Method Article
Abbiamo sviluppato una matrice extracellulare del polmone decellularized e bioreattore romanzo biomimetici che può essere utilizzato per generare il tessuto funzionale del polmone. Con la semina delle cellule e nella matrice coltura nel bioreattore, generiamo tessuto che dimostra efficace scambio di gas quando trapiantate in vivo per brevi periodi di tempo.
Tessuto polmonare, tra cui il cancro al polmone e malattie polmonari croniche come la broncopneumopatia cronica ostruttiva, cumulativamente rappresentano circa 280.000 morti all'anno; malattia polmonare ostruttiva cronica è attualmente la quarta causa di morte negli Stati Uniti 1. Contribuire a questo mortalità è il fatto che i polmoni in genere non riparare o rigenerare al di là del microscopico, a livello cellulare. Pertanto, tessuto polmonare che è danneggiato da degenerazione o infezione, o nel tessuto polmonare che è chirurgicamente resecato non è funzionalmente sostituito in vivo. Per esplorare se tessuto polmonare possono essere generati in vitro, abbiamo trattato polmoni di ratti adulti utilizzando una procedura che rimuove i componenti cellulari per produrre un acellulare polmone matrice extracellulare patibolo. Questa impalcatura mantiene le strutture gerarchiche ramificazione delle vie aeree e vasi, così come una membrana basale in gran parte intatta, che comprende collagene IV, laminina e fibronectina. Il ponteggio è montato in un bioreattore progettata per imitare gli aspetti critici della fisiologia del polmone, quali la ventilazione a pressione negativa e perfusione vascolare pulsatile. Da epitelio polmonare coltura ed endotelio vascolare all'interno del bioreattore montato un'impalcatura, siamo in grado di generare tessuto polmonare che è fenotipicamente paragonabile a tessuto polmonare nativa e che è in grado di partecipare allo scambio di gas per brevi intervalli di tempo (45-120 minuti). Questi risultati sono incoraggianti e suggeriscono che il ripopolamento del polmone matrice è una strategia praticabile per la rigenerazione del polmone. Questa possibilità rappresenta un'opportunità non solo di lavorare per aumentare l'offerta di tessuto polmonare per i trapianti, ma anche per lo studio delle cellule delle vie respiratorie e la biologia molecolare in vitro per periodi di tempo più lunghi e in un microambiente più accurata rispetto al passato possibile.
1. Bioreattore Assemblea
Figura dettagliate (s) del bioreattore progettazione e montaggio sia per decellularization e la cultura sono forniti nelle figure 1 e 2, rispettivamente. Tutti i componenti devono essere sterilizzati prima del montaggio del bioreattore. I seguenti punti specifici sono indicati:
COLLEGAMENTI:
FUNZIONI:
2. Organ Harvest
3. Organo Decellularization
Profumato con la soluzione decellularization fino a 500 ml di soluzione ha perfuso attraverso il polmone. Pressione ottimale è <15 mmHg (~ 20 cm H 2 O). Questo di solito richiede 2,5 ore. Le portate sono in genere molto lento (0.2-0.5ml/minute) inizialmente, e di aumentare rapidamente nel corso della seconda ora a circa 1ml/minute o superiore. Periodicamente, rimuovere il liquido decellularization utilizzati da bioreattore, assicurando abbastanza fluido rimane per sostenere il polmone e cannula tracheale.
4. Lavaggio e sterilizzazione degli organi
5. Recellularization
La scelta della fonte di cellule per la nuova semina organo è lasciata ai singoli ricercatori. Molte fonti di cellule può essere utilizzata, comprese le popolazioni disponibili in commercio, appena isolate cellule neonatali o polmonare fetale, le cellule staminali embrionali, o cellule fonti disponibili in commercio. Protocolli di isolamento specifici per queste popolazioni di cellule può essere trovato altrove 4,5,6. Qui forniamo istruzioni su come semi sia le popolazioni delle cellule endoteliali ed epiteliali.
Semina endoteliale:
Semina epiteliale:
6. Organo Cultura
Sebbene i dettagli di perfusione e ventilazione variano in base alla progettazione sperimentale, i seguenti punti sono noti:
7. Rappresentante dei risultati:
Decellularization
Quando il protocollo è eseguita correttamente, i polmoni appena estratti dovrebbe tenere l'aria senza perdite. Gonfiaggio con aria in immersione in un liquido può controllare questo - non ci dovrebbero essere tutte le bolle che indicano perdite d'aria. Il decellularization successivo dovrebbe consentire ~ 500 ml di liquido decellularization a fluire attraverso i polmoni, nel corso di 2,5 - 3 ore a 37 ° C, e PBS dovrebbe alla fine essere in grado di fluire attraverso i polmoni a circa 10 ml / min (sotto ~ 15 mm Hg della pressione idrostatica) alla fine del lavaggio. Dopo il trattamento con 0,1% di acido peracetico e benzonasi, i polmoni possono essere conservati a 4 ° C per un massimo di 3 mesi, e ancora adatto per recellularization.
La matrice extracellulare decellularized finale deve essere completamente privo di materiali cellulari, e conservino le caratteristiche lordo, microscopica e ultrastrutturale del polmone nativo. Decellularization insufficiente o risciacquo può provocare resto DNA "attaccare" al patibolo, che può essere visualizzato con una standard e ematossilina eosina (vedi Figura 3 per il confronto).
Ripopolamento di matrice acellulare e della cultura del tessuto polmonare
Se le cellule vengono isolate da appena 7 giorni cuccioli di ratto vecchio neonatale, come descritto nel supplemento linea che accompagna il lavoro di Petersen e colleghi 4, ci si può aspettare una resa cellula di 120-150 milioni di cellule per ogni cucciolata di 10 cuccioli (poco più di 10 milioni celle per neonato).
Condizioni ottimali per la semina delle cellule e la cultura successiva del polmone nel bioreattore dovrebbe produrre ben distribuita all'interno di tutte le cellule 5 lobi del polmone, e dovrebbe fornire una copertura di circa il 70% della matrice extracellulare patibolo (Figura 3). La popolazione di cellule in coltura sarà positiva per i principali marcatori delle cellule delle vie respiratorie, come pro-secretoria proteina-C (SPC), proteina secretoria delle cellule di Clara (CCSP), e aquaporin-5 (AQP), in ordine di abbondanza relativa (Figura 4).
Figura 1. Posizioni cannule e bioreattore decellularization
Figura 2. Bioreattori usati per la semina e la cultura del tessuto polmonare ingegnerizzati
Figura 3. Istologia di natale, decellularized, e ripopolata polmone
Figura 4. Colorazione di immunofluorescenza per gli indicatori chiave del polmone
Gli aspetti più critici del sistema indicati comprendono la manutenzione della sterilità, e un attento monitoraggio delle pressioni applicate al letto vascolare in tutto il processo di preparazione e semina il patibolo e la coltura del polmone ripopolato. La sterilità è meglio mantenuta in autoclave tutto il materiale prima dell'uso, e montando il polmone in un sistema chiuso poco dopo l'espianto ed evitare successive violazione di questa barriera. Dopo la matrice decellularized è stato accuratamente sciacquati e trasferito in un bioreattore sterile per la cultura, il tappo in silicone e altre guarnizioni e le connessioni non deve essere disturbato o rimosso. Per mantenere la pressione sotto controllo, il flusso spinto dalla forza di gravità è preferibile, quando possibile. Quando una pompa è richiesto per il ricircolo del liquido, a partire dopo il risciacquo con PBS e continua durante cultura, vi consigliamo direttamente la misurazione della pressione appena prima che il fluido entra l'arteria polmonare con un trasduttore di pressione. L'entità della pressione esercitata non deve superare i 15 mm Hg.
Recellularized polmoni possono essere coltivate per diversi periodi di tempo, di solito vanno da 4 giorni fino a 3 settimane. Perfusione vascolare in genere viene eseguita a 1-3 ml / min durante cultura endoteliali, mentre la ventilazione è di norma applicato ad una velocità di 1 respiro / min durante cultura epiteliali. Durante i periodi di cultura combinato, ventilazione simultanea e perfusione è appropriata. Ventilazione può essere effettuata sia con mezzo liquido o aria.
Nel corso degli ultimi decenni, diversi gruppi hanno fatto importanti lavori di ingegneria dei tessuti che mostrano la possibilità di differenziare l'epitelio polmonare in vitro e di replicare diversi aspetti del polmone microanatomia 7,8,9, 10. Tuttavia, fino a poco tempo, nessuno di questi 4,5 tentativi di ingegnere tessuto polmonare ha portato ad un organo impiantabili che era in grado di mantenere la separazione tra il sangue e comparti delle vie aeree e che possono partecipare allo scambio di gas. Pertanto, anche se i metodi descritti sono solo un primo passo verso l'obiettivo a lungo termine di produrre tessuto funzionale del polmone, questo lavoro è un passo incoraggiante verso la possibilità di aumentare la quantità di tessuto polmonare disponibili per il trapianto. Inoltre, questo lavoro elabora lavoro svolto dal Ott et al. Uygun e 11,12 e colleghi, che dimostrano l'efficacia di una matrice extracellulare decellularized come impalcatura per l'ingegneria dei tessuti complesse strutture tridimensionali e sostenere la crescita e la sopravvivenza di vari tipi di cellule . Questo lavoro è anche significativo per il suo contributo alla armamentario di cellule respiratorie e biologi molecolari. Fornendo un unico ambiente tridimensionale che può anche fornire adeguati stimoli meccanici, e che non condivide il rischio di compagno di una rapida de-differenziazione che si possono verificare durante roditore epitelio coltura in laboratorio con metodi più tradizionali 13, gli scienziati potrebbero usare il nostro sistema di approfondire la conoscenza dei interazioni cellula-cellula e cellula-matrice che svolgono un ruolo nella differenziazione cellulare e la funzione. Questa conoscenza può essere particolarmente potente se usato come leva per guidare il destino di diverse popolazioni di cellule staminali, come gruppo Cortiella ha dimostrato in studi iniziali 14.
Ringraziamo Maegan B. Colehour per facilitare lo sviluppo di bioreattori. Questi studi sono stati finanziati dalla Yale University Dipartimento di Anestesia e dal NIH concedere HL 098220 (per LEN). THP è stato sostenuto da NIH T32 GM007171.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome del reagente | Azienda | Numero di catalogo | Commenti (opzionale) |
---|---|---|---|
Eutanasia | |||
Eparina | Sigma-Aldrich | H4784 | |
Sodio nitroprussiato | Fluka | 71778 | |
Euthasol eutanasia soluzione | Virbac AH | 710101 | 390 mg / ml soluzione madre di sodio pentobarbital deve essere diluita opportunamente per la somministrazione IP |
Decell Soluzione | |||
CHAPS | Sigma-Aldrich | C3023 | |
NaCl | Americano Bioanalytical | AB01915 | |
EDTA | Sigma | E5134 | |
NaOH | JT Baker | 3722-01 | |
PBS 1X | Gibco | 14190 | |
Bioreattore Componenti | |||
480 ml barattolo | Cole Parmer | EW-3460560 | |
Tappo in silicone, taglia 14 | Cole Parmer | EW-06298-26 | |
Y-connettori | Cole Parmer | DE-30614-08 | Utilizzato per cannule arteriose e tracheale |
Tubi di silicone | Masterflex | 96420-14, 16 | L / S 14, 16 |
Trasduttori di pressione | Edwards Lifesciences | PX-212 | |
Valvola di ritegno | Cole Parmer | EW-98553-20 | Valvola unidirezionale |
4-way rubinetti | Edwards Lifesciences | 594WSC | |
Siringa filtro | Cole Parmer | 2915-08 | PTFE, 0.2μm |
Decell e apparati risciacquo (integrazioni al bioreattore) | |||
500 e 1000 ml, bottiglie di vetro | Corning | 1395-500;-1L | Utilizzato per decell e risciacquo per gravità |
Benzonasi Trattamento | |||
Penicillina / streptomicina | Gibco | 15140122 | |
FBS | Hyclone | SH30071.03 | |
Tris-HCl | Americano Bioanalytical | AB14043 | 1M, pH 8,0 |
MgCl 2 | JT Baker | 2444-01 | |
BSA | Sigma | A9647 | |
Benzonasi nucleasi | Sigma | E1014 | Endonucleasi usato per rimuovere residui di DNA da matrici |
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