergentes de baixa concentração (Triton X-100 e dodecil sulfato de sódio (SDS)) ao longo de 26 h para derivar intactas, andaimes todo-renais com intacta vasculatura perfusable, glomérulos e túbulos renais. Após a descelularização, o andaime renal é colocado dentro de um vaso de bioreactor de perfusão personalizados, e a artéria renal cateterizada está ligado a um circuito de perfusão que consiste em: uma bomba peristáltica; tubulação; e sondas de opcionais para pH, oxigênio dissolvido, e pressão. Após a esterilização do andaime com ácido peracético e etanol, e o equilíbrio do pH (7,4), o andaime de rim é preparado para propagação através de perfusão de meio de cultura dentro de um largincubadora e capacidade mantida a 37 ° C e 5% de CO _2. Quarenta milhões de células epiteliais tubulares corticais renais (RCTE) são injectados através da artéria renal, e rapidamente perfundido através do andaime sob alto fluxo (25 ml / min) e de pressão (~ 230 mmHg) durante 15 min antes de reduzir o fluxo a uma taxa fisiológica (4 ml / min). Células RCTE preencher primeiramente o nicho ECM tubular dentro do córtex renal, proliferam e formam estruturas epiteliais tubulares ao longo de sete dias de cultura de perfusão. Uma solução resazurina 44 uM em meio de cultura é perfundido através do rim durante 1 h durante as trocas de média para proporcionar uma avaliação fluorométrico, à base de redox metabólica de viabilidade e proliferação celular durante tubulogenesis. O bioreactor de perfusão do rim permite a amostragem não invasiva de meio de avaliação bioquímica, e várias portas de entrada de ar permite a semeadura alternativa retrógrado através da veia renal ou ureter. Estes protocolos podem ser usadas para recellularize andaimes nos rins com umvariedade de tipos de células, incluindo as células endoteliais vasculares, do epitélio tubular, e fibroblastos do estroma, para avaliação rápida dentro deste sistema.

Introduction

À medida que o número de pacientes que sofrem de fase final de insuficiência renal continua a aumentar, há uma escassez grave e crescente do número de rins de doadores disponíveis para transplante. A incapacidade de atender a demanda de um número crescente de candidatos continuamente espera-listados para o transplante renal levou a investigação em engenharia órgão rim com o objetivo final de desenvolvimento personalizado, enxertos renais implantáveis ​​sob demanda ^1,2. , Que funcionará tecido renal a partir de células do próprio paciente eliminaria a necessidade de imunossupressão ao longo da vida, diminuir a quantidade de tempo que os pacientes gastam em diálise à espera de um transplante de rim, e estender o transplante salva-vidas a mais pacientes com doença renal crônica.

O primeiro passo para a bioengenharia um tecido renal usando células derivadas de pacientes é o de desenvolver uma estrutura de suporte que serve como um substrato de suporte para o parênquima renal (por exemplo Epítetos tubularLiAl), fibroblastos do estroma, e o crescimento celular vascular. Andaimes biomaterial derivadas de matrizes extracelulares de órgãos naturais (ECM) têm várias características que os tornam desejáveis ​​para utilização em engenharia de tecidos, incluindo a sua composição biológica natural; macro e microestrutura adequada para dotar funções fisiológicas; e biocompatibilidade celular, promovendo a adesão celular, migração e tecido construtiva remodelação ^3. Um método promissor para produzir scaffolds para regeneração de tecidos renal é através decellularization de alogênicos ou xenog�icas rins que preservar muito da composição proteína natural complexo do ECM rim ^4, manter a complexidade arquitetônica inerente do órgão, e superar a dificuldade associada com bottom up engenharia de tecidos celularizados grossas, fornecendo um suprimento vascular para as células em desenvolvimento após andaime recelularização ^5.

Perfusão descelularização é um processo emque detergentes, enzimas ou outras soluções de desregulação celulares são uniformemente distribuído através da rede vascular do órgão ^6. Esta estratégia tem sido definida como um processo eficiente para derivar acelulares andaimes ECM baseada em órgãos como tridimensional (3D), modelos biológicos para engenharia de órgão inteiro ^{de 6-8,} como evidenciado pelo desenvolvimento de modelos renais acelulares de rins humanos descartados ⁹ e os rins xenog�icas obtidos a partir de grandes animais (por exemplo, ¹⁰ porco, cabra ¹¹⁾ e fontes de roedores ^12. Em particular, a utilização de modelos animais, tais como roedores pequenos requer menos células e meios de cultura, o que é especialmente útil para estudos Recellularization órgão no qual os números de células são normalmente limitados, como é o caso com os tecidos derivadas de células estaminais. O objectivo do protocolo de descelularização é descrito para a produção de um ECM renal acelular que pode ser usado como um sistema de andaimes 3D para a regeneração do rim structures, incluindo os túbulos são repovoados nefrónios que no presente exemplo com epiteliais tubulares cortical renal humano (células RCTE). Nós anteriormente descrito a uma avaliação rigorosa de um protocolo óptimo detergente à base de rim de rato descelularização ^7, que é mais rápida (aproximadamente um dia) do que os outros métodos relatados anteriormente (Ross et al .- 5 dias ^12, Song et al .- 4,5 dias ^13), e expõe o órgão a uma concentração consideravelmente mais baixa (0,1%) do sulfato de dodecilo de sódio desnaturante (SDS) durante a descelularização que relatórios anteriores ^12-15.

Um número limitado de estudos têm descrito o uso de rins de roedores para decellularization e posterior utilização como um arcabouço 3D para repovoamento celular (revisto em outra parte ^{1) 12-16.} Neste protocolo, nós fornecemos uma descrição detalhada de nosso previamente estabelecido, a estratégia decellularization ideal para a produção de andaimes renais acelulara partir de rins de ratos Sprague Dawley ^7. Usando bioreactores de perfusão de design personalizado capazes de dupla semeadura e manutenção de perfusão cultura ^17, nós recellularize os andaimes renais acelular com células RCTE humanos, que consistentemente repovoar o componente tubular nessas matrizes descelularizados, proliferam e sobrevivem na cultura de perfusão para mais de uma semana. Demonstramos ainda mais a utilização do ensaio de resazurina perfusão – um barato, não-citotóxico, e avaliação metabólica não-invasiva anteriormente utilizado para citotoxicidade estuda ¹⁷ – para fornecer uma indicação da viabilidade das células e proliferação nos rins repovoados ⁷ ao longo do tempo.

Protocol

DECLARAÇÃO DE ÉTICA: Todos os procedimentos envolvendo animais foram realizados de acordo com as directrizes aprovadas pelo cuidado e uso Comitê da Universidade Northwestern animal Institucional. 1. rim Decelularização Preparar soluções de decelularização. Preparar os seguintes volumes de reagentes para cada rim para ser descelularizados, e um volume adicional (por exemplo, durante 4 rins, preparar 5000 ml de Triton X-100 para o passo 1.1.3.): Prepare 5…

Representative Results

Rins sequencialmente com água e dilui-se soluções de detergente (1% de Triton X-100, 0,1% de SDS) de acordo com um protocolo de descelularização óptimo previamente estabelecido (ver Figura 1A, B) 7, tornam-se progressivamente mais transparente ao longo de um período de 26 horas, conforme mostrado na Figura 2A. O andaime rim acelular resultante é desprovida de células e retém uma ECM renal coesa suportado por uma cápsula renal intacta, que não está danificado segu…

Discussion

O protocolo descrito descelularização produz consistentemente um ECM rim completamente acelular que serve como um modelo 3D para a cultura de células humanas epiteliais renais corticais tubulares (tanto proximais e distais derivada de túbulo), em adição a células endoteliais vasculares ^7,17. A vasculatura renal canulada serve como o elemento-chave para a administração uniforme de reagentes e células de todo o andaime num biorreactor definir-se, permitindo assim que as perfusão decelularização, se…

Materials

Reagents
TRITON X-100, Proteomics Grade, AMRESCO	VWR	M143-4L
Sodium dodecyl sulfate solution, BioUltra, for molecular biology, 20% in H2O	Sigma-Aldrich	05030
Peracetic acid solution, purum, ~39% in acetic acid (RT)	Sigma-Aldrich	77240	Peracetic is flammable and corrosive. Prepare within a fume hood using appropriate personal protective equipment (e.g. gloves, goggles).
200 proof ethanol	VWR	V1001TP
Sigmacote, siliconizing reagent for glass and other surfaces	Sigma-Aldrich	SL2	For treatment of bioreactor reservoirs. Referred to in text as siliconizing reagent.
DMEM/F12 media	Life Technologies	11320-033
Corning cellgro Fetal Bovine Serum Premium, Mediatech	Corning	35-010-CV
Penicillin-Streptomycin Solution, 100X 10,000 I.U. Penicillin 10,000 µg/mL Streptomycin	Corning	30-002-CI
TrypLE Express (1X), Phenol Red	Life Technologies	12605-028	Referred to in text as cell dissociating enzyme.
Trypan Blue Stain (0.4%)	Life Technologies	15250-061
Resazurin sodium salt	Sigma-Aldrich	R7017
Equipment:
Masterflex L/S Digital Drive, 600 RPM, 115/230 VAC	Cole-Parmer	EW-07522-20
Masterflex L/S large cartridges for 07519-05 and -06 pump heads.	Cole-Parmer	EW-07519-70	Referred to in text as large pump cartridge.
Masterflex L/S 8-channel, 4-roller cartridge pump head.	Cole-Parmer	EW-07519-06
Straight 6" specimen forceps, serrated	VWR	82027-438
*Kidney perfusion bioreactor	WilMad Labglass	*Custom designs	Bioreactors are produced as described by WilMad Labglass. The designs have been described in depth in a previous publication.
Perfusion Circuit Components
24 G x 0.75 in. BD Insyte Autoguard shielded IV catheter (0.7 mm x 19 mm) made of BD Vialon biomaterial. Has notched needle. (50/sp, 200/ca)	BD Biosciences	381412	Referred to in text as 24 gauge catheter.
Masterflex PharMed BPT Tubing, L/S #14, 25'	Cole-Parmer	HV-06508-14	Referred to in text as peristaltic pump tubing.
Peroxide-Cured Silicone Tubing, 1/16"id X 1/8"OD, 25 Ft/pack	Cole-Parmer	HV-06411-62	Referred to in text as 1/16" ID silicone rubber tubing.
Masterflex platinum-cured silicone tubing, L/S 14, 25 ft.	Cole-Parmer	HV-96410-14	Referred to in text as thick-walled 1/16" ID silicone rubber tubing.
VWR Silicone Tubing, 1/4" ID x 0.5" OD	VWR	89068-484
Acro 50 Vent Filters, Pall Life Sciences	VWR	28143-558	Referred to in text as 0.2 micron vent filter.
Cole-Parmer Luer Adapters, Male Luer Lock to 1/8" ID, Nylon, 25/Pk	Cole-Parmer	T-45505-11	Referred to in text as male Luer lock to 1/8" barbed adapter.
Cole-Parmer Luer Accessory, Male Luer Plug, Nylon, 25/Pk	Cole-Parmer	EW-45505-58
Female luer x female luer adapter, Nylon, 25/pk	Cole-Parmer	EW-45502-22	Referred to in text as female Luer x female Luer adapter.
Cole-Parmer Luer Accessory, Female Luer Cap, Nylon, 25/Pk	Cole-Parmer	EW-45502-28
Smiths Medical Large Bore Hi-Flo Stopcocks # MX4311L – 3-Way Hi-Flo Stopcock with Extended Male Luer Lock, Non-DEHP Formulation, Latex Free (LF), Lipid Resistant, Non-PVD, 50/cs	Careforde Healthcare	10254821	Smiths Medical (vendor) catalogue number is #MX4311L.
Other Components
5 mL BD Luer-Lok disposable syringe with BD Luer-Lok™ tip.	BD Biosciences	309646
35 mm x 10 mm Easy Grip Culture Dish	BD Biosciences	353001	Used to draw cell suspension into syringe for cell seeding.