A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
A novel vocal fold bioreactor capable of delivering physiologically relevant, vibratory stimulation to cultured cells is constructed and characterized. This dynamic culture device, when combined with a fibrous poly(ε-caprolactone) scaffold, creates a vocal fold-mimetic environment that modulates the behaviors of mesenchymal stem cells.
In vitro engineering of mechanically active tissues requires the presentation of physiologically relevant mechanical conditions to cultured cells. To emulate the dynamic environment of vocal folds, a novel vocal fold bioreactor capable of producing vibratory stimulations at fundamental phonation frequencies is constructed and characterized. The device is composed of a function generator, a power amplifier, a speaker selector and parallel vibration chambers. Individual vibration chambers are created by sandwiching a custom-made silicone membrane between a pair of acrylic blocks. The silicone membrane not only serves as the bottom of the chamber but also provides a mechanism for securing the cell-laden scaffold. Vibration signals, generated by a speaker mounted underneath the bottom acrylic block, are transmitted to the membrane aerodynamically by the oscillating air. Eight identical vibration modules, fixed on two stationary metal bars, are housed in an anti-humidity chamber for long-term operation in a cell culture incubator. The vibration characteristics of the vocal fold bioreactor are analyzed non-destructively using a Laser Doppler Vibrometer (LDV). The utility of the dynamic culture device is demonstrated by culturing cellular constructs in the presence of 200-Hz sinusoidal vibrations with a mid-membrane displacement of 40 µm. Mesenchymal stem cells cultured in the bioreactor respond to the vibratory signals by altering the synthesis and degradation of vocal fold-relevant, extracellular matrix components. The novel bioreactor system presented herein offers an excellent in vitro platform for studying vibration-induced mechanotransduction and for the engineering of functional vocal fold tissues.
حظيرة صخبا الإنسان، التي تتألف من طبقة الطلائية، الصفيحة المخصوصة (LP) والعضلات الصوتية، هو الأنسجة الرخوة المتخصصة الذي يحول تدفق الهواء من الرئتين إلى موجات الصوتية لإنتاج الصوت. 1 الطيات الصوتية تتذبذب بشكل منتظم خلال معالجة حكمية العادية، اظهار سلالات تصل إلى 30٪ عند ترددات الأساسية تتراوح 100-300 هرتز. 2 الكبار الصوتية أضعاف LP هو بنية التدرج تتألف من سطحية (SLP)، والمتوسطة (ILP) وعميقة (DLP) طبقة. مجموعات تصنيف مزيد من الظهارة وSLP كطبقة الغشاء المخاطي، ويجمع بين ILP وDLP في الرباط الصوتية. 3 يحتوي على طبقة SLP أساسا مصفوفة غير متبلور مع ألياف كولاجيني فرقت قليلة، في حين يتم تخصيبها في الرباط مع الكولاجين وألياف الإيلاستين ناضجة لتوفير قوة كافية. 4 هيكل وآليات الطيات الصوتية حديثي الولادة تختلف كثيرا عن نظرائهم ناضجة. على الرغم من أن آليةلا تزال غير مفهومة و تنظيم التنمية أضعاف صخبا والنضج الكامل، وأشارت الأدلة التجريبية إلى الأدوار المميزة للإجهاد الناجم عن النطق.
العديد من الظروف الطبية، بما في ذلك الإساءة صوت، والالتهابات، والمهيجات الكيميائية العمليات الجراحية، يمكن أن تلحق الضرر أضعاف صخبا. اضطرابات أضعاف الصوتية تؤثر على ما يقدر ب 3-9٪ من سكان الولايات المتحدة. طرق العلاج الحالية لاضطرابات أضعاف صخبا تقتصر 5 وبرز نهج هندسة الأنسجة القائمة على الخلايا الجذعية باعتبارها استراتيجية واعدة لاستعادة وظيفة أضعاف صخبا. الخلايا الجذعية الوسيطة (اللجان الدائمة) هي بديل مناسب للالليفية أضعاف صخبا صخبا الرئيسي لهندسة الأنسجة أضعاف. يتم بوساطة 6-9 مصير الخلايا الجذعية مواصفات والتنمية الأنسجة لاحق من مكانة محددة يقيمون في، منها الحالة الميكانيكية هو عامل حيوي 10 القوات الميكانيكية والمنظمين أساسيا من الأنسجة التشكل والثانية التوازن، وخاصة بالنسبة الأنسجة التي تتعرض بشكل روتيني لتحميل 11 من منظور هندسة الأنسجة، فقد ثبت أن التعرض لمن الناحية الفسيولوجية ذات الصلة بالتحفيز الميكانيكي يعزز تمايز الخلايا الجذعية والأنسجة محددة مصفوفة إعادة عرض. 12-15
تم تصميم المفاعلات الحيوية زراعة الأنسجة لمحاكاة البيئة الفسيولوجية المطلوب لنمو الخلايا أو الأنسجة في المختبر. لصخبا هندسة الأنسجة أضعاف، فمن الأهمية بمكان وخاصة لإعادة البيئة الميكانيكية من الطيات الصوتية phonating. مثالية الصوتية أضعاف مفاعل حيوي يجب أن يدلي نحو فعال العظة اهتزازي إلى خلايا الثقافة، والسماح التحكم السهل على التردد، السعة ومدة الاهتزازات. Titze وزملاء العمل وضعت مفاعل حيوي الصوتية أضعاف (T1 مفاعل حيوي) 16 الذي يجمع بين تمتد ثابت مع ارتفاع وتيرة (20-200 هرتز) التذبذبات لتحفيز إنتاج البروتينات الخلوية المصفوفة. النقيبز هذه مفاعل حيوي، ودرس ويب وزملاؤه 17 من آثار 10 يوما، الاهتزازات 100 هرتز على الخلايا الليفية الجلدية مثقف في حمض الهيالورونيك (HA) على أساس هيدروجيل. يبني يتعرض للاهتزاز عرضت تعبير مرتفعة من سينسيز HA-2 (HAS2)، decorin، fibromodulin ومصفوفة الفلزي-1 (MMP1)، نسبة إلى ضوابط ثابتة. تم العثور على آثار تنشيطية ليكون الوقت قد حان التابعة. في الآونة الأخيرة، وتجميعها لدينا مجموعة 18 مفاعل حيوي أضعاف الصوتية (J1 مفاعل حيوي) باستخدام مكبر للصوت السلطة، ومولد وظيفة، وهو المتكلم بصوت عال المغلقة وغشاء السيليكون الراسية محيطي التي تنقل الهواء تتأرجح إلى الخلايا المرفقة. وتعرض الخلايا الليفية القلفة حديثي الولادة المزروعة في مفاعل حيوي J1 إلى 1 ساعة من الاهتزاز عند 60، 110 أو 300 هرتز، مع الضغط في الطائرة تصل إلى 0.05٪. اقترح نتائج QPCR أن التعبير عن بعض الجينات ECM تم تغيير معتدلة ردا على الترددات الاهتزازية متنوعةوسعة.
هذه التصاميم مفاعل حيوي، في حين فضول، لديها العديد من القيود. على سبيل المثال، يتطلب النظام T1 عدد كبير من الروابط والقضبان لاقتران الميكانيكية، والحد الأقصى للترددات يمكن بلوغه. علاوة على ذلك، قد يتعرض لخلايا غير مرغوبة الميكانيكية التحريض والسوائل الاضطراب التي تعقد تفسير البيانات. مفاعل حيوي J1، من ناحية أخرى، يسلك منخفضة نسبيا كفاءة تحويل الطاقة وليس سهل الاستعمال. بالإضافة إلى ذلك، في كثير من الأحيان الاهتزاز يفصل يبني خلايا لادن من غشاء السيليكون الأساسية. وJ2 أضعاف صخبا مفاعل حيوي ذكرت هنا، والمصممة على أساس المبدأ نفسه كإصدار J1، هو الأمثل من أجل التناسق والتكاثر. يتم إنشاء الاهتزازات محاكاة معالجة حكمية ديناميكية هوائية في غرف الاهتزاز تركيبها بشكل فردي حيث MSC-بالسكان بولي الليفية (ε-caprolactone) (PCL) السقالات هي فعاليهتأمين اعل. الليزر دوبلر Vibrometry (LDV) يسمح للمستخدم للتحقق من البيانات الشخصية اهتزازي للجمعية الغشاء / السقالة. في مظاهرة لدينا، ويتعرض اللجان الدائمة إلى 200 هرتز الاهتزازات الجيبية مع (من) نمط 1-HR-على-1-HR-قبالة ليصبح المجموع 12 ساعة يوميا لمدة 7 أيام. يتم التحقيق في الاستجابات الخلوية لمنبهات اهتزازي فرض منهجي. وعموما، فإن أضعاف صخبا J2 يوفر معظم ميزات سهلة الاستخدام، مما يسمح لإجراء دراسات ثقافة الخلية الحيوية في إنتاجية عالية والأزياء استنساخه.
1. الجمعية تفاعلات الاحيائية (فيديو 1)
2. تصنيع وتوصيف سقالة
3. الجمعية تفاعلات الاحيائية وتوصيف
4. الاهتزازي خلية ثقافة
5. التقييم البيولوجي
السقالات PCL ملفقة من قبل electrospinning تحتوي على مسام ميكرون الخلالي الحجم والألياف عشوائيا متشابكا مع متوسط قطرها 4.7 ميكرون (الشكل 4A). في التكبير العالي، الأخاديد النانو والمسام واضحة على ألياف الفردية (الشكل 4B). طلاء من السقالات مع فبرونيكتين يحسن hydr...
الهندسة ناجحة للأنسجة أضعاف صخبا وظيفية في المختبر يتطلب الترفيه من مثل أضعاف المكروية الصوتية للتوسط في سلوك خلايا متعددة القدرات. ومن المتفق عليه عموما أن النسيج أو العضو الهياكل تعكس المهام التي يتعين عليهم القيام بها. الأنسجة لل22 أضعاف صخبا، تقترح ال?...
لا توجد المصالح المالية المتنافسة.
نشكر الدكتور جيفري كابلان لتدريبه والمشورة بشأن التصوير متحد البؤر. نحن نشكر أيضا الكترون مختبر المجهر كيك والدكتور تشاو يينغ ني للحصول على المساعدة ووزارة شؤون المرأة. ويتم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية لل(وNIDCD، R01DC008965 R01DC011377) الصحة. يقر ABZ NSF التكاملية العليا التعليم والبحث العلمي، تدرب برنامج (IGERT) للحصول على التمويل.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
silicone elastomer kit | Dow Corning | Sylgard 184 | cure the membrane at 100 C for 2 hr |
PCL | Sigma Aldrich | 440744-500G | Mn ~ 80 kDa, dissolve overnight |
chloroform | Sigma Aldrich | C7559-5VL | |
human bone marrow-derived MSCs | Lonza | PT-2501 | received with passage 2 |
MSC maintenance media | Lonza | PT-3001 | 10% FBS in basal media supplemented with L-glutamine, gentamicin and amphotericin |
Accutase cell dissociation reagent | Life Technologies | A11105-01 | |
ethanol | Sigma Aldrich | E7023-500ML | |
fibronectin | Sigma Aldrich | F2006-1MG | |
MMP1 DuoSet ELISA kit | R&D systems | DY901 | |
HA ELISA kit | Echelon Biosciences | K-1200 | |
PBS | Life Technologies | 14190-136 | |
propidium iodide | Life Technologies | P1304MP | |
Syto-13 | Life Technologies | S7575 | |
QuantiTect reverse transcription kit | Qiagen | 205311 | |
SYBR Green PCR master mix | Life Technologies | 4309155 | |
replacement speaker | DAYTON audio (via Parts Express) | DS90-8 | paper cone, full range (80-13000 Hz), 85dB |
Ergo Micro torque screwdriver | Mountz | # 020377 | torque range: 20-120 cN.m |
stereo speaker selector | RadioShack | 40-244 | maximum power handling 50 W |
function generator | Agilent | 33220A | frequency range 1 µHz- 20 MHz |
power amplifier | PYLE audio | PylePro PT2400 | frequency response: 10 Hz-50 kHz, two speaker channels |
cell culture incubator | Thermo Fisher | Steri-Cult 3307 | |
syringe pump | New Era Pump Systems | NE-300 | |
High voltage power supply | Spellman | CZE 1000R | output voltage: 0-30 kV |
scanning electron microscope | JEOL-USA | JSM-7400F | |
desk gold sputter coater | Denton Vacuum | DSK00V-0013 | |
Doppler laser vibrometer | Polytec | PDV-100 | non-contact velocity measurement (0-22 kHz) |
PCR sequence detection system | Applied Biosystems | ABI7300 | |
multiphoton confocal microscope | Zeiss | Zeiss 510Meta NLO | |
UV-VIS Spectrophotometer | NanoDrop Products via Thermo Scientific | ND-2000 | |
VibSoft Data Acquisition Software | Polytec | acquisition bandwidth up to 40 MHz | |
Origin 8.5 data analysis software | OriginLab | ||
qbasePlus qPCR data analysis software | Biogazelle | V2.3 | |
aluminium alloy | McMaster-Carr | Alloy 6061 | |
acrylic blocks | McMaster-Carr | ||
polycarbonate anti-humidity chamber | McMaster-Carr | Impact-Resistant Polycarbonate | |
screws | McMaster-Carr | ||
electronic cable/wire | |||
medical grade PVC tubing | US Plastic Corp. | Tygon S-50-HL | clear, biocompatible |
10 mL syringe | Becton Dickinson | 309604 | |
21 G blunt ended needle | Small Parts | NE-213PL-25 | 1-1/2" length |
Alligator clip adapters | RadioShack | 270-354 | fully insulated |
8 mm biopsy punch | Sklar Surgical Instruments | 96-1152 | sterile, disposable |
12 mm biopsy punch | Acuderm (via Fisher Scientific) | NC9998681 | |
tissue culture flasks | Corning | cell culture treated |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved