Method Article
טכניקות פשוטות מתוארים לייצור מהיר של microfabricated מערכות תרבות עצביים באמצעות מכשיר micromirror דיגיטלי ליתוגרפיה הקרנת דינמי מסכה על מצעים תרבות קבוע התא. אלה מערכות תרבות יכול להיות נציג נוסף של ארכיטקטורה ביולוגי טבעי, ואת הטכניקות המתוארות יכול להיות מותאם עבור יישומים רבים.
יותר ויותר, תרבות בדוגמת סביבות התא נעשים בטכניקה רלוונטי ללמוד מאפיינים הסלולר, וחוקרים רבים מאמינים בצורך 3D סביבות לייצג בניסויים במבחנה אשר עדיף לחקות תכונות vivo ב 1-3. מחקרים בתחומים כגון סרטן מחקר 4, ההנדסה העצבית 5, לב ופיזיולוגיה 6, תא-matrix אינטראקציה 7,8 הראו התנהגות התא שונה באופן משמעותי בין תרבויות monolayer מסורתיים בונה 3D.
הידרוג משמשים 3D סביבות בגלל הרבגוניות שלהם, במגוון ואת היכולת להתאים את ההרכב המולקולרי באמצעות functionalization 9-12. טכניקות רבות קיימות עבור יצירה של מבנים כמו תאים תומכים מטריצות, כולל electrospinning 13, אלסטומר 14 בולים, דיו להדפסה 15, photopatterning כתוסף 16, photomask סטטי הקרנת-ליתוגרפיה 17, microstereolithography מסכה דינמי 18. למרבה הצער, שיטות אלה כוללות מדרגות ייצור מרובים ו / או ציוד לא להתאמה בקלות לתא קונבנציונאלי ותרבות שיטות רקמות. הטכניקה המועסקים פרוטוקול זה מתאים את שני האחרונים, באמצעות מכשיר micromirror הדיגיטלי (DMD) כדי ליצור photomasks דינמי מסוים גאומטרית crosslinking פולי (אתילן גליקול) (PEG) הידרוג, הנגרמת באמצעות פילמור UV יזם רדיקלים חופשיים. כתוצאה מכך "2.5D" מבנים לספק סביבת 3D מוגבל לצמיחה עצבית. אנו מעסיקים גישה כפול הידרוג'ל, שם PEG משמש מבנה התא מגבילים אזור באספקת ג'ל הרכבה עצמית צורה אחרת אבל התא מתירני עשוי גם Puramatrix או agarose. התהליך הוא ייצור מהיר פשוט צעד אחד אשר לשעתקו מאוד להתאים בקלות לשימוש עם שיטות קונבנציונליות תרבות התא מצעים.
Explants רקמות שלמות, כמו הגרעינים עובריים השורש הגבי (DRG), יכול להיות משולב בתוך המבנים הידרוג כפול עבור מבחני ניסיוניים כגון תולדה neurite. בנוסף, התאים ניתק ניתן הגלום הידרוג polymerizing photocrosslinkable או עצמית, או דבק סלקטיבי קרום חדיר תמיכה באמצעות תאים מגבילים photopatterning. שימוש DMD, יצרנו הידרוג בונה עד ~ 1mm עבה, אבל סרט דק (<200 מיקרומטר) מבנים PEG היו מוגבלים על ידי מרווה חמצן התגובה פילמור חינם הרדיקלי. אנו מכן פיתח טכניקה ניצול שכבה של שמן מעל הנוזל פילמור אשר אפשרה פילמור דק מבנה PEG.
בפרוטוקול זה, אנו מתארים את הבריאה מהירה של מערכות הידרוג 3D עבור ייצור של תאים עצביים microfabricated ותרבויות רקמות. בונה הידרוג כפול הפגינו בזאת מייצגים צדדי במודלים חוץ גופית שעשוי להיות שימושי עבור מחקרים במדעי המוח מעורבים הישרדות התא, הגירה, ו / או צמיחה הדרכה neurite ו. יתר על כן, כפרוטוקול יכול לעבוד עבור סוגים רבים של תאים הידרוג, יישומים אפשריים הן מגוון עצום.
1. DMD ההתקנה
2. Hydrogel בונה כפול עבור תרבויות Explant רקמות
א DRG הידבקות explant
ב Dynamic photopolymerization מסכה
מכשיר micromirror הדיגיטלי (DMD) היא 1024 x 768 מערך של מראות בודדים, דומה לזה של טלוויזיות הקרנה, אשר משקף באופן סלקטיבי אור מבוסס על עמדה במראה. לענייננו, DMD משמש אור אולטרה סגול (UV) על גבי תבנית הידרוג photocrosslinkable, יצירת גאומטריות הידרוג specifiable בצורה פשוטה ומהירה. איור 1 מתאר את ההתקנה של נתיב האור DMD ו-UV. למרות DMD שלנו היא יחידה עצמאית, המכשיר יכול גם להיות משולבת לשימוש עם מיקרוסקופים רבים הקיימים.
ג משניים הידרוג
Puramatrix
Agarose
3. Hydrogel Dual 3D תא Encapsulation
אנקפסולציה הידרוג כפול מתאים בעת שימוש כלשהו ג'ל הרכבה עצמית. ג'ל photocrosslinkable, ב PEG במקרה זה, משמשת תמיכה מבנית להצגת הגיאומטרי של ג'ל הרכבה עצמית, למשל Puramatrix או agarose. חלק מהשיטות, במיוחד סוג של ג'ל ובחירת photomask, יהיה תלוי ביישום המבוקש בפרט.
4. Hydrogel יחיד 3D תא Encapsulation
אנקפסולציה הידרוג אחד יהיה מתאים לכל מצב שבו תאים ניתן לבדוק בתוך הידרוג photocrosslinkable.
5. סרט דק Hydrogel פילמור
6. נציג תוצאות
דוגמאות הידרוג כפול המכיל בונה explants DRG מוצגות באיור 2. שימו לב כי הגירה הסלולר הרחבה neurite מוגבל לאזור תא מתירנית של הידרוג כפול לבנות. איור 3 מתאר תאים ניתק במארז דומה בתוך המבנים הידרוג כפול. בשל אופייה הדינמי של photomask DMD, הגיאומטריה זמין אנקפסולציה מוגבל רק על ידי הממדים ברזולוציה של אופטיקה. אנקפסולציה Cell היה גם אפשרי בתוך הידרוג photopolymerizable יחיד, PEG, ומבחן חי / מת הכדאיות בוצעה כפי באיור 4. Encapsulation ב PEG נועד רק כדוגמה, כמו PEG אינו מהווה סביבה אידיאלית עבור תאים עצביים. לכן, הכדאיות תא מתממש בונה PEG שלנו נמוכה. לבסוף, דוגמאות של ניצול סרטים PEG דק כשכבת כובל בדוגמת עבור הידבקות התא מוסיף על תרבית תאים מוצגים באיור 5. בנוסף, דוגמאות של התוצאות אפשרי "רע" מוצעות באיור 6.
התוצאות מייצגות רק חלק קטן של השימושים האפשריים של שיטות שפותחו במעבדה שלנו. הם אמורים להדגים, קלות צדדיות ואת הכדאיות של הגישה שלנו, והוא יכול להתייחס אליהם כאל "הוכחה של עקרון" לחוקרים לפתח התאמות אפשרי שלהם.
באיור 1. איור סכמטי של נתיב האור המשמש photolithography. הבלעה: אור אולטרה סגול מאיר את DMD בזווית של 45 מעלות, ו - ° 24 מתחת למטוס של המערך במראה.
איור 2. הצמיחה תווית ושגשוגם של DRG המכיל בונה הידרוג כפול. לספירה) תמונות המתארות polymerized בונה PEG (אפור) עם neurites שכותרתו עם בטא טובולין III (ירוק), גרעינים DAPI תא צבעונית (כחול). Explants DRG הכלולים Puramatrix והוא ממוקם באזורים מעגלי של הדפוס, עם neurites הגוברת כלפי הסתעפות (ים).
איור 3. בונה הידרוג כפול המכיל תאים שכותרתו עם calcein בבוקר, סמן תא חי, לאחר 48 שעות במדיום הגידול. לספירה) צורות PEG שונים, מלא Puramatrix המכיל ניתק נוירונים DRG (~ 5x10 3 תאים / מ"ל).
איור 4. הידרוג יחיד לבנות המכיל תאים חיים שכותרתו עם Calcein AM (ירוק) ו - תאים מתים שכותרתו עם ethidium homodimer-1 (אדום) לאחר 24 שעות במדיום הגידול (5x10 3 תאים / מ"ל).
איור 5. PEG Cell מגבילים polymerized כמו סרט דק באמצעות "דפוס מבחן" באופן סלקטיבי תאים לדבוק ניתק את קרום קולגן מצופה של תומך חדיר. A, B) תאים חיים מסומנים לאחר 48 שעות עם Calcein AM (ירוק), ואילו התאים המתים מסומנים עם ethidium homodimer-1 (אדום). הידבקות תא מינימלי מתרחשת באזור המכיל את הסרט PEG דק.
איור 6. תמונות הנציג של תוצאות לא רצויות. א) פילמור חלקית של PEG, המוביל PEG שמיש לבנות. פילמור לא נכון יכול להתרחש בשל נוכחותם של המניסקוס במדיום מראש הפולימר, כמויות מספיקות של המדיום פילמור, חשיפה UV מספיק להתמקד או לא תקין של אופטיקה. ב) תמונה המתארת polymerized בונה PEG (אפור) עם neurites שכותרתו עם בטא טובולין III (ירוק), גרעינים DAPI תא מוכתם (כחול). Neurites הצליחו לגדול מחוץ ערוצי PEG בדוגמת. זה מתרחש לעיתים קרובות במצב זה Puramatrix גולש על גבי החלק PEG במהלך ההזרקה.
השיטה המתוארת לעיל יכול לשמש חוקר כל המבקשים פשוטה לשחזור התרבות מערכות התא. תיאורטית, בשל המגוון הרחב של הידרוג photopolymerizable זמין, הסביבה יכולה להיות מותאם כדי לאפשר להשתמש בכל סוג תא, כולל explants רקמה שלמה. בנוסף, מערכת הידרוג כפולה מאפשרת שליטה מרחבית משופרת במצגת של העצמי polymerizing הידרוג, אשר נוטים ליצור צורות אמורפיות בכוחות עצמם. כתוצאה מכך "2.5D" בונה micropatterned הידרוג לספק מטריצה 3D לצמיחה עצבית הציג בתצורת 2D, המאפשרת הערכה מיקרוסקופית נוח. המצע שעליו ג'לים polymerized הם יכולים גם להיות מגוונות, ומאפשר שליטה רבה יותר בתכנון הניסוי. השיטות שלנו הן מותאמות לשימוש עם התרבות תומך התא חדיר, כפי שראינו הכדאיות משופרת (איור 4) לעומת פילמור בשקופיות זכוכית (מידע לא מוצג). עם זאת, משטחים פילמור אחרים עשויים לחול יותר עבור יישומים שונים: ייצור על שקופיות הזכוכית המשמשים בניסויים מיקרופלואידיקה או במצטבר תצורות התא, למשל.
הניסיון שלנו עם מערכות אלה תרבות הוביל לזיהוי של אזורים פוטנציאליים של קושי. ראשית, טכניקות זהירות נדרשים כדי לשמור על סטריליות של מבנים. בשל אופייה מגושם של ההתקנה DMD, קשה להפעיל צעדים פילמור בתנאים סטריליים. כדי להתמודד עם בעיה זו, הצעד לשטוף המתואר השיטות מועיל, ואנטיביוטיקה יש להשתמש בתקשורת בכלל. בנוסף, עובי הצורה הסופית של לבנות את polymerized תלויה מאוד על התנהגות נוזלים של תערובת טרום הפולימר, ואת הנוכחות של המניסקוס עלול לגרום בונה ג'ל כי הם רזה מדי או polymerized חלקית (איור 6). שני צעדים שניתן לנקוט כדי לצמצם את היווצרות של המניסקוס הפנימי מוסיף תרבית תאים. עבור הידרוג עבה (> 200 מיקרומטר), ציפוי פשוט של X-Rain סביב הקיר הפנימי של להכניס את די. עם זאת, כפי שתואר בקצרה לעיל, בונה דק (<200 מיקרומטר), שכבת שמן נדרש גם למזער את המניסקוס ולשלול מרווה חמצן פילמור של הרדיקלים החופשיים. החלטה נמצא כי תלוי בעובי, עם ירידה בגודל תכונת הבינה עם ג'ל סמיך יותר ויותר. ההחלטה מגוונות גם תלוי אם התכונה ייצג הקלה חיובי או שלילי הידרוג. עם זאת, השגנו החלטה די בונה עם גדלים תכונה מינימום בקנה מידה של ~ 100 מיקרומטר באמצעות מיקרוסקופ מטרות רק התמקדות אופטיקה.
הניסויים שלנו הראו כי בונה הידרוג כפול המתואר כאן מהווים בסיס מצוין ליצירת חוץ גופית הדגמים הבסיסיים של צמיחה הדרכה neurite ו. הטכניקה micropatterning המועסקים הוא עיבוד של השיטות הקיימות 18,19, אך הגדרת שלנו הדגיש פשוט ליישם העיצוב היה מותאם במיוחד הייצור של בונה הידרוג כפול מוסיף על התרבות התא; תרבות מוסיף התא היו חיוניים לשיפור כדאיות התא, כמו גם כמו crosslinking סביב explants רקמות חסיד בעבר. היקף התוצאות הראו מוגבל על ידי האינטרסים של המעבדה שלנו, אולם אנו מאמינים כי שיטות המתוארים בפרסום זה יוכיח שימושי החוקרים מחפשים שיטה, זול יחסית, מהיר וקל לשימוש עבור ייצור של תרבית תאים 3D מודלים.
המחברים מבקשים להודות במעבדה של פרופ 'אנתוני Windebank לשיתוף המומחיות שלהם על DRG לנתיחה ותרבות, כמו גם פרופ' Shaochen חן לדיונים מועיל בדבר ההתקנה DMD. מחקר זה מומן בחלקו על ידי אוניברסיטת טוליין ומענקים מועצת העוצרים לואיזיאנה (LEQSF [2009-10]-RD-A-18) ו-NIH (NS065374).
Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
---|---|---|---|---|
Name | Company | Catalog Number | Comments | |
Digital Micromirror Device | Texas Instruments | DLPD4X00KIT | ||
Collagen Coated Transwell Permeable Support | Corning | 3491 | Also referred to as Cell Culture Insert in manuscript | |
Polyester Transwell Permable Support | Corning | 3412 | Also referred to as Cell Culture Insert in manuscript | |
Neurobasal Medium | Invitrogen | 21103-049 | ||
Fetal Bovine Serum | Invitrogen | 16000-036 | ||
L-glutamine | Invitrogen | 25030-164 | ||
Nerve Growth Factor | Invitrogen | 13257-019 | ||
Pen/Strep | Invitrogen | 15140-122 | ||
B-27 Supplement | Invitrogen | 17504-044 | ||
DPBS | Invitrogen | 14190-250 | ||
Puramatrix | BD Biosciences | 354250 | ||
PEG 1000 | Polysciences, Inc. | 15178 | ||
Irgacure 2959 | Ciba Specialty Chemicals | 0298913AB | ||
Oil | Have used both canola oil and silicon oil | Needs to be UV transparent, and minimize +/- meniscus formation | ||
OmniCure Series 1000 | Exfo | |||
Rain-X |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved