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Method Article
Hier stellen wir Protokolle vor, die Anweisungen für die Implementierung von 3D-Zellkulturen unter Verwendung von Kollagen- und Kollagen-Agarose-Matrizen in einem mikrophysiologischen System enthalten. Diese Protokolle unterstützen die Co-Kultur von Sphäroiden mit Nierentubuli und Nierenzellkarzinom, simulieren In-vivo-Bedingungen und ermöglichen eine fortschrittliche Untersuchung von Wechselwirkungen mit Nierenkrebszellen.
Mikrophysiologische Systeme (MPS) haben die Einführung komplexerer und relevanterer physiologischer Elemente in In-vitro-Modelle ermöglicht, indem komplizierte morphologische Merkmale in dreidimensionalen Umgebungen mit dynamischen Wechselwirkungen nachgebildet werden, die in herkömmlichen Modellen fehlen. Wir implementierten ein Co-Kulturmodell für Nierenzellkarzinome (RCC), um die Wechselwirkung zwischen gesundem und bösartigem Nierengewebe nachzubilden.
Dieses Modell basiert auf der referenzierten Multiorgan-Plattform und besteht aus der Co-Kultivierung eines rekonstruierten renalen proximalen Tubulus mit RCC-Sphäroiden Speziell entwickelte 3D-gedruckte Kammern wurden verwendet, um menschliche proximale Nierentubulizellen (RPTEC) zu kultivieren und ihre Selbstorganisation zu einem Nierentubuli zu erleichtern, der in einer Kollagen-Typ-I-Matrix enthalten ist. Caki-1-RCC-Zellen wurden in eine Agar-Kollagen-Matrix eingebettet und bildeten anschließend Krebs-Sphäroide. Sowohl Kollagen als auch Agar/Kollagen-Gele wurden optimiert, um ihre Integrität während der zyklischen Perfusion zu erhalten und Scherbelastungen während einer Mindestkulturdauer von 7 Tagen standzuhalten.
Die Gele ermöglichen zudem eine ausreichende Nährstoffversorgung und Zellsekretion. Darüber hinaus begrenzen die Agar/Kollagen-Gele die Überwucherung von RCC-Zellen und sorgen für eine relativ homogene Sphäroidgröße. Die mikrofluidischen Schaltkreise des MPS-Chips bestehen aus zwei unabhängigen Kulturkammern mit der Größe eines Standard-96-Mikrotiterplatten-Wells. Der Nierentubuli und die RCC-Gele besiedeln separate Kammern und teilen sich das gleiche Kulturmedium, das etwa zweimal pro Minute rezirkuliert wird. Unter diesen Bedingungen beobachteten wir eine Hochregulation der Immunfaktorexpression und -sekretion in den Nierentubuli (Interleukin-8 und Tumornekrosefaktor-alpha). Auch die Nierentubuli verlagern unter dem Einfluss von RCC ihre Stoffwechselaktivität in Richtung Glykolyse. Dieser neuartige Ansatz zeigt, dass ein Co-Kultur-basiertes MPS die Komplexität des RCC in vitro verstärken und zur Untersuchung der Auswirkungen von Krebs auf Nicht-Tumorzellen eingesetzt werden kann.
Fortschritte bei 3D-Zellkultursystemen haben das Tissue Engineering und die regenerative Medizin revolutioniert, indem sie im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Kulturen physiologisch relevantere Modelle anbieten 1,2. In dieser Studie verwendeten wir Kollagen- und Kollagen-Agarose-Gel-Matrizen, da sie die Umgebung der extrazellulären Matrix (EZM) nachahmen können, ein genaueres zelluläres Verhalten und eine genauere zelluläre Funktion fördern und gleichzeitig mit den verwendeten dynamischen Kulturbedingungen kompatibel sind.
Kollagen, das am häufigsten vorkommende Protein in der EZM, spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität und biologischen Aktivität von Geweben3. Typ-I-Kollagen, das üblicherweise aus Rattenschwanz gewonnen wird, wurde aufgrund seiner Biokompatibilität und seiner Fähigkeit, an unterschiedliche Matrixsteifigkeitsbedingungen angepasst zu werden, sowie aufgrund seiner Fähigkeit, ein bewährtes Substrat für Epithelzellen zu bieten, bevorzugt4. In der 3D-Kollagenmatrix werden die Nierenzellen mit einem Gerüst versorgt, das ihre Adhäsion, Proliferation und Differenzierung unterstützt. Diese Umgebung ermöglicht es den Zellen, natürlichere Morphologien und Verhaltensweisen zu zeigen, einschließlich Genexpressionsmustern und zellulären Interaktionen, die In-vivo-Bedingungen widerspiegeln5. Folglich wurden Kollagengele aufgrund ihrer Fähigkeit, die unterstützende und regulatorische Rolle der EZM zu replizieren, in großem Umfang in Anwendungen eingesetzt, die von der Krebsforschung bis zum Tissue Engineering reichen.
Die immortalisierte renale proximale tubuläre Epithelzelllinie RPTEC/TERT1 wurde verwendet, um ein gesundes Nierenepithel darzustellen. Diese Zelllinie überexprimiert die humane Telomerase-Reverse-Transkriptase, so dass sie sich in Kultur vermehren kann, während sie einen repräsentativen RPTEC-Phänotyp beibehält. Rattenschwanzkollagen Typ I Gelmatrix wurde verwendet, um die Nierenmikroumgebung nachzubilden. Diese Kollagen-Gel-Matrix unterstützt RPTEC/TERT16-Zellen dabei, ihre nativen Eigenschaften und physiologischen Funktionen zu erhalten. Im Gegensatz dazu wird eine hybride Kollagen-Agarose-Gel-Matrix für die Kultivierung von Nierenzellkarzinomzellen (Caki-1) verwendet. Agarose, ein Polysaccharid, das aus Algen gewonnen wird, fügt 3D-Zellkultursystemen eine weitere Dimension hinzu. Es ist thermisch reversibel und ermöglicht eine einfache Handhabung und Manipulation während des Vorbereitungsprozesses7. Agarose-Gele bieten eine neutrale unterstützende Matrix, die die Lebensfähigkeit der Zellen erhält und die Bildung komplexer Strukturen durch die Proliferation von Krebszellen fördert. In Kombination mit Kollagen nutzt das resultierende Hybridgel die biochemischen Signale von Kollagen und die strukturelle Unterstützung von Agarose. Diese Kombination schafft eine geeignete Mikroumgebung fürdie Caki-1-Zellen des Nierenzellkarzinoms (RCC) 8 für das Wachstum zu Sphäroiden und wird als Modell für Nierenkrebs verwendet.
Die Verwendung dieser unterschiedlichen 3D-Matrizen für RPTEC/TERT1- und Caki-1-Zellen unterstreicht, wie wichtig es ist, die EZM-Umgebung auf die spezifischen Bedürfnisse der verschiedenen Zelltypen zuzuschneiden. Die Gele, die entweder RPTEC, das ein gesundes Nierenepithel darstellt, oder Caki-1-Zellen, die das Nierenzellkarzinom repräsentieren, enthalten, wurden in einem mikrofluidischen System kombiniert, das das Kulturmedium zwischen den Zellen zirkuliert und das gesunde Nierenzellmodell effektiv den Sekreten des Nierenzellkarzinoms ohne direkten Kontakt aussetzt. Die in dieser Studie verwendete TissUse HUMUMIC-Plattform 9,10 (im Folgenden als Multi-Organ-Chip-Plattform bezeichnet) besteht aus einem Mikrophysiologie-Chip mit zwei unabhängigen fluidischen Kreisläufen, deren Strömung von einer externen Perfusionseinheit angetrieben wird.
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HINWEIS: Diese Protokolle beschreiben die umfassenden Schritte zur Herstellung von 3D-Kollagen-Agarose-Gelen, zur Injektion von Zellen, zur Perfusion der Proben und zur Extraktion für die weitere Analyse. Passen Sie die Inkubationszeiten und -bedingungen basierend auf spezifischen experimentellen Anforderungen an.
1. Herstellung der Kollagen- und Agarose-Gel-Matrix
Abbildung 1: 3D-gedrucktes Kammerdesign für die Rekonstruktion von Nierentubuli. (A,B) Darstellung der 3D-gedruckten Kammer, die für eine vernetzte Kollagenmatrix zur Rekonstruktion von Nierentubuli ausgelegt ist. Jede Kammer besteht aus vier einzelnen Kompartimenten, in denen die gleiche Menge an Gelen hergestellt wird. 1 Einführpunkt für das Filament, 2 Vorkammern, die nur mit Agar gefüllt werden, um ein Auslaufen zu verhindern, 3-Kollagen-Kammer, 4-Zellen-Kammer. (C) Abmessungen des vernetzten Kollagengels und des eingebetteten Nierentubuli. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Herstellung von Kollagen- und Agar-Kollagen-Gelen. (A) 3D-gedruckte Kammer mit eingelegten Filamenten. (B) Die vernetzte Kollagenlösung wird in die Vertiefungen der Kammer abgegeben (C) Die mit Kollagenlösung gefüllte Kammer wird in den Inkubator gegeben, um die Matrixpolymerisation zu erleichtern (D) Entnahme von RPTEC-TERT1-Zellen vor der Injektion in die Kollagenmatrix (E) Hinzufügen von Zellsuspension im Zellkompartiment der Kammer (F) Entfernen des Filaments mit Hilfe einer Pinzette, die es den Zellen ermöglicht, die hohle röhrenförmige Struktur in der Matrix zu besiedeln (G) Suspension von RCC-Zellen, die mit Kollagen in einem 1,5-ml-Röhrchen gemischt sind (H) Zugabe von 2%iger Agarlösung zu den Zellen, um das RCC-Gel zu erzeugen. (I) Die Gele werden in den Inkubator gelegt, um die Matrixgelierung zu erleichtern (J,K,L) Entnahme des polymerisierten Kollagengels mit den Nierentubuli aus der 3D-gedruckten Kammer mit Hilfe eines Spatels und Platzieren in einer 24-Well-Platte vor der weiteren Verarbeitung (M,N,O) Entfernen des polymerisierten Kollagen-Agar-Gels mit den RCC-Zellen mit Hilfe eines Spatels, und legen Sie sie vor der Weiterverarbeitung in eine 24-Well-Platte Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Aufbau des mikrofluidischen Kultursystems. (A,B) Öffnen der Kulturkammern des Humimic-Chips2 mit einem speziellen Werkzeug (C) Nachdem Sie das zum Waschen des Chips verwendete Nährmedium entfernt haben, fügen Sie 400 μl frisches Kulturmedium hinzu. (D,E) Nach der Entnahme der Nieren- und RCC-Gele von den jeweiligen 24-Well-Platten wird jedes Gel mit Spateln in das Kulturfach eines einzelnen Perfusionskreislaufs des Humimic-Chips gelegt, um die Gele zu handhaben. (F,G) Nach dem Positionieren der Gele im Chip werden die Kulturkammern versiegelt und der Chip wird über drei Mikropumpen in jedem mikrofluidischen Kreislauf, die durch spezielle Schläuche verbunden sind, mit der Perfusionseinheit verbunden. (H) Die Chips werden für die Dauer der Kulturperiode in den Inkubator gelegt . (I) Perfusionsparameter, die in der Steuereinheit eingestellt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
2. Injektion von RPTEC/TERT1-Zellen
3. Perfusion von 3D-Zellproben
4. 3D von Zellproben nach der Perfusionsentnahme
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Das HUMIMIC-System bietet eine dynamische Umgebung, die eine kontinuierliche Nährstoff- und Sauerstoffversorgung ermöglicht und gleichzeitig Stoffwechselabfälle entfernt, wodurch die Lebensfähigkeit und Funktion der Zellen über längere Zeiträume erhalten bleibt. Diese Systeme sind besonders vorteilhaft für die Erstellung komplexer Organ-on-a-Chip-Modelle, die die Mikroumgebung bestimmter Gewebe nachbilden. Es wurde speziell für Organ-on-a-Chip-Anwendungen entwickelt und ermögli...
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Das in dieser Studie beschriebene Protokoll stellt die Entwicklung eines komplexen Nierenkrebsmodells dar, das die Integration von zwei unterschiedlichen Zelltypen - renale proximale tubuläre Epithelzellen (RPTEC/TERT1) und Nierenzellkarzinomzellen (Caki-1) - in spezifische Kollagen- und Kollagen-Agarose-Gel-Matrizen in einem mikrofluidischen System nutzt. Die Zubereitung von Kollagengelen ist entscheidend für den Erfolg dieses Modells. Die genaue Konzentration von Kollagen und Agarose...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte anzugeben.
Maryna Somova wurde gefördert durch das Promotionsstipendium der Universität Greifswald - Landesgraduiertenförderungsgesetz des Landes Mecklenburg-Vorpommern. Die Autoren danken Dr. Janosh Schoon und Dirk Stobe vom Zentrum für Orthopädie, Unfallchirurgie und Rehabilitationsmedizin der Universitätsmedizin Greifswald für ihre Einblicke in die 3D-Zellkultur und Probenvorbereitung.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5-2.0 mL tubes | Eppendorf | 003012/10237-20205 | |
24-well plates | Sarstedt | 83.3922.500 | |
3D printer | Prusa | ||
Agarose | Carl Roth | 3810.3 | |
AutoDesk Tinker CAD software | computer-assisted design software | ||
Caki-1 cells | ATCC | HTB-46 | |
Caspase activity | Promega | G8090 | Caspase 3/7 assay |
Cell viability | Promega | G7570 | Cell Titer Glo assay |
Collagen Type I – rat tail, 3.0 mg/mL | Corning | 354236 | |
DMEM/12F Medium | PAN Biotech | PO4-41650 | |
DPBS solution | PAN Biotech | P04-53500 | |
Epidermal Growth Factor | Merck | E4127 | |
Fetal Calf Serum | PAN Biotech | P30-3033 | |
Genipin (30 mM) | Merck | G4796 | |
HUMIMIC chips 2 | TissUse | multi-organ chips | |
HUMIMIC control unit | TissUse | multi-organ chip control unit | |
Hydrocortisone | Merck | H6909 | |
Incubator (37 °C, 5% CO2) | nd | ||
Insulin,Sodium selenite,Transferrin (IST) | Merck | I1884 | |
LDH release | Promega | J2380 | |
Metal spatula | nd | ||
NaOH (1 M) | Carl Roth | P031.2 | |
Petri dishes | Sarstedt | 82.1135.500 | |
Polypropylene (PP) filament | Verbatin | 55952 | |
RNA-easy extraction kit | Qiagen | 74104 | |
RPTEC/TERT cells | ATCC | CRL - 4031 | |
TNF-alfa ELISA | R&D Systems | DY210-05 | |
Triiodothyronine (T3 ) | Merck | 709611 | |
Trypsin-EDTA | PAN Biotech | P10-021100 |
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