カプセル化と 3 D の細胞の免疫染色のエラスチン様タンパク質ゲルの生産
Summary
組換え蛋白質設計ヒドロゲルは、ポリマー主鎖としたがって、細胞の微小環境の完全な可変性を可能にする彼ら 3 D 細胞培養のために有利です。ここでは、組換えのエラスチンのような蛋白質の浄化のプロセスと 3 D ゲル電池封止材への応用について述べる。
Abstract
二次元 (2 D) 組織培養技術は、基礎的な細胞生物学の私達の理解に不可欠されています。ただし、従来の 2次元培養システムに欠けて結果の間で重要な結果として、三次元 (3 D) マトリックス切断収集の in vitroおよびin vivo。この制限に対処するため、研究者は体内細胞微小環境の生化学的および生物物理学的特性を模倣することができます 3 D のハイドロゲル培養プラットフォームを設計しました。この研究、3 D の細胞のカプセル化と下流の生化学的アッセイをサポートする材料のプラットフォームを開発する必要が動機となった。組換えタンパク質工学 3 D ゲル材料の設計と開発のユニークなツールセットを提供は、蛋白質シーケンスの特定のコントロールを可能にするあり、拡張子、合力の潜在的な力学的および生化学的特性行列。ここでは、recombinantly 由来エラスチン様タンパク質 (ELP) 独立可変の機械的性質と細胞接着リガンド濃度フォーム ヒドロゲルを使用ことができますの表現のためのプロトコルを提案する.さらに ELP ヒドロゲル内細胞のカプセル化の方法論を提案して、下流の分析と定量化のための細胞を埋め込まれたの後蛍光抗体染色します。
Introduction
過去世紀にわたって基礎的な細胞生物学の研究のための不可欠なツールセットに二次元 (2 D) 組織文化を開発しました。さらに、2 D の細胞培養のため比較的低コストでシンプルなプロトコルは、多くの生物的および医学の分野での採用につながっています。しかし、過去の研究を示しています伝統的な 2 D のプラットフォームは、それら収集した体内から著しく逸脱、原因の貴重な時間と資金を無駄に臨床的に方向づけられた研究1,2のための結果につながること 3。我々 と他のこの不一致は最適な増殖と種々 の細胞の成熟に必要なことができる 2D サーフェス上で培養した細胞に提供されるネイティブ生化学的および生物物理学的手がかりの不足に帰因するかもしれないことを仮定します。
これらの制限および助け橋 2 D の間のギャップに対処するための in vitroとin vivoの研究、研究者がある電池封止材1,4,5 の開発した三次元 (3 D) ゲル プラットフォーム ,6。ヒドロゲルは細胞外マトリックス (ECM) の生体内での組織のような機械的性質と栄養素の急速な輸送を可能にする構造の水膨潤により内因性の微小環境を要約する理想的な材料と7,8の要因シグナリングします。さらに、足場の力学的および生化学的特性を独立に制御する 3 D ゲルを設計できます。行列力学9,10、11,12と細胞接着配位子13,14,15の両方がよくセルに影響を与える知られています。生体外で動作し、体内。したがって、可変プロパティと 3 D ゲルは、セルとその微小環境の因果関係を研究するためのプラットフォームを提供しています。理想的な 3 D ゲルのマトリックスのための基準は、単純な非細胞電池封止材、生理学的に関連する機械的性質の独立した可変性およびネイティブな細胞接着モチーフの模倣者に含まれます。
両方合成 (e.g、ポリエチレング リコール、ポリ乳酸、ポリ (グリコール酸)) および自然由来 (e.g。、アルギン酸、コラーゲン、マトリゲル) ヒドロゲル文化プラットフォーム 2D体外に利点があります。しかし、また適用性を限る重大な欠点があります。まず、合成と天然物由来の多くのプラットフォームが必要な哺乳類細胞に潜在的に有毒することができます過酷な架橋条件につながる減少した細胞の生存率の7。また、多くの合成プラットフォームはネイティブ活性を欠いている、増加コストと複雑さの16を追加することができますセカンダリの化学反応によって修飾する必要があります。最後に、天然由来原料は通常本質的な生体活性ドメインを含みますが、しばしば高いバッチごとに変動に悩まされているため、比較的弱いゲル7,17を形成に制限が多い。
組換えタンパク質工学タンパク質シーケンスを明示的に制御により材料設計のためのユニークなツールセットを提示し、延長によって、最終的なハイドロゲルの潜在的な力学的および生化学的特性足場18。また、エシェリヒア属大腸菌(E. 大腸菌) 蛋白質を表現するためのよく知られている生物学的機械を活用し、材料生産できる低コストで一貫して限られたインター-内-バッチ可変。ここで紹介するエラスチン様タンパク質 (ELP) は 3 つのエンジニア リング ドメイン: 抗体のタグを介して蛍光ラベリングを可能に (1) の T7 および His6 タグ、弾性力学特性を付与し、化学のエラスチンのような地域 (2)架橋、(3) 細胞接着モチーフのエンコード ‘バイオ アクティブ’ 地域。
エラスチンのような地域は、’効きます’ アミノ酸サイト イソロイシン (イル) がある可能性がありますの 4 つはプロリンを除くすべてのアミノ酸に設計されている標準 (ヴァル Pro Gly 効きます-ペプチド-)5エラスチン シーケンスに基づいています。このシーケンスは、熱循環19,20を介して簡単な浄化後式の利用できる下の臨界溶液温度 (LCST) 行動と遺伝子組換え ELPs を与えます。この LCST プロパティは、異なる温度で熱骨材へゲスト ‘効きます’ 残渣21,22を変更することでチューニングできます。
ここでは、5 つのエラスチンのような繰り返しの 1 つに「効きます」位置はリシン (Lys) アミノ酸のアミン提示酸架橋ハイドロゲルを利用されるに置き換えられていますいます。我々 の以前の仕事は、アミン反応性架橋剤テトラキス (ヒドロキシメチル) ホスホニウム塩 (THPC)23の反応特異性と堅牢な架橋を示しています。さまざまな全体蛋白質内容と架橋剤濃度による、生理学的に関連する剛性の範囲 (~0.5-50 kPa)9,23,24にまたがることチューニングできるゲルを生成することができるがおります。機械的特性をチューニングに加えて ELP 蛋白質のバックボーン内の標準的な細胞接着ドメインの統合から、ハイドロゲル内細胞接着の結果します。たとえば、非バインド ‘RDGS’ バリアント拡張フィブロネクチン由来 ‘RGDS’ アミノ酸シーケンスの組み込むことで柔軟な形態、スクランブル中の細胞接着と細胞-マトリックス接着24が制限されます。総蛋白濃度と同様に、非接着タンパク質に細胞接着の比率を調節することによって効果的に配位子濃度の広い範囲でゲルを生成することができるがおります。その結果、種々 の細胞の最適な 3 D 文化のため個別にチューニングできる分離された生化学的および生物物理プロパティを持つハイドロゲル プラットフォームを開発しました。
剛性マトリックスと接着性リガンドの可変性に加え組換えヒドロゲルは細胞拡散、増殖、および4の 3 D のコンテキスト内での移行に必要なデザイン特定の材料劣化プロファイル機能を提供します。,9. この劣化は拡張 ‘RGDS’9またはエラスチンのようなシーケンス25を標的プロテアーゼの細胞分泌によって与えられます。ELP ヒドロゲルは、細胞生存率及び量的な逆の DNA ・ RNA ・ タンパク質抽出と同様に、免疫細胞化学を含む関数を勉強するために必要なその後の生化学的アッセイをサポートに示されています。トランスクリプション ポリメラーゼの連鎖反応 (qRT PCR) と西9 をしみ。ELP の亜種も、生体内でのモデルの数で使用されているし、免疫システム26忍容性が知られています。
一緒に取られて、ELP 電池封止材研究材料プラットフォームを誇るさまざまな生化学的および生物物理可変性のと同じ程度に欠ける、合成や天然物由来の素材プラットフォームと比較しての利点として、再現性。さらに、ELP のシンプルで非細胞毒性を使用さまざまな種類の細胞 (e.gひよこ後根神経節14,24、マウス神経前駆細胞9、ヒト間葉系幹細胞27、牛。新生児軟骨細胞28、ひと血管内皮細胞細胞29,30) 2 D 細胞培養と比較して内因性 3 D ECM のもっと生理学的に関連するモデルのことができます。ここで、recombinantly 由来の表現のためのプロトコルを提案する、3 d 可変ハイドロゲルのプラットフォームとして使用するための非細胞カプセル化。さらにダウン ストリームの蛍光標識とカプセル化された細胞の共焦点顕微鏡観察の方法論を提案します。
Protocol
Representative Results
Discussion
組換え蛋白質の表現および浄化は、再現性の高い生体材料を合成する強力なツールです。商品化された分子クローニングの出現を主因カスタム プラスミド購入できますいくつかのサプライヤーから ELPs のような材料で作業時間を大幅に削減します。同様に、元の仕事は、連邦契約によって支えられた非営利使用するため今後の作業になりますとプラスミドを元の研究室から直接要求できます…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者に感謝 t. パーマーと H. バブー (スタンフォード大学脳神経外科)図4 マウスの Npc。 ベクター アートを提供するために使用され、クリエイティブ ・ コモンズ表示 3.0 Unported ライセンス (https://creativecommons.org/ の下で仏医術から適応licenses/by/3.0/legalcode)。この作業の一環で、スタンフォード大学ナノ共有施設 (SNSF)、賞 ECCS 1542152 下の国立科学財団によってサポートを行った。N.A.S. は、サポートから国立科学研究所の一般医療の健康の国民の協会 (32 GM 008412) を認めています。C.M.M. は、博士フェローシップ (F31 EB020502) と Siebel 学者プログラムの NIH NRSA からサポートを認めています。S.C.H. では、再生医療 (RT3-07948)、国立衛生研究所 (U19 AI116484 と R21 EB018407)、全米科学財団 (DMR 1508006)、およびカリフォルニア工科大学からサポートを認めています。この研究は、ユーニス · ケネディ · シュライバー国立衛生研究所の子と人間の開発 (NICHD)、国立研究所によってサポートされている再生のリハビリテーション研究・ トレーニング (AR3T)、連合から資金を受けてください。神経疾患と脳卒中 (NINDS)、医用イメージング、生体 (NIBIB) 賞を受賞番号 P2CHD086843 の下で健康の国立研究所の国立研究所。内容は著者の責任と健康の国民の協会の見解を必ずしも表さない。
Materials
| Elastin-Like Protein Expression and Purification | |||
| 10 cm Petri Dishes | Thermo Fisher Scientific | FB0875713 | |
| 70% Ethanol | RICCA Chemical | 2546.70-1 | |
| Ammonium Sulfate | Sigma-Aldrich | A3920-500G | |
| Ampicillin | Thermo Fisher Scientific | BP1760-25G | |
| Bacto Agar | Thermo Fisher Scientific | 9002-18-0 | |
| BL21(DE3)pLysS Competent Cells | Invitrogen | C606003 | |
| Chloramphenicol | Amresco | 0230-100G | |
| Deoxyribonuclease I from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | DN25 | |
| EDTA disodium salt, dihydrate | Thermo Fisher Scientific | O2793-500 | |
| Glycerol | Thermo Fisher Scientific | BP229-4 | |
| Isopropanol | Thermo Fisher Scientific | A451-4 | |
| Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Thermo Fisher Scientific | BP1755-10G | |
| Luria Broth | EMD Millipore | 1.10285.5007 | |
| Parafilm | VWR | 52858-000 | |
| Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | MP Biomedicals | 195381 | |
| Sodium Chloride | Thermo Fisher Scientific | BP358-212 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | S 8045-1KG | |
| Syringe Filter Unit (0.22 μm) | Millipore | SLGP033RB | |
| Terrific Broth | Millipore | 71754-4 | |
| Tris Base | Thermo Fisher Scientific | BP152-1 | |
| Cell Encapsulation in 3D ELP Hydrogels | |||
| 0.22 μm syringe filters | Millipore | SLGV004SL | |
| 0.5 mm thick silicone sheet | Electron Microscopy Science | 70338-05 | |
| 24-well tissue culture plates | Corning | 353047 | |
| Disposable Biopsy Punch (2 mm) | Integra Miltex | 33-31 | |
| Disposable Biopsy Punch (4 mm) | Integra Miltex | 33-34 | |
| Disposable Biopsy Punch (5 mm) | Integra Miltex | 33-35 | |
| Dulbecco’s phosphate buffered saline (DPBS) | Corning | 21-031-CM | |
| No. 1 12 mm glass coverslips | Thermo Fisher Scientific | 12-545-80 | |
| Tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC) | Sigma-Aldrich | 404861-100ML | |
| 0.5% Tryspin/EDTA | Thermo Fisher | 15400054 | |
| Immunocytochemistry of Cells in 3D ELP Hydrogels | |||
| 16% (w/v) Paraformaldehyde (PFA) | Electron Microscopy Sciences | 15701 | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Roche | 3116956001 | |
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Molecular Probes | D1306 | |
| Donkey Serum | Lampire Biological Labs | 7332100 | |
| Goat anti-mouse Secondary Antibody (AF488) | Molecular Probes | A-11017 | |
| Goat anti-rabbit Secondary Antibody (AF546) | Molecular Probes | A-11071 | |
| Goat Serum | Gibco | 16210-072 | |
| Mouse Nestin Primary Antibody | BD Pharmingen | 556309 | |
| Mouse Sox2 Primary Antibody | Cell Signaling Technology | 23064S | |
| Nail Polish | Electron Microscopy Sciences | 72180 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-100ML | |
| Vectashield Hardset Mounting Medium | Vector Labs | H-1400 |
References
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