组织工程细胞在三维凝胶封装

摘要

我们目前合成水凝胶内的细胞的三维（3D）封装的协议。封装过程概述了交联（迈克尔型除了和光发起的自由基机制）两种常用的方法，以及评估封装细胞行为的一些技巧。

摘要

细胞内的水凝胶的3D封装代表一个日益重要和流行的技术，对培养细胞和组织工程结构的发展。这种环境中更好地模拟细胞在体内的观察 ，比较标准的组织培养，由于组织的性质和3D环境。合成聚合物水凝胶，水肿，可设计是稳定的，或通过水解或水解降解，作为新的组织沉积是由封装细胞网络。这些应用程序，如聚乙二醇（PEG）和透明质酸的聚合物的种类繁多，已探索。最常见的聚合物功能化与活性基团，如甲基丙烯酸或丙烯酸酯通过各种机制进行交联的能力。在过去的十年中，已经取得了很大的进展，工程这些微环境-例如，通过物理或高架共价纳入生化线索-以提高生存能力和直接的细胞表型，包括封装的干细胞的分化（伯迪克等）。

细胞的三维封装下面的方法进行了优化，在我们和其他实验室，以最大限度地提高细胞相容性和减少凝胶处理步骤。在以下协议（见程序的说明图1），它是假定能够发生交联官能聚合物已手;优良的高分子化学应用于组织工程领域的评论可能会发现其他地方（伯迪克等 ），这些方法都与一系列聚合物类型兼容。此外，迈克尔型除了（见Lutolf 等。）和光发起自由基（见Elisseeff 等）。机制集中在这里只占报告交联技术的一小部分。混合模式下的交联，反应性基团，其中一个部分是第一所消耗的除交联，由一个激进的机制，是常用的另一个导演（Khetan等，萨利纳斯等。）封装细胞的表型和强大的范例。

研究方案

A.材料的制备和灭菌

1. 之前封装材料的准备，准备一个光引发剂Irgacure 2959磷酸盐（I2959）0.5％的溶液缓冲液（PBS），经搅拌和孵化数天在37 ° C该解决方案，然后可以过滤消毒和存放在室温下长期使用的注射器。
2. 根据所需成分的合成的凝胶，聚合物和交联剂的重量计算（使用一个电子表格程序，如Microsoft Excel）需要。由于必须在一个确定的总量来实现所需的浓度在水凝胶，交联剂和聚合物溶液的总凝胶体积的部分溶解的聚合物重量也必须使用电子表格。应作出类似的计算，如果任何挂件基团（如粘合剂RGD或YGSR含有寡肽）交联前纳入。
3. Eppendorf管中，称取所需的聚合物和交联剂的数量和地点。相应调整计算电子表格，得到的聚合物的实际重量。 （ 注 ：卷可以改变，以弥补实际中得到的聚合物和交联剂质量）。
4. 准备使用刀片削减独立包装的无菌1毫升一次性注射器顶部凝胶模具。确保平砍photopatterned凝胶使用的模具。
5. 将注射器模具，Eppendorf管（瓶盖打开）和任何其他必要的材料下杀菌光源（通常是生物安全柜内置），消毒30​​分钟。

B.细胞制备

1. 经杀菌，添加适当的无菌缓冲液（每个电子表格计算;而选择的缓冲区可以有所不同，PBS和三乙醇胺，如弱碱缓冲通常用于自由基和迈克尔型交联，分别）聚合物的Eppendorf和（可选）被列入挂件基团（例如，粘合剂肽）和涡解散（如果震荡以外的无菌罩包装用封口膜Eppendorf公司）。
2. 挂件基团的解决方案中添加适当体积的聚合物溶液和包装用封口膜密封。简要涡和孵化，在37 ° C反应（如果可能的话，顶上旋转搅拌板）在细胞的准备。这涉及到一种肽巯基的反应（通过半胱氨酸组）丙烯酸酯或甲基丙烯酸甲酯，使肽是作为在最后的水凝胶的挂件组。
3. Trypsinize和计数细胞，并为每个凝胶含有适当数量的部分分开。例如，对于在10万细胞/毫升，独立成一个单独的锥形管150万细胞的密度设置了三个50μL凝胶。这是建议，准备在一个单独的设置由于凝胶的时间（注：如果凝胶合成多套，单Eppendorf公司所有集合含有足量的聚合物溶液可以制备）不超过4凝胶。
4. 离心机的细胞。
5. 虽然细胞是停转
   1. 光引发自由基交联 ：添加0.5％I2959的解决方案，以平等的聚合物溶液的总凝胶设置体积的10％（最终引发剂浓度为0.05 wt％的）。
   2. 迈克尔型（除）交联 ：添加交联剂的缓冲区，达到相应的浓度解决方案。
   3. 对于连续交联：这些凝胶结合了两种类型的交联，并要求前面的步骤。

C.水凝胶的形成

1. 吸上清液离心细胞部分。为液体，等待最初的愿望和重新吸后定居，不破坏细胞沉淀中删除尽可能多的媒体。
2. 与聚合物溶液重悬细胞沉淀，直至细胞是均匀分布的。尽量减少气泡的形成，慢慢地移液的解决方案和向下（约10个周期应该足够分发细胞）。
3. 交联水凝胶
   1. 光引发自由基交联 ：分装到注射器尖模具的适当的音量。揭露自由基交联注射器（例如，10分钟暴露于365 nm的紫外线照射，4 mW/cm2的紫外线是为丙烯酸酯官能聚合物常见）。这一步，​​应快速进行，以尽量减少紫外线照射细胞之前解决。
   2. 迈克尔型（此外）交联 ：使用宽口枪头，加入交联剂溶液适当体积的聚合物/电池解决方案，设置所需的个人凝胶体积移液器，吸液管的解决方案和向下同质化，并分装到注射器尖端模具。这一步，​​应快速进行，以确保细胞均匀分布。 10-30分钟（取决于各个系统）允许交联的文化引擎盖孵化。
   3. 连续交联 ：这涉及到迈克尔型加成反应第一，然后暴露在光线下的第二个交联。只有一小部分的理论交联应在第一次交联反应，然后无菌口罩应直接适用于凝胶表面的光线照射，用消毒镊子前。一个功能化染料（例如，methacrylated罗丹明（MeRho）在终浓度为20纳米凝胶），也可能被添加到最初的解决方案，以可视化的图案，因为它会优先纳入彻底交联的凝胶地区（图2 ）。

D.细胞培养及分析

1. 以下交联成一个组织培养板，孵化和分析媒体井（见下面的步骤）的暴跌凝胶。
2. 细胞可形态使用光学显微镜（图3，通常情况下，合成的凝胶是透明的）的可视化和活力，用荧光活/死染色试剂盒（图3和4）。细胞肌动蛋白（例如，罗丹明或荧光标记的鬼笔环肽）和细胞核染色（例如，4' - 6 - Diamidino - 2 -苯基吲哚（DAPI）），可以执行下列程序使用标准的固定和通透的程序（图4）。
   1. 5分钟，用PBS冲洗结构3X。
   2. 修复凝胶1 mL 4％的甲醛在室温下30分钟的潜伏期。
   3. 阻塞含3％（W / V）BSA和0.5％（W / V）吐温的PBS溶液冲洗结构3X。
   4. 0.25％（W / V）X阻断20分钟的解决方案，海卫一的通透膜。
   5. 阻断溶液冲洗结构3X。
   6. F -肌动蛋白染色0.66微克/毫升FITC或罗丹明鬼笔环肽在阻塞在室温两小时的解决方案。
   7. 封闭液冲洗3倍。
   8. 使用20分钟0.4μL/ mL的PBS中的DAPI染色细胞的细胞核。
   9. 用PBS冲洗3倍。
   10. 使用啶或共聚焦显微镜可视化细胞。
3. 凝胶内的细胞的扩散通常使用市售的检测（例如，总DNA或生化内容）评估。 PicoGreen是一个常用和敏感的荧光核酸定量双链DNA染色（Singer 等人）。细胞也算归初步控制数量，使用步骤2中所述的可视化方法。
4. 组织学切片和染色，也可用于可视化细胞，并形成矩阵可能被用来获取载玻片上的横截面切片的三维水凝胶的脱水和切片以下协议：
   1. 固定和脱水
      1. 在PBS冲洗标本3X。
      2. 修复5 - 30分钟，在4％多聚甲醛。
      3. 在PBS冲洗标本3X。
      4. 孵育样品中的乙醇在25℃，1小时以下的乙醇（V / V）在水中的浓度（按顺序）：50％，70％，95％，95％，100％（在这一点上，样品可存放在25℃过夜）。
   2. 结算和渗透
      1. 转移到100％Citrisolv，为1小时25 ° C一小时65 ° C。
      2. 样品在培养皿等截面样品暴露的刀片切成两半。
      3. 传输Citrisolv /微切割石蜡为1小时，以1:1混合，在65 ° C。
      4. 传送1小时的100％微切割石蜡在65 ° C。
      5. 一夜之间转移到100％的微切割石蜡在65 ° C。
      6. 1-2小时，以100％的微切割石蜡转移在65 ° C。
   3. 嵌入
      1. 位置剥离模具100％石蜡标本。
      2. 将少量的蜡模床，并插入样品的两个半断面朝下。
      3. 申请顶级的过滤片
         1. 添加额外的蜡淹没顶件〜10分钟，并允许变硬。
      4. 将插入到4 ° C冰箱，让标本变硬过夜。
      5. 标本可能是部分ED翌日，通常使用市售切片机，每片5-10微米的厚度。剥离模具通常垂直安装，对切片机阶段，手动控制用于设置样品与刀片的切片厚度，切片和对齐。
   4. RNA的提取
      
      基因的表达，也可以定量评估（例如，通过实时聚合酶链反应（PCR））。 RNA提取三维凝胶，下面给出的例子，协议是从简单的2D情况下完全不同。
      1. 每个三维凝胶标签认证的核糖核酸酶自由Eppendorf管，每管加500μL的Trizol ®试剂。
      2. 使用杵（组织磨床），直到获得一个明确的解决办法是手工研磨凝胶。确保不同的磨床用于每个条件。
      3. 涡每个Eppendorf公司为20秒均质样品。
      4. 在室温下孵育五分钟的样本，以允许完整的核蛋白复合物的分解。
      5. 20分钟冰酷的样本
      6. 添加200μL（每毫升Trizol法）氯仿每个样品和旋涡。
      7. 五分钟，在室温下孵育样本。
      8. 在12000 XG离心样品在4 ° C 15分钟。
      9. 水相（明确的顶层）转移到新的Eppendorf管（避免界面的地区和较低的红，酚 - 氯仿相）。 RNA保持在清晰的水相。
      10. RNA分离和储存常用的技术，现在可以使用。
      11. 下面的RNA提取，逆转录酶和实时PCR市售包经常被用来与了一些修改（Elisseff等。Strehin等 ）。 。

代表性的成果：

请参阅图2-4（参考上述协议）为代表photopatterned水凝胶，凝胶内的细胞封装的可视化结果。

图1。3D封装过程的概述。图的步骤逐步协议中的章节标题。

图2。Photopatterned水凝胶使用顺序迈克尔型除了当时的自由基聚合。 （一）具有部分交联的水凝胶的照片活性染料纳入photopatterning示意图。 （二）圈或（C）条纹透明胶片面具图案的透明质酸凝胶。 Methacrylated罗丹明（MeRho）注册成立，只有在被暴露在光线下的地区的凝胶。比例尺= 100微米。

图3。细胞在三维凝胶可视化。可视化的干细胞通过（一）光镜或（二）生活（绿色，钙黄绿素AM）和死（红色，乙锭二聚体- 1）染色24小时为1万细胞/ mL封装在一个通过光交联透明质酸凝胶发起自由基机理。比例尺= 100微米。

图4。细胞在三维凝胶可视化。 （一）活细胞（钙黄绿素AM）或（b）细胞肌动蛋白（罗丹明鬼笔环肽）和细胞核（DAPI）的5天以下封装在一个通过迈克尔型机制的交联透明质酸凝胶在1万细胞/ mL的hMSCs染色（使用挂件的胶粘剂的肽和双功能蛋白质降解的肽交联剂）。比例尺= 100微米。

讨论

所描述的协议代表一个简单而强大的的的方法，封装在cytocompatible地细胞内的水凝胶支架。这种技术是特别重要，因为终末分化，干细胞可以表现出明显不同的行为，在2D与3D的微环境。即使涉及植入材料（如原位自由基聚合），细胞封装和分析的可行性和分化的治疗方法，可以帮助在材料的发展过程中。描述的连续过程，可用于空间处理的水凝胶环境，因此细胞的行为（ 见Khetan等。 ）。

总体而言，最关键的因素所描述的协议是所有使用的解决方案的同质性。特别是，应采取特殊照顾，以确保细胞是均匀地分布在预聚物溶液，并通过吸管，再悬浮的解决方案是充分混合，加入交联剂的解决方案。未能确保这一点，可能会导致聚集在凝胶结构和肿胀的细胞或局部变化。

这里介绍的协议主要集中在封装细胞的过程，重要的是还注意到，封装可能需要一些调整，以分析，通常用于2D播种的书面协议。几个例子说明，可视化和评估水凝胶中的细胞。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
I2959	Reagent	Ciba Specialty Chemicals
.2 M Triethanolamine Buffer	Reagent	Sigma-Aldrich	T0449
PBS	Reagent	Invitrogen	14040-117	1x, sterile liquid
Live/Dead staining kit	Reagent	Invitrogen	L3224	Includes live (Calcein AM) and dead (ethidium homodimer-1) probes
Phalloidin-FITC	Reagent	Sigma-Aldrich	P5282
Rhodamine Phalloidin	Reagent	Invitrogen	R415
DAPI	Reagent	Sigma-Aldrich	D9542
Methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B (MeRho)	Reagent	Polysciences, Inc.	23591
Bovine Serum Albumin	Reagent	Sigma-Aldrich	A7030
Tween 20	Reagent	Sigma-Aldrich	P1379
Triton X-100	Reagent	Sigma-Aldrich	T8787
Citrisolv	Reagent	Fisher Scientific	22-143975
Micro-cut paraffin	Reagent	Polysciences, Inc.	24202
Trizol reagent	Reagent	Invitrogen	15596-026
0.22 μm pore size nylon syringe filters	Equipment	Fisher Scientific	09-719C
1 mL disposable syringes	Equipment	BD Biosciences	309602	Cut syringes at consistent height for UV exposure
Wide orifice pipette tips	Equipment	Sigma-Aldrich	P6800
Omnicure UV Spot Cure System with 365 nm filter	Equipment	EXFO	S1000
254 nm germicidal UV light source	Equipment			Built into most biological safety cabinets