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Method Article
我们合成并表征了一种可调节的基于明胶的底物,用于在相关血管流动条件下培养血管内皮细胞 (EC)。这种仿生表面复制了生理和病理条件,从而能够研究机械力对 EC 行为的影响,并促进我们对血管健康和疾病机制的理解。
我们提出了一种创新的 体外 模型,旨在研究组织刚度和剪切应力对内皮细胞 (EC) 功能的综合影响,这对于了解血管健康和动脉粥样硬化等疾病的发作至关重要。传统上,研究独立探讨了剪切应力和基材刚度对 EC 的影响。然而,这个集成系统结合了这些因素,以提供对脉管系统的机械环境的更精确模拟。目的是使用人类 EC 检查各种组织硬度水平和流动条件下的 EC 机械转导。我们详细介绍了合成具有可调刚度的甲基丙烯酸明胶 (GelMA) 水凝胶并用 EC 接种它们以实现汇合的方案。此外,我们还描述了经济高效的流动室的设计和组装,并辅以计算流体动力学模拟,以生成以层流和适当剪切应力水平为特征的生理流动条件。该方案还结合了用于共聚焦显微镜的荧光标记,能够评估 EC 对组织顺应性和流动条件的反应。通过让培养的 EC 接受多种综合机械刺激,该模型能够全面研究高血压和衰老等因素如何影响 EC 功能和 EC 介导的血管疾病。从这些研究中获得的见解将有助于阐明血管疾病的潜在机制和制定有效的治疗策略。
内皮细胞位于血管内表面,在维持血管健康方面起着关键作用。内皮细胞 (EC) 是调节各种心血管功能的核心,包括血管张力控制、选择性通透性、止血和机械转导 1,2。研究已将 EC 功能障碍与动脉粥样硬化发展的主要作用紧密联系起来。值得注意的是,内皮细胞在与血流和底层血管组织相互作用的界面处遇到不同的机械力 3,4。几项研究将 EC 功能障碍与血管环境中机械因素的异常变化联系起来,例如血流产生的流体剪切应力和组织僵化 5,6,7。
然而,在理解组织硬度和剪切应力对 EC 功能的综合影响方面,先前的研究受到的关注有限。为了提高将研究成果转化为动脉粥样硬化和其他心血管疾病有效治疗的能力,必须改进该领域使用的细胞模型。通过使用人类 EC 并使其承受剪切应力或具有不同刚度水平的基材,在使细胞模型人性化方面取得了重大进展 8,9,10。然而,将动态流动环境与具有可调节刚度特性的 EC 基材集成的蜂窝模型的采用和改进进展缓慢。挑战在于设计不溶胀的 EC 底物,以防止流道内流动参数的变化,同时促进完整和粘附良好的 EC 单层的培养。能够克服这些障碍的体外模型可以促进更有效地研究高血压、衰老和血流条件如何协同影响 EC 机械转导、血管健康,并最终影响动脉粥样硬化的发展。已经开发了各种方法,可以在控制基材刚度的同时对细胞施加剪切应力,包括旋转板和微流体装置。在旋转板法中,将单元放置在两个板之间,并通过板的旋转运动施加剪切应力。此方法不太复杂,并且提供了一个快速的模型;然而,它受到空间剪切应力变化的影响,中心剪切应力为零,外围剪切应力最大11。
另一方面,微流体器件代表了新一代工具,能够控制基板刚度和流动条件。这些系统适用于模拟层流条件下的微血管系统。然而,用这种设备研究动脉粥样硬化是不切实际的,因为动脉粥样硬化发生在血流受阻的大血管中11。本文旨在通过提出一种经济高效的系统来为 EC 研究的关键研究领域做出贡献,该系统能够检查不同流动条件下 EC 基材中不同刚度水平的影响。该系统整合了具有不同刚度的基质,以模拟病理和生理血管。该协议概述了创建无膨胀和刚度水平为 5 kPa 和 10 kPa 的明胶基水凝胶的方法,分别代表生理和病理刚度。此外,还详细介绍了能够集成这些基材的平行板流动室的结构。采用计算流体动力学 (CFD) 来评估剪切应力和流动条件。描述了用于 EC 培养的水凝胶的制备和 6 小时流动实验的执行,然后讨论了实验后免疫染色。
1. GelMA 的合成
2. 玻璃盐化
注:将水凝胶连接到载玻片上可提供平坦均匀的表面,便于处理并确保在流动衍生剪切应力下的稳定性。用 3-(三甲氧基甲硅烷基)甲基丙烯酸丙酯对玻璃进行功能化对于增强表面性能并在聚合过程中实现水凝胶的共价连接是必要的。
3. 水凝胶制备
4. 涂覆水凝胶
5. 在底物上接种细胞
6. 流动室制造
注意:设计流通室的方法具有成本效益,并且需要最少的制造和使用专业知识。
7. 运行均匀的层流
8. 用于高放大倍率共聚焦显微镜的免疫染色设置
注:为了提高研究效率,开发了一种对小部分水凝胶进行免疫染色的方法,能够检查单个样品中的多个生物靶标。
图 1 描述了实验装置,概述了通过甲基丙烯酸化反应合成 GelMA 的过程。然后使用所得产品制造水凝胶底物,将 EC 接种到该底物上。随后,将细胞引入流动室中,以 12 dyne/cm2 进行 6 h 的流动实验。
1H NMR 波谱用于评估甲基丙烯酸化反应的成功(图 2A)。GelMA 中存在 1.9 ppm 的甲基和 5.4-5.6 ppm 之间的乙烯基?...
血管系统是一个动态环境,其中各种力会显着影响细胞行为。在不考虑这些力的情况下研究心血管疾病中的生物事件是不准确的。因此,能够模拟血管机械环境的细胞模型至关重要。研究人员在强调这些力量对细胞行为的影响方面已经取得了重大进展11。然而,要了解人体病理和生理条件下的细胞行为,必须开发更接近血管环境的更精确模型。因此,我们的目标是开发一种系统?...
作者声明,已提交临时专利申请(第 63/634,853 号),标题为具有机械可调基板的流动室,并且不存在其他竞争利益。
作者感谢 Robert Egan 在制造流动室方面的帮助。作者感谢 Lucas McCauley 在实验期间的帮助。此外,他们要感谢东北大学生命系统化学成像研究所 (CILS) 的核心设施授予共聚焦显微镜的使用权。作者感谢美国国立卫生研究院(NIH 1R01EB027705 授予 SB)和美国国家科学基金会(NSF CAREER Awards:DMR 1847843 SB 和 CMMI 1846962 EE)提供的资金支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, tetramethylethylenediamine (TEMED) | Invitrogen | 15524-010 | Hydrogel Fabrication |
3-(Trimethoxysilyl)Propyl Methacrylate | Sigma-Aldrich | 440159 | Glass Salinization |
4’,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI)-containing mounting media | Vector Laboratories | H-1200 | Immunostaining |
Acetone | Thermo Fisher Scientifics | A18-4 | GelMA Synthesis |
Alexa Fluor 555 Phalloidin | Cell Signaling Technology | 8953S | Immunostaining |
Ammonium Persulfate (APS) | Bio-Rad | 1610700 | Hydrogel Fabrication |
Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet (45/64'') | McMaster-CARR | 8560K165 | Flow Chamber Fabrication |
Confocal Microscope | Carl Zeiss Meditex AG | Zeiss LSM 800 | Immunostaining |
Covidien Monoject Rigid Pack 60 mL Syringes without Needles | Fisher | 22-031-375 | Flow Experiment |
EC growth kit | American Type Culture Collection (ATCC) | PCS-100-041 | Cell Culture |
Ethanol 200 Proof | Decon Labs | 2701 | Glass Salinization |
Gelatin Type A (300 bloom) from porcine skin | Sigma-Aldrich | G1890 | GelMA Synthesis |
Glacial Acetic Acid | Thermo Fisher Scientifics | 9526-33 | Glass Salinization |
High-Purity High-Temperature Silicone Rubber Sheet | McMaster-Carr | 87315K74 | Flow Chamber Fabrication |
Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVEC) | American Type Culture Collection (ATCC) | PSC-100-010 | Cell Culture |
M3x30mm Machine Screws Hex Socket Round Head Screw 304 Stainless Steel Fasteners Bolts 20pcs | Uxcell | B07Q5RM2TP | Flow Chamber Fabrication |
Masterflex L/S Digital Drive with Easy-Load® 3 Pump Head for Precision Tubing; 115/230 VAC | VWR | #MFLX77921-65 | Flow Experiment |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Puri-Flex, L/S 25; 25 ft | VWR | #MFLX96419-25 | Flow Experiment |
Methacrylic Anhydride (MAH) | Sigma-Aldrich | 276685 | GelMA Synthesis |
Paraformaldehyde | Thermo Fisher Scientifics | 043368.9M | Cell Culture |
Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Gibco | 14080-055 | General |
Sodium Bicarbonate | Fisher Chemical | S233-3 | GelMA Synthesis |
Sodium Carbonate | Fisher Chemical | S263-500 | GelMA Synthesis |
SOLIDWORKS educational version | |||
SOLIDWORKS Student Edition Desktop, 2023 | SolidWorks | N/A | Flow Chamber Design |
Vascular Basal Medium | American Type Culture Collection (ATCC) | PCS-100-030 | Cell Culture |
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