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Method Article
我们提出了一种使用 3D 生物打印技术在标准六孔板上高通量生产具有灵活尺寸和所需模式的血管通道的方案,称为板上血管 (VOP)。该平台有可能推动与内皮受损相关的疾病的治疗开发。
血管通透性是开发与内皮受损相关的疾病疗法的关键因素,例如冠状动脉内皮功能障碍和血脑屏障功能受损。现有的制造技术不能充分复制人体血管网络的几何变化,这会严重影响疾病进展;此外,这些技术通常涉及多步骤制造程序,阻碍了药理学测试所需的高通量生产。本文提出了一种生物打印方案,用于直接在标准六孔板上创建具有所需图案和大小的多个血管组织,克服了生物打印技术中现有的分辨率和生产率挑战。建立了一种简化的制造方法,在水凝胶内构建六个中空的可灌注通道,随后与人脐静脉内皮细胞衬里,形成功能性和成熟的内皮细胞。3D 生物打印的计算机控制特性确保了高重现性,并且比传统方法需要更少的手动制造步骤。这凸显了 VOP 作为建模血管通透性和推进药物发现的高效高通量平台的潜力。
贯穿人体的血管网络通过动态调节血液与周围组织之间的分子和细胞交换,起到重要的运输屏障的作用。这种调节对于防止组织水肿和实现选择性营养物质和细胞交换至关重要,从而支持组织代谢和体内平衡1。内皮通透性改变是许多健康状况的一个因素,它会影响疾病的严重程度和治疗效果2。血管内皮起到选择性屏障的作用,促进血管、组织和器官之间的转移。这种调节涉及多种机制,例如溶质和小分子的基本过滤、血管屏障的有意破坏以及前列腺素和生长因子等分子对通透性水平的影响3。
这种调节的关键因素包括内皮细胞连接、白细胞迁移和血脑屏障的功能4。鉴于其复杂性,该过程在不同的环境中有所不同,涉及不同的血管类型并利用不同的解剖途径。理解血管通透性的生物学基础对于设计治疗方法来治疗与异常血管通透性相关的疾病至关重要。维持血管通透性对于血管系统和周围组织的健康至关重要;因此,该功能的损害会导致内皮功能障碍,即内皮失去正常功能的状态。
内皮功能障碍是几种常见人类疾病的前兆,包括高血压、冠状动脉疾病、糖尿病和癌症 5,6,7。这种情况可以以多种方式出现,包括血管舒张减少、血管通透性增加和倾向于促炎状态。这种病理状态是几个关键心血管问题的早期阶段,例如冠状动脉疾病、中风和外周动脉疾病8,这些问题仍然是美国死亡的主要原因1。内皮功能障碍影响心血管健康以及血脑屏障 (BBB),并在各种神经系统疾病的进展中起主要作用。功能障碍会增加 BBB 通透性,从而使毒素、病原体和免疫细胞渗透到中枢神经系统中,并导致神经系统疾病,如中风、阿尔茨海默病、多发性硬化症和脑部感染9。
糖尿病患者的内皮功能障碍的特点是内皮调节血管张力和产生血管扩张介质(如一氧化氮)的能力受损,导致血管舒张受损10。高血糖诱导的途径(如蛋白激酶 C 激活和氧化应激)会加剧这种情况,显着导致糖尿病血管疾病的进展11。此外,已发现炎症环境可增强肿瘤细胞与脑微血管内皮细胞的粘附,而据报道渗漏的内皮是癌症转移的主要因素12,13。已发现血管的几何形状直接影响脑癌转移。肿瘤细胞优先附着在血管弯曲度较大的区域7。这一发现强调了血管几何形状在癌症转移中的重要性。更重要的是,在纤维化和癌症等情况下,被破坏的内皮屏障功能不仅在疾病发展中发挥作用,而且还会通过阻碍充分的药物输送来阻碍治疗效果14。血管通透性研究对于推进心血管疾病治疗和为管理涉及血管功能受损的其他疾病提供见解至关重要。
鉴于血管通透性在健康和疾病中的关键作用,大量研究集中在通过使用动物模型以及传统的 2D 和 3D 体外测试平台来检查内皮屏障对治疗开发的选择性。然而,由于物种特异性的差异和伦理问题,以及高成本,动物模型存在局限性15,16。例如,辉瑞在 2004 年表示,在过去 10 年中,它花费了超过 20 亿美元用于药物开发,这些药物在动物模型中显示出有希望的效果,但最终在高级人体测试阶段失败17。此外,传统的 2D 模型无法准确模拟三维 (3D) 架构和血管通道的复杂几何结构。
随着生物制造技术的进步,人们开始做出广泛的努力,旨在制造血管通道,同时概括 3D 建筑。通过使用软光刻技术,可以在微流体芯片内有效地制造微尺度血管通道,从而提供实时分析的优势18,19。替代方法,例如水凝胶铸造或将细胞片包裹在模具或心轴上,可用于创建所需直径为20,21 的独立管状结构。但是,这些方法有局限性;例如,微流体芯片仅限于微通道配置,而模具周围的水凝胶铸造无法有效地复制多个几何形状。
随着 3D 生物打印技术的出现22,通过精确沉积各种基于细胞外基质 (ECM) 的水凝胶材料来复制复杂的几何形状已成为可能23,24。一些生物打印方法,例如使用同心排列的喷嘴的方法,例如同轴和三轴25,26,不能产生分叉管;然而,复杂的结构可以通过牺牲图案化方法来实现27。这些生物打印方法都没有被证明能够实现高通量体外建模——这是药物发现中药理学研究的关键要求。在此,我们提出了一种有效制造内皮化血管通道的方法,可有效控制尺寸。
我们建立了一种简单的方法,使用市售的六孔板,结合牺牲图案化方法,其中生物打印机在 ECM 水凝胶内制造所需尺寸和图案的血管通道。接种人脐静脉内皮细胞 (HUVECs) 以内皮化这些通道并通过通透性测定评估内皮的功能。这种设计通过在通道的两侧创建培养基储液器来实现无泵灌流,并在常用的 2D 摇杆的帮助下使用重力驱动流来模拟动态培养。这种方法消除了对蠕动泵的需求,并有助于该平台在高通量应用中的可扩展性。3D 生物打印技术的计算机控制特性还简化了制造过程,从而降低了制造过程中出错的可能性。VOP 模型有望成为药物发现中药理学测试的宝贵工具。
1. 生成生物打印机的 G 代码
2. 牺牲和硅室油墨的制备
注意:本协议中使用的所有材料的来源均列在 材料表中。
3. 制造过程
4. 水凝胶制备和通道包埋
5. HUVEC 培养
6. 通道内皮化
7. 内皮成熟评估
8. 渗透性测定
9. ImageJ 中的荧光强度测量
VOP 平台在尺寸和图案方面具有灵活性,采用多头生物打印系统制造。用 HUVEC 接种空心且能够灌注的通道以促进内皮化,随后通过通透性测定进行评估(图 1A)。为了证明这种方法的多尺度制造能力,我们打印了三种不同的配置:直线、分叉和波纹(图 1B)。通过一种简单的制造方法,可以在标准的六孔板内产生嵌入水凝胶基质...
利用 3D 生物打印技术的精度、自动化和计算机控制特性,我们建立了一种在标准六孔板中制造血管通道的简化方法,选择该方法是因为它们与商用酶标仪和显微镜成像装置兼容。该板的设计可以容纳多尺寸通道和足够体积的介质,以适应更大通道的增长,同时减少介质更换的必要频率。这种设计的未来改编可以适应其他市售的标准孔板,从而提高实验通量并减少材料的?...
作者声明没有竞争性的经济利益。
这项工作得到了韩国政府(科学和信息通信技术部,MSIT)资助的韩国国家研究基金会 (NRF) 资助的支持 [No.NRF-2019R1C1C1009606;编号 2020R1A5A8018367;和否。RS-2024-00423107]。这项研究得到了 MSIT 资助的 NRF 赠款的生物和医疗技术开发计划的支持 [No.NRF-2022M3A9E4017151 和编号。NRF-2022M3A9E4082654]。这项工作得到了由贸易、工业和能源部(韩国 MOTIE)资助的技术创新计划 [第 20015148 号] 和炼金术士项目 [第 20012378 号]的支持。这项工作还得到了韩国食品、农业和林业技术规划与评估研究所 (IPET) 通过农业和食品融合技术计划的支持,该计划由农业、食品和农村事务部 (MAFRA) 资助,用于研究人力开发 [No.RS-2024-00397026]。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL Serological Pipette | SPL | SPL 91010 | |
10 mL syringe | Shinchang Medical | ||
15 mL conical tube | SPL | 50015 | |
3D Bioprinter | T&R Biofab | 3DX-Printer | |
6-well plate | SPL | 37206 | |
Biological Safety Cabinets | CHC LAB | PCHC-777A2-04, | |
Brightfield Inverted Microscopes | Leica | DMi1 | |
Cell Counting Kit (CCK8) | GlpBio | GK10001 | |
Cell Counting Kit (CCK8) | GlpBio | GK10001 | |
Cell Culture Flask 75T | SPL | 70075 | |
Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning | 354230 | |
Distilled water | |||
DMEM/F12 | Gibco | 11320033 | |
DMSO, Cell Culture Grade | Sigma aldrich | D2438 | |
Dow-Corning, PDMS-Sylgard 184a Kit | DOW | DC-184 | |
DOWSIL SE 1700 Clear W/C 1.1 KG Kit | DOW | 2924404 | |
D-PBS - 1x | Welgene | LB001-01 | |
Endothelial Cell Growth Medium MV 2 (Ready to use) | Promocell | C-22022 | |
Eppendorf Micro pipette(1000,200,100,20,10) | eppendorf | ||
Ethyl Alcohol 99.9% | Duksan | D5 | |
Excel | Microsoft | ||
Fibrinogen from bovine plasma | Sigma Aldrich | F8630-1G | |
FITC Dextran 70 kDa | Sigma Aldrich | 46945-100MG-F | |
Fluorescent beads (1.0 μm, green) | Sigma Aldrich | L1030-1ML | |
GelMA-powder (Gelatin methacrylate) 50 g | 3D Materials | 20JT29 | |
Gibco, Recovery Cell Culture Freezing Medium, 50 mL | Gibco | ||
HUVECs (Human Umbillical Vein Endothelial Cells) | Promocell | ||
ImageJ software | NIH | ||
Incubator | Thermo SCIENTIFIC | Forma STERI-CYCLE i160 CO2 Incubator | |
Invitrogen, Live/dead viability/cytotoxicity Kit (for mammalian cells) | Thermo Fisher | L3224 | |
Lithium Phenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphate powder | Tokoyo Chemical Industry CO. | 85073-19-4 | |
Marienfeld Superior, Counting chamber cover | Marienfeld Superior | ||
Marienfeld Superior, Hemocytometer, cell counting chamber | Marienfeld Superior | HSU-0650030 | |
Microcentrifuge | eppendorf | Centrifuge 5920 R | |
NCViewer.com | |||
Nitrogen tank | WORTHINGTON INDUSTRIES | LS750 | |
Omnicure UV Laser | EXCELITAS | SERIES 1500 | |
Parafilm M | amcor | PM-996 | |
Penicillin-Streptomycin Solution (100x) | GenDEPOT | CA005-010 | |
Planetary Mixer | THINKY CORPORATION, japan | ARE-310 | |
Plasma treatment machine | FEMTO SCIENCE | CUTE-1MPR | |
Pluronic F-127 | Sigma aldrich | P2443-250G | |
Pre-made buffer, (P2007-1) 10x PBS | Biosesang | PR4007-100-00 | |
Reagent storage cabinet | ZIO FILTER TECH | SC2-30F-1306D1-BC | |
Real time Live cell Imaging Microscope | Carl ZEISS | ||
Refrigerator | SAMSUNG | RT50K6035SL | |
ROCKER 2D digital | IKA | 4003000 | |
Scoop-Spatula | CacheBy | SL-SCO7001-EA | |
sigma,Trypsin-EDTA solition, 0.25% | Sigma aldrich | T4049-100ML | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Thermo Fisher scientific | 151-21-3 | |
Syringe Barrel Tip Cap | FISNAR | 3051806 | |
Tally counter | Control Company | C23-147-050 | |
Tapered Nozzle (18 G) | Mushashi | TPND-18G-U | |
Tapered Nozzle (22 G) | Mushashi | TPND-22G-U | |
Tapered nozzle 20 G | Musashi | TPND-20G-U | |
Thrombin from bovine plasma | Sigma Aldrich | T7326-1KU | |
Timer, 4-channel | ETL | SL.Tim3005 | |
Trypan Blue Solution 0.4% | Gibco | 15250061 | |
Trypsin Neutralizing Solution | Promocell | C-41120 | |
UG 24 mL UG ointment jar | Yamayu | No. 3-53 | |
UG 58 mL UG ointment jar | Yamayu | No. 3-55 | |
Water Bath | DAIHAN Scientific | WB-11 | |
Weight machine | Sartorius | bce2241-1skr |
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