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Este protocolo pretende lograr superficie ingeniería de islotes pancreáticos mediante una nanocobertura starPEG incorporado de heparina vía química de pseudo-bioorthogonal entre los grupos N- hydroxysuccinimide la nanocobertura y los grupos de la amina del islote membrana de la célula.
Ingeniería de superficies de la célula puede proteger las células implantadas del ataque inmune del anfitrión. También puede cambiar la forma de paisaje celular para mejorar la función del injerto y supervivencia después del trasplante. Este protocolo pretende lograr superficie ingeniería de islotes pancreáticos mediante una nanocobertura starPEG ultrafino incorporado de heparina (Hep-PEG). Para generar la nanocobertura Hep-PEG para ingeniería de superficies de islote pancreático, succinato de succinimidyl heparina (heparina-NHS) primero fue sintetizado por la modificación de sus grupos carboxilato con N-(3-dimethylamino propyl) -N'-etilo carbodiimida clorhidrato (EDC) y N- hydroxysuccinimide (NHS). La mezcla Hep-PEG fue formada entonces por reticulación del amino final funcionalizados ocho brazos starPEG ((NH2) de starPEG-8) y heparina-NHS. Para la capa superficial de la isla, islotes de ratón fueron aislados mediante colagenasa digestión y la purificación del gradiente usando Histopaque. Islotes aislados fueron tratados luego con solución de PEG Hep fría hielo por 10 min permitir la unión covalente entre el NHS y los grupos amino de la membrana de la célula del islote. La nanocobertura con Hep-PEG incurre la alteración mínima del tamaño del islote y volumen y heparinización de los islotes con Hep-PEG también pueden reducir la reacción inflamatoria mediada por sangre instantánea durante el trasplante de islotes pancreáticos. Este enfoque de "fácil-a-adoptar" es lo suficientemente suave para la ingeniería de superficie de células vivas sin comprometer la viabilidad celular. Teniendo en cuenta que la heparina ha demostrado afinidad de unión a múltiples citoquinas, la nanocobertura Hep-PEG también proporciona una plataforma abierta que permite la incorporación de mediadores biológicos funcionales ilimitadas y superficies multicapas para vivir superficie de la célula Bioingeniería.
La eficacia terapéutica de las terapias basadas en células está limitada por células baja retención y supervivencia pobre1,2. Con el fin de mejorar el resultado de terapias con células madre, ingeniería de superficies a través de la manipulación enzimática de la célula, péptido Conjugación, bioorthogonal química y física encapsulación con biomateriales ha sido explotados3,4, 5,6,7,8,9,10. El protocolo actual pretende lograr ingeniería de superficies de las células vivas utilizando un método "fácil-a-adoptar" aplicando una nanocobertura starPEG ultrafino incorporado de heparina (heparina-PEG) a la superficie de la célula. Ingeniería de superficies de islotes pancreáticos fue presentado aquí como un ejemplo debido a la naturaleza heterogénea de los islotes de Langerhans y los resultados despectivos del trasplante clínico de islotes actual.
De hecho, el trasplante clínico de islotes se realiza actualmente por inyección directa de islotes aislados en la vena porta hepática y este procedimiento sólo está disponible para pacientes selectivos debido a la escasez de donantes materiales y baja eficacia terapéutica 11. convencionalmente, alginato ha sido el biomaterial más comúnmente utilizado para la encapsulación de islote y modificación superficial, aunque es menos que ideal debido a la inestabilidad química de alginato y fibrosis inflamatoria relacionada con12, 13. Además, en comparación con el tamaño natural de islotes que oscila entre 100 a 200 μm, las microcápsulas de alginato-islote son más grandes, que oscilan entre los 400 y 800 μm, que exceda la distancia de difusión fisiológica de oxígeno. Encapsulación de islote conformal, es decir., encapsulando islotes sin alteración significativa del volumen del islote, fue entonces desarrollado. Así, la deposición de nanomembranes compuesto por PEG, tetrafluoroetileno, membrana de silicio o nanocobertura varias capas (también conocido como la técnica de la "capa por capa" [LBL]) ha sido reportada, dando por resultado mejorado en vitro la supervivencia de la isla14 ,15,16,17,18, aunque la LBL enfoque a menudo requiere extensos islotes dando período de deposición de capas múltiples, que puede comprometer la viabilidad del islote . Por otra parte, la inestabilidad de nanomembranes que se basa en las interacciones electrostáticas o covalentes entre capas de biomembrana o interacciones hidrofóbicas entre nanomembranes y la superficie del islote también plantea preocupaciones9,14 , 15 , 16 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26.
Otro factor limitante que afecte el resultado terapéutico del trasplante intraportal islote es la instantánea sangre mediada por reacción inflamatoria (IBMIR) causada por el contacto directo de implantado islotes de sangre, resultando en la agregación plaquetaria, coagulación y efecto inmune adversa o indeseable activación celular9. Para abordar estos problemas, una nanocobertura ultra fina compuesta de glicol de polietileno en forma de estrella (starPEG) fue preparada por su biocompatibilidad establecido y su versatilidad como material de la cubierta del islote. Heparina, un glicosaminoglicano altamente sulfatado, se incorporó en la nanocobertura starPEG por sus propiedades antiinflamatorias, anticoagulantes y capacidad para facilitar la vascularización mediante la contratación de pro-angiogenic Factores del crecimiento22, 23.
1. fabricación de heparina incorporada la nanocobertura Starpeg
2. ratón islote ingeniería de superficies con heparina-PEG nanocobertura
3. función de la heparina-PEG revestido islotes de ratón comparados con islotes sin recubrimiento
La nanocobertura heparina-PEG fue sintetizada por la conjugación de heparina con EDC y NHS como acoplamiento agentes (figura 1) y starPEG-(NH2)8 . Estructura química de la nanocobertura heparina-PEG fue examinado por FT-IR y como se muestra en la figura 2, se pudieran observar picos característicos de la heparina en 3.300-3.600 cm-1, correspondiente a los grupos del oxhidrilo de la heparina (figura 2 rojo). La disminución en la amplitud del pico en 3.300-3.600 cm-1 (figura 2 azul) representa la conjugación entre el starPEG (NH2)8 amida grupos y el grupo carbonilo de la heparina. Amplitud de pico 1.650 cm-1 corresponde a la amida carbonilo que se extiende la vibración también se redujeron, indicando suficiente reacción entre los grupos carboxilatos de la heparina con succinato de succinimidyl y amina de starPEG-(NH2) 8. estructura de la superficie de la nanocobertura heparina-PEG fue examinado por microscopia de fuerza atómica y aparece de Lou et al., la nanocobertura fue aproximadamente 30 nm de altura y 2 μm de ancho con pequeñas características porosas (manchas oscuras) que van entre 100 y 200 nm de diámetro10. Datos obtenidos de microscopía electrónica escaneada también confirman la estructura porosa altamente interconectada de la heparina-PEG (figura 3), sugiriendo que podría ser conveniente para la supervivencia de la célula durante el parto en vivo.
Revestimiento de la superficie de los islotes de ratón aislados fue examinado y como se presenta en la figura 4, capa delgada de la nanocobertura, demostrada por fluorescencia verde fue depositada uniformemente toda la superficie de recubrimientos islotes sin causar cambios evidentes en el islote volumen/tamaño. Durante el recubrimiento, es aconsejable mantener los islotes de hielo para mantener su viabilidad. Del mismo modo, el período de la capa, 10 minutos en este caso, fue también optimizada para permitir el mantenimiento de la viabilidad de los islotes. Cabe destacar que para la mejor observación de la nanocobertura, la microscopia electrónica que examina las secciones de islotes revestidos como previamente divulgados9,16 sería más apropiada, aunque los datos se generarían de islotes fijos y embedded en lugar de estar islotes en cultivo.
En cuanto a supervivencia y función de islotes revestidos, revascularización de islote y funciones en han sido evaluadas in vitro. Teniendo en cuenta las propiedades beneficiosas de la heparina, funcionalización de la heparina sobre la superficie del islote podría facilitar la revascularización islote en la cultura y por lo tanto su supervivencia. Hemos observado que los islotes de ratón recubierto de heparina-PEG exhibieron viabilidad robusto islotes en cultivo (figura 5). Significativamente más avanzada formación vascular era también evidente a partir de células endoteliales del islote (MS1) que fueron cultivadas conjuntamente con heparina-PEG revestido islotes, indicados por estructuras alargadas en microvasos y red-como las estructuras vasculares (figura 6 ).
El proceso de la nanocobertura no incurridos capacidad secretora de efecto insulina estimulada por glucosa de los islotes de recubierto de heparina-PEG. Bajo nivel de secreción de insulina se observó en todos los grupos de tratamiento cuando islotes fueron perfundidos con solución salina fisiológica con sub-stimulatory nivel de la glucosa (2 mmol/L; Figura 7). Cuando islotes fueron estimulados con un nivel supra fisiológico de la glucosa (glucosa de 20 mmol/L), se observó aumento en la secreción de insulina en todos los grupos de tratamiento.
Figura 1: Estructura química de la nanocobertura Hep-PEG para ingeniería de superficies de islotes pancreáticos. Capa del islote fue alcanzada por reticulación covalente entre la heparina-NHS y aminas primarias dentro de la membrana de la célula y estrellas - PEG-(NH2)8. Cada molécula de heparina posee varios grupos carboxilo, que fueron modificados para tener un grupo NHS cada. Los grupos carboxilo activado de NHS reaccionará con aminas primarias de la proteína a vínculos de amida de la forma, través del cual se estabiliza la nanocobertura de Hep-PEG e islotes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Espectro infrarrojo de la estrella - PEG-(NH2)8, heparina y la nanocobertura Hep-PEG en seco estado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Imágenes de microscopía electrónica de Hep-PEG en estado seco escaneadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Cubierto de imágenes representativas de heparina-PEG islotes bajo microscopio de fluorescencia.
La heparina fue etiquetada con FAM (mostrado en verde). Las imágenes son representante de 100 islotes. Barra de escala = 100 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Islotes recubierto de heparina-PEG exhibieron viabilidad islote robusto. (A) los datos presentados como mean± error de estándar del medio, n = 50 islotes por grupo. (B) las células vivas se muestran en las células verdes y muertas en rojo. Barra de escala = 100 μm. las imágenes son representativas de 50 islotes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Heparina-PEG nanocobertura facilita la revascularización intra-islote. Formación de tubo de Matrigel de MS1 células cultivadas conjuntamente con heparina-PEG cubierto de islotes y control noncoated islotes. Imágenes fueron tomadas en el bar de escala 4 y 24 h. = 100 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Heparina-PEG nanocobertura no incurre ningún cambio en la función de secreción de insulina islote. Heparina-PEG islotes revestidos y control noncoated islotes (30 cada uno) fueron expuestos a 2 mmol/L (barra blanca) o 20 Glucosa mmol/L (barra negra) durante 30 minutos la secreción de insulina en respuesta a Glucosa mmol/L 20 fue comparable entre el recubrimiento e islotes. Datos se muestran como media ± error estándar de los medios, n = 10. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En este artículo, se demuestra un enfoque "fácil-a-adoptar" para la vida de la superficie de la célula una nanocobertura starPEG incorporado de heparina vía química de pseudo-bioorthogonal entre los grupos N- hydroxysuccinimide la nanocobertura de ingeniería y la grupos amino de la membrana superficial del islote pancreático. De hecho, los grupos aminos en las membranas celulares son altamente reactivos, y como resultado, estudios anteriores han reportado interacciones entre los grupos aminos primarios con activado N- hydroxysuccinimidyl (NHS) éster bajo condiciones fisiológicas14 ,16,21. Además, una amplia investigación ha informado que incorporación de heparina, un glucosaminoglicano altamente sulfatada y componente importante de la matriz extracelular durante la encapsulación del islote, podría conducir a poste-trasplante mejorada revascularización y reducido IBMIR22,23. Teniendo en cuenta la biocompatibilidad de PEG y multivalentes propiedades de heparina, se utilizó PEG 8-armado de heparina máxima carga durante la fabricación de la nanocobertura. La heparina fue modificada con -NHS, que posteriormente sería reaccionar con los grupos de2 -NH en membrana de la célula del islote. Activando la formación de enlace covalente entre -NH2 (de membrana de la célula) y -NHS de la clavija de Hep, los islotes serían fácilmente "cubrir" la clavija incorporada de heparina, formando así una capa delgada de nano (nanocobertura) en la superficie externa de la pancreática islotes.
El enfoque actual es diferente de métodos previamente publicados que también seleccionaron PEG como el polímero importante para microencapsulación de islote en eso química de pseudo-bioorthogonal entre los -NHS (de la nanocobertura) y -NH2 de la célula del islote membrana fue utilizada. Teniendo en cuenta que la estabilidad de la célula del islote capa, especialmente en un entorno complejo como el plasma, es crucial para la revascularización posterior al trasplante y la supervivencia, la formación entre el NHS - y -NH2 sería más estable en comparación con interacción hidrófoba entre PEG y membrana celular24, interacciones electrostáticas9,15,24,25,26 o vínculo biológico entre la biotina estreptavidina14.
Además, en contraste con islote enfoque de capa que se basa en el enfoque de la LBL con período de manejo extendido islote de deposición multicapa14,16,25, la presente técnica también requiere un mínimo procesamiento y muy corto período de la capa de los islotes aislados. Ambos de estos factores son esenciales para la supervivencia después del trasplante del islote ya que viabilidad de islotes a menudo ya está comprometido aislamiento islote siguiente debido a la ECM dañado durante la digestión enzimática. Sin embargo, una limitación del enfoque actual es que, a diferencia de LBL, que espesor de la capa externa puede ser controlado por aumentar o reducir el número de la deposición de la capa, espesor de la nanocobertura Hep-PEG no puede ser adaptado por el momento.
Además, debido a la condición suave donde la reacción química entre el NHS - y -NH2 se lleva a cabo, el actual enfoque es aplicable para la célula viva superficie ingeniería no se limita a islotes pancreáticos, pero la mayoría la terapia celular. Además, teniendo en cuenta que la heparina es conocida para interactuar con una variedad de citoquinas y moléculas biológicamente activas, la nanocobertura Hep-PEG también presenta una plataforma abierta que tiene el potencial para la incorporación de mediadores biológicos ilimitados así como interfaces para la ingeniería de superficies de células más compleja.
Los autores no tienen nada que revelar.
Estamos agradecidos por el apoyo financiero de los fondos Nacional de Ciencias naturales de China (31770968), Tianjin programa de investigación de Fundación de aplicación y tecnología avanzada (17JCZDJC33400).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagent | |||
PBS | Hyclone | AAJ207798 | |
Streptozototin | Sigma | S0130 | |
Histopaque | Sigma | 10831 | |
RPMI 1640 | GIBCO, by Life Technologies | 31800022 | |
Fetal Bovine Serum | GIBCO, by Life Technologies | 16000-044 | |
Penicillin Streptomycin | GIBCO, by Life Technologies | 15140 | |
Cell Dissociation Solution | GIBCO, by Life Technologies | 13150-016 | |
DMEM | GIBCO, by Life Technologies | 12800017 | |
D-(+)-Glucose solution | Sigma | G8644 | |
488 phalloidin | Sigma | A12379 | |
CFSE | Sigma | 21888-25mg-F | |
Annexin V/PI apoptosis kit | Dojindo | AD10 | |
DAPI Fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-20 | |
Collagenase from Clostridium, Type XI | Sigma | C7657 | |
Heparin | Sigma-Aldrich | H3149 | |
NHS | Sigma-Aldrich | 56480 | |
EDC | Sigma-Aldrich | 3449 | |
8-armed PEG | J&K Scientific Ltd | 1685176 | |
FAM | Sigma-Aldrich | M041100 | |
5(6)-carboxyfluorescein N-succinimidyl ester | Sigma-Aldrich | 21888 | |
KBr | J&K Scientific Ltd | 32036 | |
3-aminopropyl-triethoxysilane | Sigma-Aldrich | A3648 | |
toluene | J&K Scientific Ltd | S-15497-20X | |
Live/dead staining kit | Biovision, US | K501 | |
BD MatrigelTM, basement membrane matrix, growth factor reduced | BD Bioscience | 354230 | |
Sodium chloride, 99.5% | J&K Scientific Ltd | 105864 | |
Potassium chloride, 99%, extra pure | J&K Scientific Ltd | 991468 | |
Sodium bicarbonate, 99.7%, ACS reagent | J&K Scientific Ltd | 988639 | |
Magnesium chloride hexahydrate, 99%, ACS reagent | J&K Scientific Ltd | 182158 | |
Potassium dihydrogen phosphate, 99%, extra pure | J&K Scientific Ltd | 128839 | |
Magnesium sulfate heptahydrate, 99%, for analysis | J&K Scientific Ltd | 119370 | |
Calcium chloride solution volumetric, 1.0 M CaCl2 | J&K Scientific Ltd | 21114 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | V900933 | |
Rat/Mouse Insulin ELISA kit | Millipore-linco | EZRMI-13K |
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