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Method Article
Ici, nous présentons des protocoles pour analyser le remodelage des os dans une plate-forme de laboratoire sur puce. Un dispositif de chargement mécanique imprimé en 3D peut être jumelé à la plate-forme pour induire la mécanostransduction ostéocyte en déformant la matrice cellulaire. La plate-forme peut également être utilisée pour quantifier les résultats fonctionnels de remodelage des ostéoclastres et des ostéoblastes (résorption/formation).
Le remodelage osseux est un processus étroitement réglementé qui est nécessaire pour la croissance et la réparation squelettiques ainsi que pour s’adapter aux changements dans l’environnement mécanique. Pendant ce processus, les ostéocytes mécanosensitifs régulent les réponses opposées entre les ostéoclastes cataboliques et les ostéoblastes anabolisants. Pour mieux comprendre les voies de signalisation très complexes qui régulent ce processus, notre laboratoire a mis au point une plate-forme de laboratoire sur puce (LOC) pour analyser les résultats fonctionnels (formation et résorption) de remodelage osseux au sein d’un système à petite échelle. Comme le remodelage des os est un processus long qui se produit de l’ordre de semaines à des mois, nous avons développé des protocoles de culture cellulaire à long terme dans le système. Les ostéoblastes et les ostéoclastes ont été cultivés sur des substrats d’activité fonctionnelle dans le LOC et maintenus jusqu’à sept semaines. Par la suite, les copeaux ont été démontés pour permettre la quantification de la formation et de la résorption osseuses. En outre, nous avons conçu un dispositif de chargement mécanique imprimé en 3D qui s’associe à la plate-forme LOC et peut être utilisé pour induire la mécanotransduction ostéocyte en déformant la matrice cellulaire. Nous avons optimisé les protocoles de culturation cellulaire pour les ostéocytes, les ostéoblastes et les ostéoclastes au sein de la plate-forme LOC et avons abordé les préoccupations de stérilité et de cytotoxicité. Ici, nous présentons les protocoles pour fabriquer et stériliser le LOC, ensemencement des cellules sur des substrats fonctionnels, en induisant la charge mécanique, et en démontant le LOC pour quantifier les résultats des points de terminaison. Nous croyons que ces techniques je base pour développer un véritable organe sur puce pour le remodelage des os.
L’os est un tissu très dynamique qui nécessite une coordination complexe entre les trois principaux types de cellules : ostéocytes, ostéoblastes et ostéoclastes. Les interactions multicellulaires entre ces cellules sont responsables de la perte osseuse qui se produit pendant la paralysie et l’immobilité à long terme et de la formation osseuse qui se produit en réponse à la croissance et à l’exercice. Les ostéocytes, le type de cellule osseuse le plus abondant, sont très sensibles aux stimuli mécaniques appliqués sur l’os. La stimulation mécanique modifie l’activité métabolique des ostéocytes et entraîne une augmentation des molécules de signalisation clés1,2. Grâce à ce processus, connu sous le nom de méchanotransduction, les ostéocytes peuvent coordonner directement les activités des ostéoblastes (cellules formatrices osseuses) et des ostéoclastes (cellules de résorbage des os). Le maintien de l’homéostasie osseuse exige une réglementation stricte entre la formation osseuse et les taux de résorption osseuse; cependant, les perturbations dans ce processus peuvent avoir comme conséquence des états de maladie tels que l’ostéoporose ou l’ostéopétrose.
La complexité des interactions entre ces trois types de cellules se prête bien à l’investigation utilisant les technologies microfluidiques et de laboratoire sur puce (LOC). À cette fin, notre laboratoire a récemment établi la preuve de concept d’une plate-forme LOC pour analyser la résorption et la formation osseuses (résultats fonctionnels) dans le processus de remodelage des os. La plate-forme peut être utilisée pour l’étude des interactions cellulaires, des environnements de chargement modifiés et du dépistage des médicaments par voie d’investigation. Ces dernières années, divers dispositifs microfluidiques ont été développés pour étudier les voies de signalisation moléculaire qui régulent le remodelage des os; cependant, beaucoup de ces systèmes quantifient le remodelage par des marqueurs indirects qui sont indicatifs de l’activité fonctionnelle3,4,5,6,7. Un avantage de notre système est qu’il peut être utilisé pour la quantification directe des résultats fonctionnels. Le remodelage osseux est un processus à long terme. En tant que tel, la quantification directe de la résorption osseuse et la formation nécessite un système de culture qui peut être maintenu pendant un minimum de plusieurs semaines à mois8,9,10,11. Ainsi, lors du développement de la plate-forme LOC, nous avons établi des protocoles de culte à long terme nécessaires à la formation et à la résorption et avons maintenu des cellules dans le système jusqu’à sept semaines11. En outre, nous avons incorporé des substrats de culture appropriés pour les deux types de cellules dans la plate-forme; les ostéoclastres ont été cultivés directement sur l’os, et les ostéoblastes, qui sont connus pour être adhérents en plastique, ont été cultivés sur des disques de polystyrène. En outre, nous avons abordé les questions concernant la stérilité, la cytotoxicité à long terme et le démontage des puces pour la refonte de l’analyse11,12.
La plate-forme LOC peut également être utilisée pour induire la mécanotransduction ostéocyte par déformation de la matrice. Un dispositif de chargement mécanique imprimé en 3D a été développé pour jumeler avec le LOC et appliquer une distension statique hors de l’avion pour étirer les cellules13. Pour tenir compte de cette charge mécanique, la profondeur du puits à l’intérieur du COL a été augmentée. Ce dispositif de chargement mécanique simple à petite échelle peut être facilement produit par des laboratoires avec une expérience d’ingénierie limitée, et nous avons déjà partagé des dessins des composants imprimés 3D13. Dans les travaux en cours, nous démontrons quelques-unes des nouvelles techniques nécessaires à l’utilisation réussie du LOC. Plus précisément, nous démontrons la fabrication de puces, l’ensemencement cellulaire sur les substrats fonctionnels, le chargement mécanique et le démontage des copeaux pour remodeler la quantification. Nous croyons que l’explication de ces techniques bénéficie d’un format visuel.
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1. Préparation de masque de puce
REMARQUE : Les étapes 1.1 - 1.3 n’ont qu’à être exécutées une fois à la réception initiale du masque à puce. Ils s’assurent que le masque ne s’incline pas pendant l’utilisation. La conception des masques microfluidiques a été précédemment décrite11,14. Les masques ont été conçus à l’interne et fabriqués commercialement à l’aide d’une stéréolithographie haute résolution(figure 1A).
2. Fabrication PDMS
REMARQUE : Une conception de copeaux peu profonde (1 mm) est utilisée pour les essais d’activité fonctionnelle (formation et résorption), et une conception de copeaux de puits profonds (10 mm) est utilisée pour des études de chargement mécanique. Le fond du puits profond est formé en attachant une membrane PDMS mince séparée(figure 1B).
3. Substrats d’activité fonctionnelle
REMARQUE : Les disques en polystyrène et les gaufrettes osseuses doivent être fixés au fond des puits qui seront utilisés pour les cultures ostéoblastiques et ostéoclastres, respectivement.
4. Assemblage et stérilisation des copeaux
5. Assemblage mécanique du dispositif de chargement
REMARQUE : Les processus de conception et de fabrication du dispositif de chargement mécanique imprimé en 3D(figure 2A-C) ont été décrits précédemment et tous les fichiers de conception pour les composants imprimés ont été précédemment fournis13.
6. Expérimentation
REMARQUE : Les protocoles pour les expériences d’activité fonctionnelle ont été précédemment fournis11,12.
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La configuration des puits peu profonds peut être utilisée pour analyser l’activité fonctionnelle des ostéoblastes et des ostéoclastres. La formation osseuse par ostéoblastes et la résorption par l’intermédiaire d’ostéoclastes nécessite des temps de culture de l’ordre de plusieurs semaines à des mois. La formation osseuse des pré-ostéoblastes MC3T3-E1 a été quantifiée à l’aide de taches alizarin rouge et von Kossa11,
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Cet article décrit les fondations pour la fabrication d’une plate-forme LOC remodelant osseuse pour la culture des ostéocytes, des ostéoclastes et des ostéoblastes. En modifiant la profondeur et la taille du puits à l’intérieur de la puce, de multiples configurations ont été développées pour stimuler les ostéocytes avec une charge mécanique et quantifier les résultats fonctionnels du remodelage osseux(figure 1B).
Pendant l’assem...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation sous Grant Nos. (CBET 1060990 et EBMS 1700299). De plus, ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program dans le cadre de la subvention no 2018250692). Les opinions, les conclusions, les conclusions ou les recommandations exprimées dans ce document sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue de la National Science Foundation.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acrylic sheet | Optix | -- | 3.175 mm thick |
Angled dispensing tips | Jensen Global | JG18-0.5X-90 | Remove plastic connector prior to use |
Biopsy punch | Robbins Instruments | RBP-10 | 1 mm diameter |
Bone wafers | Boneslices.com | 0.4 mm thick | Bovine cortical bone |
Bovine calf serum | Hyclone | SH30072 | |
Calipers | Global Industrial | T9F534164 | |
Cell spatula | TPP | 99010 | |
Chip mask | ProtoLabs | Custom-designed | Print material: Accura SL 5530 |
Cork borer | Fisher Scientific | 07-865-10B | |
Cotton tipped applicator | Puritan | 806-WCL | |
Culture dish (100 mm) | Corning | 430591 | Sterile, Non-tissue culture treated |
Culture dish (150 mm) | Corning | 430597 | Sterile, Non-tissue culture treated |
Double sided tape | 3M Company | Scotch 237 | |
Fetal bovine serum | Hyclone | SH30910 | |
Forceps | Fisher Scientific | 22-327379 | |
Leveling box | Custom-made | -- | 3D printed |
Masking tape | 3M Company | Scoth 2600 | |
MC3T3-E1 preosteoblasts | ATCC | CRL-2593 | Subclone 4 |
Mechanical loading device | Custom-made | -- | 3D printed |
Minimum essential alpha medium | Gibco | 12571-063 | |
MLO-Y4 osteocytes | -- | -- | Gift from Dr. Lynda Bonewald |
Packaging tape | Duck Brand | -- | Standard packaging tape |
Paraffin film | Bemis Parafilm | PM999 | |
Penicillin/streptomycin | Invitrogen | p4333 | |
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-001 | Expanded plasma cleaner |
Polydimethylsiloxane kit | Dow Corning | Sylgard 184 | |
Polystyrene coverslips | Nunc Thermanox | 174942 | Sterile, tissue culture treated |
Oven | Quincy Lab | 12-180 | |
RAW264.7 preosteoclasts | ATCC | TIB-71 | |
Scalpel | BD Medical | 372611 | |
Silicone tubing | Saint-Gobain Tygon | ABW00001 | ID: 1/32" (0.79 mm), OD: 3/32" (2.38 mm) |
SolidWorks software | Dassault Systèmes | -- | Used to generate 3D printed models and perform FEA |
Spray adhesive | Loctite | 2323879 | Multi-purpose adhesive |
Syringe (5 ml) | BD Medical | 309646 | Sterile |
Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-2213 | Pump 11 Pico Plus |
Tapered laboratory spatula | Fisher Scientific | 21-401-10 | |
Two-part expoxy | Loctite | 1395391 | 5 minute quick set |
Type I collagen | Corning | 354236 | Rat tail collagen |
Vacuum desiccator | Bel-Art | F42010-0000 | |
Waterproof sealant | Gorilla | 8090001 | 100% silicone sealant |
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