ריבוי תאים ואיברים דנטליים ונשימתיים במיקרו-כבידה
Summary
פרוטוקול זה מציג שיטה לתרבית ולצמיחה תלת-ממדית של תאים דמויי אמלובלסט במיקרו-כבידה כדי לשמור על צורתם המוארכת והמקוטבת, כמו גם על ביטוי חלבונים ספציפיים לאמייל. כמו כן מתוארים תנאי תרבית לתרבית של מבנים הנדסיים פריודונטליים ואיברי ריאה במיקרו-כבידה.
Abstract
כוח הכבידה הוא אחד הגורמים המרכזיים המשפיעים על תפקוד התא האנושי, התפשטותו, ארכיטקטורה ציטוסקטלית והתמצאות. מערכות ביוריאקטורים סיבוביים (RCCSs) מחקות את אובדן הכבידה כפי שהוא מתרחש בחלל ובמקום זאת מספקות סביבת מיקרו-כבידה באמצעות סיבוב מתמשך של תאים או רקמות בתרבית. RCCSs אלה מבטיחים אספקה ללא הפרעה של חומרים מזינים, גורמי גדילה ושעתוק וחמצן, ומטפלים בכמה מהחסרונות של כוחות הכבידה בכלים דו-ממדיים (דו-ממדיים) של תאים דו-ממדיים או של תרביות איברים ללא תנועה. במחקר הנוכחי השתמשנו ב-RCCSs כדי לתרבת תאים של לולאת צוואר הרחם ותאי מוך השן כדי להפוך לאמלובלסטים, כדי לאפיין אינטראקציות של אבות חניכיים/פיגומים, וכדי לקבוע את ההשפעה של דלקת על נאדיות ריאה. סביבות ה-RCCS הקלו על צמיחה של תאים דמויי אמלובלסט, קידמו שגשוג אבות חניכיים בתגובה לציפויי פיגומים, ואפשרו הערכה של ההשפעות של שינויים דלקתיים על נאדיות ריאה בתרבית. כתב יד זה מסכם את התנאים הסביבתיים, החומרים והצעדים לאורך הדרך ומדגיש היבטים קריטיים ופרטים ניסיוניים. לסיכום, RCCSs הם כלים חדשניים כדי לשלוט בתרבית ובצמיחה התלת-ממדית (תלת-ממדית) של תאים במבחנה ולאפשר מחקר של מערכות תאיות או אינטראקציות שאינן מקובלות על סביבות תרבית דו-ממדיות קלאסיות.
Introduction
כוח הכבידה משפיע על כל היבטי החיים על פני כדור הארץ, כולל הביולוגיה של תאים בודדים ותפקודם בתוך אורגניזמים. תאים חשים את כוח הכבידה באמצעות מכנורצפטורים ומגיבים לשינויים בכוח הכבידה על ידי הגדרה מחדש של ארכיטקטורות ציטוסקטליות ועל ידי שינוי חלוקת התא 1,2,3. השפעות אחרות של מיקרו-כבידה כוללות את הלחץ ההידרוסטטי בבועיות מלאות בנוזל, שקיעה של אברונים, והסעה מונעת ציפה של זרימה וחום4. מחקרים על השפעת אובדן כוח הכבידה על תאים ואיברים אנושיים נערכו במקור כדי לדמות את הסביבה חסרת המשקל של החלל על אסטרונאוטים במהלך משימות טיסה בחלל5. עם זאת, בשנים האחרונות, טכנולוגיות הביו-ריאקטור התלת-ממדיות הללו, שפותחו במקור על ידי נאס”א כדי לדמות מיקרו-כבידה, הופכות רלוונטיות יותר ויותר כגישות חדשניות לתרבית של אוכלוסיות תאים, שאחרת אינן מקובלות על מערכות תרבית דו-ממדיות.
ביוריאקטורים תלת-ממדיים מדמים מיקרו-כבידה על-ידי גידול תאים בתרחיף ובכך יוצרים אפקט קבוע של “נפילה חופשית”. יתרונות נוספים של הביוריאקטורים המסתובבים כוללים את היעדר החשיפה לאוויר במערכות תרבית איברים, הפחתה בלחץ הגזירה ובמערבולות, וחשיפה מתמשכת לאספקה משתנה של חומרי מזון. תנאים דינמיים אלה המסופקים על ידי ביוריאקטור של מערכת תרביות תאים סיבובית (RCCS) מעדיפים לוקליזציה של קו-לוקליזציה מרחבית והרכבה תלת-ממדית של תאים בודדים לתוך אגרגטים 6,7.
מחקרים קודמים הדגימו את היתרונות של ביוריאקטור סיבובי להתחדשות עצם8, תרבית נבט שיניים9, ולתרבית של תאי זקיק דנטלייםאנושיים 10. כמו כן, פורסם דו”ח המצביע על כך ש-RCCS מגביר את התפשטות תאי ה-EOE ואת התמיינותם לאמלובלסטים11. עם זאת, תאים ממוינים נחשבו לאמלובלסטים המבוססים על אימונופלואורסצנציה של אמלובלסטין ו/או ביטוי אמלוגנין בלבד11 מבלי לקחת בחשבון את המורפולוגיה המוארכת שלהם או את צורת התא המקוטבת שלהם.
בנוסף לביוריאקטור של כלי קיר מסתובבים (RWV) שפותח על ידי נאס”א, טכנולוגיות אחרות ליצירת אגרגטים תלת-ממדיים מתאים כוללות ריחוף מגנטי, מכונת המיקום האקראית (RPM) והקלינוסטט12. כדי להשיג ריחוף מגנטי, תאים המסומנים בננו-חלקיקים מגנטיים מרחפים באמצעות כוח מגנטי חיצוני, וכתוצאה מכך נוצרים מבנים תלת-ממדיים נטולי פיגומים ששימשו לייצור ביולוגי של מבנים אדיפוציטים13,14,15. גישה נוספת להדמיית מיקרו-כבידה היא יצירת כוחות G רב-כיווניים על ידי שליטה בסיבוב סימולטני על שני צירים וכתוצאה מכך ביטול וקטור הכבידה המצטבר במרכז התקן הנקרא קלינוסטט16. כאשר תאי גזע של מח עצם גודלו בתרבית בקלינוסטט, היווצרות עצם חדשה עוכבה באמצעות דיכוי התמיינות אוסטאובלסט, מה שממחיש את אחת ההשפעות המפרישות של מיקרו-כבידה16.
מערכות במבחנה כדי להקל על התרבות הנאמנה של אמלובלסטים יספקו צעד גדול קדימה לקראת הנדסת רקמת אמייל השן17. למרבה הצער, עד כה, תרבות האמלובלסטים הייתה משימה מאתגרת18,19. עד כה דווח על חמישה קווי תאים שונים דמויי אמלובלסטים, כולל קו תאי שושלת האמלובלסטים של העכבר (ALC), קו תאי האפיתל הדנטלי של החולדה (HAT-7), קו תאי LS8 של העכבר20, קו התאים PABSo-E החזירי 21 וקו התאים SF2-24 של החולדה22. עם זאת, רוב התאים האלה איבדו את צורת התא המקוטבת הייחודית שלהם בתרבית דו-ממדית.
במחקר הנוכחי פנינו למערכת ביוריאקטורים של תרבית תאים סיבוביים (RCCS) כדי להקל על צמיחתם של תאים דמויי אמלובלסט מאפיתליה של לולאת צוואר הרחם בתרבית משותפת עם אבות מזנכימליים ולהתגבר על האתגרים של מערכות תרבית דו-ממדיות, כולל זרימה מופחתת של חומרים מזינים ושינויים ציטוסקטליים עקב כוח הכבידה. בנוסף, ה-RCCS סיפק אפיקים חדשניים לחקר אינטראקציות בין תאים לפיגומים הקשורים להנדסת רקמות חניכיים ולבחינת ההשפעות של מתווכי דלקת על רקמות נאדיות ריאה במבחנה. יחד, תוצאות מחקרים אלה מדגישות את היתרונות של מערכות תרבית סיבוביות מבוססות מיקרו-כבידה להפצת אפיתליה מובחנת ולהערכת השפעות סביבתיות על תאים הגדלים במבחנה, כולל אינטראקציות בין תאים לפיגומים ותגובת הרקמות למצבים דלקתיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שלבים קריטיים בפרוטוקול לצמיחת תאים במיקרו-כבידה כוללים את הביוריאקטור, הפיגום, התאים המשמשים לתרבית תלת-ממדית וציפוי הפיגומים כאמצעי להשראת התמיינות תאים. סוג הביוריאקטור המשמש במחקרים שלנו כולל את הביוריאקטור RCCS-4, שינוי שנערך לאחרונה במערכת תרבית התאים הסיבובית המקורית (RCCS) של מתקן תר…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקרים נתמכו בנדיבות על ידי מענקים מהמכון הלאומי למחקר דנטלי וקרניופציאלי (UG3-DE028869 ו-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 |
References
- 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).
