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Method Article
Qui presentiamo protocolli per l'analisi del rimodellamento osseo all'interno di una piattaforma lab-on-a-chip. Un dispositivo di caricamento meccanico stampato in 3D può essere accoppiato con la piattaforma per indurre la mechanostransduction osteocite deformando la matrice cellulare. La piattaforma può essere utilizzata anche per quantificare i risultati funzionali del rimodellamento osseo da osteoclasti e osteoblasti (risorption/formazione).
Il rimodellamento osseo è un processo strettamente regolamentato che è necessario per la crescita e la riparazione scheletriche, nonché per adattarsi ai cambiamenti nell'ambiente meccanico. Durante questo processo, gli osteociti meccanosensibili regolano le risposte opposte tra gli osteoclasti catabolizzanti e gli osteoblasti anabolizzanti. Per comprendere meglio i percorsi di segnalazione altamente intricati che regolano questo processo, il nostro laboratorio ha sviluppato una piattaforma di base lab-on-a-chip (LOC) per l'analisi dei risultati funzionali (formazione e riassorbimento) del rimodellamento osseo all'interno di un sistema su piccola scala. Poiché il rimodellamento osseo è un processo lungo che si verifica nell'ordine di settimane o mesi, abbiamo sviluppato protocolli di coltura cellulare a lungo termine all'interno del sistema. Gli osteoblasti e gli osteoclasti sono stati coltivati su substrati di attività funzionale all'interno del LOC e mantenuti per un massimo di sette settimane. Successivamente, i chip sono stati smontati per consentire la quantificazione della formazione ossea e il riassorbimento. Inoltre, abbiamo progettato un dispositivo di caricamento meccanico stampato in 3D che si accoppia con la piattaforma LOC e può essere utilizzato per indurre l'osteocite mechanotraduzione deformando la matrice cellulare. Abbiamo ottimizzato i protocolli di coltura cellulare per osteociti, osteoblasti e osteoclasti all'interno della piattaforma LOC e abbiamo affrontato le preoccupazioni di sterilità e citotossicità. Qui presentiamo i protocolli per la fabbricazione e la sterilizzazione del LOC, il seeding delle cellule su substrati funzionali, l'induzione del carico meccanico e la disassemblaggio del LOC per quantificare i risultati degli endpoint. Crediamo che queste tecniche gettano le basi per lo sviluppo di un vero e proprio organo su un chip per il rimodellamento osseo.
L'osso è un tessuto altamente dinamico che richiede una coordinazione intricata tra i tre principali tipi di cellule: osteociti, osteoblasti e osteoclasti. Le interazioni multicellulari tra queste cellule sono responsabili della perdita ossea che si verifica durante la paralisi e l'immobilità a lungo termine e per la formazione ossea che si verifica in risposta alla crescita e all'esercizio fisico. Gli osteociti, il tipo di cellula ossea più abbondante, sono altamente sensibili agli stimoli meccanici applicati all'osso. La stimolazione meccanica altera l'attività metabolica degli osteociti e porta ad un aumento delle molecole chiave di segnalazione1,2. Attraverso questo processo, noto come meccanotra, gli osteociti possono coordinare direttamente le attività degli osteoblasti (cellule che formano le ossa) e degli osteoclasti (cellule di risordiamento osseo). Mantenere l'omeostasi ossea richiede una stretta regolazione tra la formazione ossea e i tassi di risurrezione ossea; tuttavia, le interruzioni in questo processo possono provocare stati di malattia come l'osteoporosi o l'osteopetrosi.
La complessità delle interazioni tra questi tre tipi di cellule si presta bene allo studio utilizzando tecnologie microfluidiche e lab-on-a-chip (LOC). A tal fine, il nostro laboratorio ha recentemente stabilito la prova del concetto di piattaforma LOC per l'analisi del riordino osseo e della formazione (risultati funzionali) nel processo di rimodellamento osseo. La piattaforma può essere utilizzata per lo studio delle interazioni cellulari, degli ambienti di carico alterati e dello screening dei farmaci investigativo. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati vari dispositivi microfluidici per studiare le vie di segnalazione molecolare che regolano il rimodellamento osseo; tuttavia, molti di questi sistemi quantificano il rimodellamento attraverso marcatori indiretti che sono indicatividell'attivitàfunzionale 3,4,5,6,7. Un vantaggio del nostro sistema è che può essere utilizzato per la quantificazione diretta dei risultati funzionali. Il rimodellamento osseo è un processo a lungo termine. Come tale, la quantificazione diretta di ritorsione e formazione ossea richiede un sistema di coltura che può essere mantenuto per un minimo di settimane a mesi8,9,10,11. Così, durante lo sviluppo della piattaforma LOC, abbiamo stabilito protocolli di coltura a lungo termine necessari per la formazione e il riassorbimento e abbiamo mantenuto le cellule all'interno del sistema per un massimo di sette settimane11. Inoltre, abbiamo incorporato nella piattaforma i substrati di coltura appropriati per entrambi i tipi di cellule; Gli osteoclasti sono stati coltivati direttamente sulle ossa, e gli osteoblasti, che sono noti per essere aderenti di plastica, sono stati coltivati su dischi di polistirolo. Inoltre, abbiamo affrontato questioni riguardanti la sterilità, la citotossicità a lungo termine e lo smontaggio del chip per il rimodellamento dell'analisi11,12.
La piattaforma LOC può essere utilizzata anche per indurre l'osteocite mechanotratrante attraverso la deformazione della matrice. È stato sviluppato un dispositivo di caricamento meccanico stampato in 3D per l'associazione con il LOC e applicare una distensione statica fuori dal piano per allungare le celle13. Per contenere questo carico meccanico, la profondità del pozzo all'interno del LOC è stata aumentata. Questo dispositivo di caricamento meccanico semplice e su piccola scala può essere facilmente prodotto da laboratori con esperienza ingegneristica limitata, e in precedenza abbiamo condiviso disegni dei componenti stampati in 3D13. Nel lavoro attuale, dimostriamo alcune delle nuove tecniche necessarie per il successo dell'uso del LOC. In particolare, dimostriamo la fabbricazione di chip, la semina cellulare su substrati funzionali, il carico meccanico e lo smontaggio del chip per la quantificazione di rimodellamento. Crediamo che la spiegazione di queste tecniche tragga vantaggio da un formato visivo.
1. Preparazione maschera di truciolo
NOTA: i passaggi 1.1 - 1.3 devono essere eseguiti una sola volta al ricevimento iniziale della maschera di truciolo. Assicurano che la maschera non si inchini durante l'uso. La progettazione delle maschere microfluidiche è stata descritta in precedenza11,14. Le maschere sono state progettate internamente e fabbricate commercialmente utilizzando una stereolitografia ad alta risoluzione (Figura 1A).
2. Fabbricazione PDMS
NOTA: Per gli studi di carico meccanici viene utilizzato un progetto di chip a pozzo poco profondo (1 mm) e per gli studi di carico meccanico viene utilizzato un design di chip di pozzo profondo (10 mm). Il fondo del pozzo profondo si forma attaccando una membrana PDMS sottile separata (Figura 1B).
3. Substrati di attività funzionale
NOTA: I dischi di polistirolo e i wafer ossei devono essere attaccati al fondo dei pozzi che verranno utilizzati rispettivamente per le colture osteoblaste e osteoclasthe.
4. Assemblaggio e sterilizzazione dei trucioli
5. Assemblaggio del dispositivo di caricamento meccanico
NOTA: i processi di progettazione e fabbricazione per la periferica di caricamento meccanico stampata in 3D (Figura 2A-C) sono stati descritti in precedenza e tutti i file di progettazione per i componenti stampati sono stati precedentemente forniti13.
6. Sperimentazione
NOTA: i protocolli per gli esperimenti di attività funzionale sono stati precedentemente forniti11,12.
La configurazione della pozzetto può essere utilizzata per analizzare l'attività funzionale di osteoblasti e osteoclasti. La formazione ossea tramite osteoblasti e il riorspo tramite osteoclasts richiedono tempi di coltura nell'ordine di diverse settimane a mesi. La formazione ossea da osteoblasti MC3T3-E1 è stata quantificata utilizzando il rosso alizarino e le macchie di von Kossa11,15. Al giorno 49, la superficie media macch...
Questo articolo descrive le basi per la fabbricazione di una piattaforma LOC di rimodellamento osseo per il culturismo di osteociti, osteoclasti e osteoblasti. Modificando la profondità e le dimensioni del pozzo all'interno del chip, sono state sviluppate configurazioni multiple per stimolare gli osteociti con carico meccanico e quantificare i risultati funzionali del rimodellamento osseo (Figura 1B).
Durante l'assemblaggio del chip, l'ottimizzaz...
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation sotto Grant Nos. (CBET 1060990 e EBMS 1700299). Inoltre, questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dal National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program sotto Grant No. Eventuali opinioni, conclusioni, conclusioni o raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della National Science Foundation.
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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