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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
In diesem Artikel wird beschrieben, wie biotechnologisch hergestellte Mauslungen mit Hilfe von Dezellularisierungs- und Rezellularisierungsmethoden hergestellt werden können. Es wird auch die anschließende orthotope Lungentransplantation beschrieben.
Die Lungentransplantation ist eine wichtige Behandlung für Patienten mit Lungenerkrankungen im Endstadium wie idiopathischer Lungenfibrose, aber Herausforderungen wie Spendermangel und Komplikationen nach der Transplantation bestehen weiterhin. Eine vielversprechende Alternative stellt die biotechnologisch hergestellte Lunge dar, bei der patientenspezifische Zellen in dezellularisierte Tiergerüste integriert werden. Trotz Fortschritten bei der Verwendung biotechnologisch hergestellter Lungen in Tiermodellen sind Funktionalität und Struktur noch unausgereift. Dieses Protokoll adressiert ein kritisches Hindernis im Organ-Bioengineering: den Bedarf an einer kostengünstigen experimentellen Plattform. Durch die Verwendung von Mausmodellen anstelle von größeren Tieren wie Ratten oder Schweinen können die Forscher den Ressourcenaufwand für jedes Experiment erheblich reduzieren und so den Forschungsfortschritt beschleunigen.
Das Protokoll beschreibt ein detailliertes Verfahren für das Lungen-Bioengineering unter Verwendung von Maus-Herz-Lungen-Blöcken und menschlichen Primärzellen, wobei der Schwerpunkt auf der Isolierungsstrategie für den Herz-Lungen-Block der Maus, der Dezellularisierung, dem Aufbau von Bioreaktoren, der perfusionsbasierten Organkultur und der orthotopen Transplantation von biotechnologisch hergestellten Lungen liegt. Diese Plattform im Mausmaßstab reduziert nicht nur die experimentellen Kosten, sondern bietet auch einen praktikablen Rahmen für die Optimierung von Zelltypen und -zahlen für die Rezellularisierung, das Testen verschiedener Zelltypen mit histologischen und molekularen Methoden und die Sicherstellung des Blutflusses nach der Transplantation. Die Methode birgt das Potenzial für breite Anwendungen, einschließlich der Untersuchung von Zellinteraktionen unter dreidimensionalen Kulturbedingungen, Zell-Matrix-Wechselwirkungen und der Ex-vivo-Krebsmodellierung , wodurch das Gebiet des Organ-Bioengineering vorangebracht wird.
Die Lungentransplantation ist die entscheidende Heilung für Patienten mit Lungenerkrankungen im Endstadium1 wie der idiopathischen Lungenfibrose, bei denen eine medikamentöse Behandlung unwirksam ist, um die Verschlechterung der Atemfunktion zu stoppen. Jedes Jahr kommen mehr geeignete Patienten auf die Warteliste; Die Zahl der Organspenden von verstorbenen Spendern liegt jedoch hinter der steigenden Zahl der wartenden Patienten zurück 2,3. Selbst nach einer Lungentransplantation würden einige Probleme die Funktion der transplantierten Lunge beeinträchtigen, darunter Funktionsstörungen der Primärorgane, reaktives allogenes Syndrom und Infektionen, die das 5-Jahres-Überleben der Empfänger einer Lungentransplantation erheblich verringern4.
Es gibt mehrere Optionen, um den aktuellen Problemen bei der Organtransplantation entgegenzuwirken, darunter die Verwendung von marginalen Spendern5, die Gewinnung von Spenderlungen in einem ex vivo Lungenperfusionssystem6 und die Xenotransplantation mit geneditierten Schweinen7. Diese Alternativen können den Pool an Spenderorganen erweitern; Keines kann jedoch die Knappheit, Immunogenität und funktionelle Heterogenität der Spenderorgane vollständig abdecken.
Es ist weit von der Realität entfernt, aber biotechnologisch hergestellte künstliche Organe, bei denen patientenspezifische Zellen in das dezellularisierte tierische Organgerüst integriert sind, sind eine faszinierende potenzielle Quelle für die Transplantation solider Organe8. Seit 2010 wurden mehrere bahnbrechende Studien veröffentlicht, die den potenziellen Nutzen biotechnologisch hergestellter Lungen belegten 9,10. In diesen Studien wurden Lungen von Ratten oder Schweinen durch Detergenzien dezellularisiert, tierische oder menschliche Zellen wurden aus der Luftröhre oder dem Lungengefäßsystem injiziert, um das Lungengewebe im perfusionsbasierten Bioreaktor zu regenerieren, und einige von ihnen wurden orthotopisch in die tierischen Brusthöhlen transplantiert 11,12,13,14,15. Die Funktion und Struktur der biotechnologisch hergestellten Lungen waren jedoch verfrüht, vermutlich aufgrund der unzureichenden Anzahl der im Bioreaktor kultivierten Zellen oder weniger integrierter interzellulärer Verbindungen.
Ein Hindernis für das Vorantreiben der Forschung im Bereich des Organ-Bioengineerings ist das Fehlen einer kleinen experimentellen Plattform. Obwohl Ratten oder Schweine die am häufigsten verwendeten Tiere in diesem Bereich sind, benötigen sie >108 Lungenzellen proLunge 16, was für akademische Labors sehr kostspielig ist. Wenn Mäuse für die Organ-Bioengineering-Forschung zur Verfügung stehen, könnten wir die Kosten jedes Experiments drastisch senken und das Forschungsprogramm beschleunigen. Obwohl es anatomische Unterschiede zwischen der Lunge von Mäusen und Menschen gibt17, ist die grundlegende Architektur der Lunge bei allen Säugetieren ähnlich18. Daher können die Ergebnisse von Versuchen im Mausmaßstab auf größere Tiere übertragen werden, indem die Anzahl einfach entsprechend der Körpergröße multipliziert wird.
Dieses Protokoll zielt darauf ab, das detaillierte experimentelle Verfahren des Lungen-Bioengineerings unter Verwendung von Herz-Lungen-Blöcken der Maus und menschlichen Primärzellenzu beschreiben 19. Wir haben für diese Studie das zuvor berichtete und weit verbreitete Protokoll zur Dezellularisierung der Mauslungeübernommen 20,21,22. Der herausfordernde Teil des Lungenbioengineerings ist die Rezellularisierung des dezellularisierten Kapillargefäßsystems20; Daher werden in diesem Protokoll humane Endothelzellen aus Nabelschnurvenen verwendet.
Alle Versuche folgten den Vorschriften für Tierversuche und verwandte Aktivitäten an der Tohoku-Universität (15. Auflage), veröffentlicht von der Tohoku-Universität23. Diese Studie wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee an der Tohoku University genehmigt (#2020AcA-041-01).
1. Vorbereitung der Materialien für die Dezellularisierung
2. Kultur menschlicher Primärzellen
3. Aufbau des Bioreaktors und Perfusionsorgankultur
4. Orthotope Transplantation der biotechnologisch hergestellten Lunge
Nach dem Dezellularisierungsprotokoll sind die Lungen von Mäusen sichtbar weiß und durchscheinend (Abbildung 6A). Zelluläre Bestandteile sollten vollständig entfernt werden, aber die Alveolarstruktur bleibt in der histologischen Betrachtung intakt (Abbildung 6B,C). Rezellularisierte Mauslungen mit 3 × 107 HUVECs mit 2-tägiger perfusionsbasierter Bioreaktorkultur zeigen eine homogene Verteilung d...
Das Bioengineering der Organe ist ein anspruchsvolles Unterfangen. Das kostspielige Screening-Verfahren hat den Forschungs- und Entwicklungszyklus in diesem Bereich behindert. Durch die Verwendung von Mäusen als experimentelle Plattform werden Platz, Zellen und Medien im Vergleich zur bisher verwendeten Rattenplattform erheblich reduziert. Obwohl die Messung detaillierter physikalischer Parameter wie Gasaustausch, Gefäßwiderstand oder Lungencompliance noch nicht erreicht wurde, ermög...
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte in Bezug auf dieses Manuskript.
Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch den Grant-in-Aid for Scientific Research / KAKENHI (C) #20K09174, #23K08308, den Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B)) #22KK0132 for TS, JSPS KAKENHI Grant Number 21K08877 für TW, den Leave a Nest Grant Ikeda-Rika Award für FT und den Grant-in-Aid for JSPS Fellows #21J21515 for FT. Wir danken Frau Maiko Ueda, technische Mitarbeiterin im Biomedizinischen Forschungszentrum der Tohoku University Graduate School of Medicine, für ihre intensive Arbeit in der histologischen Beobachtung. Wir danken auch für die technische Beratung von Frau Yumi Yoshida und Herrn Koji Kaji vom Center of Research Instruments am IDAC der Tohoku Universität für ihre Unterstützung bei der Bildverarbeitung.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DECELLULARIZATION | |||
27 G x 1/2 in. BD PrecisionGlide Needle | BD | 305109 | Or equivalent 27 G injection needle |
BD Insyte IV Catheter 20 GA X 1.8 8IN | BD | 381237 | Or equivalent 20 G IV catheter |
Blade silk suture (4-0) | Nesco | GA04SB | Or equivalent |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
Catheter for rat jugular vein, PU 2Fr 10 cm | Instech | C20PU-MJV1301 | Recommended for mice weighs 30 g and under. |
Catheter for rat jugular vein, PU 3Fr 10 cm | Instech | C30PU-RJV1307 | Recommended for mice weighs over 30 g. |
DNase I | Sigma-Aldrich | DN25 | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S3014 | |
PinPort injectors | Instech | PNP3M | |
PinPorts, 22 G | Instech | PNP3F22-50 | Fits C30PU-RJV1307 |
PinPorts, 25 G | Instech | PNP3F25-50 | Fits C20PU-MJV1301 |
Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | |
Sterile syringe, 5 mL | Generic | ||
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9036-19-5 | |
CELL CULTURE | |||
EGM-2 Endothelial Cell Growth Medium-2 BulletKit | Lonza | CC-3162 | |
HUVEC – Human Umbilical Vein Endothelial Cells | Lonza | C2519A | |
PERFUSION-BASED BIOREACTOR | |||
20 G needle | Generic | ||
3-way stopcock | Generic | ||
Cork borer | Generic | Boring size, 6-10 mm | |
EasyLoad III pump head | Cole-Parmer | 243934 | |
Glass canister | Hario | SCN-200T | Inner diameter: 80 mm |
Heating magnetic stirrer | Generic | ||
Lure fitting, PVDF, For Soft Tube | Nordson Medical | 2-9965-01 | Female, fits tubing with I.D. 1.5 mm (L/S 14) |
Lure fitting, PVDF, For Soft Tube | Nordson Medical | 2-9964-01 | Male, fits tubing with I.D. 1.5 mm (L/S 14) |
Lure fitting, PVDF, For Soft Tube | Nordson Medical | 2-9965-03 | Female, fits tubing with I.D. 3 mm (L/S 16) |
Lure fitting, PVDF, For Soft Tube | Nordson Medical | 2-9964-03 | Male, fits tubing with I.D. 3 mm (L/S 16) |
Magnetic stirring bar | Generic | ||
Masterflex L/S Digital Precision Modular Drive with Remote I/O and Benchtop Controller | Cole-Parmer | 07557-00 | |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, PharMed BPT, L/S 16 | Cole-Parmer | 06508-16 | |
Masterflex L/S Pricision Pump Tubing, Platinum-Cured Silicone, L/S 14 | Cole-Parmer | 96410-14 | |
Millex-GP Syringe Filter Unit, 0.22 µm, polyethersulfone, 33 mm, gamma sterilized | Millipore | SLGPR33RS | |
Pyrex 250 mL grass bottle, GL-45 screw cap | Corning | 1395-250 | |
Silicon Septa for GL45 Open Top PBT Screw Cap | Corning | 1395-455S | |
Silicone Light Stopper | IMG | 07763-18 | Upper diameter: 87 mm, Lower diameter: 75 mm |
Sterile syringe, 10 mL, 50 mL | Generic | ||
MOUSE SURGERY (Isolation of the heart-lung block | Lung transplantation) | |||
10-0 Nylon ties | Kono Seisakusho | N/A | |
10-0 Silk ties | Kono Seisakusho | N/A | |
4-0 Silk ties | Kono Seisakusho | N/A | |
Arterial clamp, 45 mm curved, grooved | Natsume seisakusyo | C-17-45 | |
BD Insyte IV Catheter 24GA | BD | 381512 | Or equivalent 24G i.v. catheter |
Bulldog Vascular Forceps 45mm curved | Natsume seisakusyo | M2 | |
Butorphanol tartrate | Meiji Seika Pharma | N/A | |
Cefazolin Sodium | Otsuka Pharmaceutical | N/A | |
Dumont forceps #5/45 | Fine Science Tools | 1251-35 | |
Fine vannas style spring scissors | Fine Science Tools | 15403-08 | 45° tip, 0.01 x 0.06 mm |
Gemini Cautery Kit | Harvard Apparatus | RS-300 | |
Halsted-Mosquito clamp curved tip, 125 mm | Bioresearch center | 16181670 | |
Hegar needle holder, 150 mm | B Braun/Aesculap | BM065R | |
Heparine solution | Mochida Seiyaku | N/A | |
Medetomidine | Nippon Zenyaku Kogyo | N/A | |
Micro forceps straight | B Braun/Aesculap | BD33R | |
Midazolam | Sandoz | N/A | |
Mouse Ventilator | Harvard Apparatus | Model 687™ | |
Normal Saline, Clinical grade | Otsuka Pharmaceutical | N/A | |
Petri dish, 60 x 15 mm | BD | 351007 | |
Safelet Cath PU 20 gauge polyurethan catheter | Nipro | 09-031 | |
Sakaki stainless scissors curved 14 cm | Bioresearch center | 64152034 | |
Scalpel holder | Bioresearch center | 16101040 | |
Small animal retraction system | Fine Science Tools | 18200-20 | |
Spare blade scalpel #11 | Muranaka Medical Instruments | 567-001-03 | |
Spring scissors, 15 cm | Bioresearch center | PRI13-3736 | |
Stereomicroscope | Leica Microsystems | M525 | Clinical-grade surgical microscope with a flexible arm system is preferable. |
Sugita titanium aneurysm clip curved slim, No.98 | Mizuho medical | 17-001-98 | |
Sugita titanium clip applier, 110 mm | Mizuho medical | 17-013-53 | |
Temperature-adjustable electric warmer | Generic | ||
Ultrafine cotton swab | Generic | ||
VASCULAR AND BRONCHIAL CUFF | |||
Fine sandpaper | Generic | ||
Venula 20 gauge Teflon angiocatheter | Top | 1160 | |
Venula 22 gauge Teflon angiocatheter | Top | 1161 | |
Venula 24 gauge Teflon angiocatheter | Top | 1124 |
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