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Method Article
この研究は、神経組織の制御のための局所的な磁力のエンジニアリングへのボトムアップアプローチを提示する。磁気ナノ粒子(MpPs)を搭載したニューロン様細胞は、垂直磁化を有するマイクロパターンプラットフォームによってプレート化され、制御される。また、磁気特性評価、MNP細胞取り込み、細胞生存率、および統計解析も記載されています。
神経細胞を組織化されたニューラルネットワークに導く能力は、再生医療、組織工学、バイオインターフェースに大きな影響を与えます。多くの研究は、化学と地形の手がかりを使用してニューロンを指示することを目的としています。しかし、大規模な地域に対するミクロン規模の組織管理の報告はほとんどありません。ここでは、マイクロパターン化された磁気要素を埋め込んだ磁気プラットフォームを用いて、ニューロンをプリセット部位に配置し、ニューロンの成長をミクロンスケールの解像度で誘導するための効果的な方法が説明されている。磁気ナノ粒子(MpPs)を用いたニューロンの負荷は、磁気勾配の影響を受ける可能性のある敏感な磁気単位に変換することが実証されています。このアプローチに続いて、一般的なニューロンのようなモデルであるPC12細胞がメッキされ、超常磁性ナノ粒子がロードされた独自の磁気プラットフォームが製造されました。磁気パターンに対する有効な吸引力を与えるために、安定した垂直磁化を有する強磁性(FM)多層の薄膜を堆積させた。これらのMNP搭載PC12細胞は、磁気プラットフォームの上にメッキされ、分化され、磁気パターンに優先的に付着し、神経突起伸長はパターン形状とよく一致し、指向性ネットワークを形成した。磁気特性の定量的特性評価方法、細胞MNP取り込み、細胞生存率、および結果の統計的分析が提示される。このアプローチは、ニューラルネットワーク形成の制御を可能にし、磁力の操作を通じてニューロンと電極の界面を改善し、ネットワークのインビトロ研究に有効なツールとなり、新しい治療バイオインターフェーシングの方向性を提供する可能性がある。
ニューロンの微細パターン化は、組織再生1、2、3、4、5および神経電子デバイス6、7、8の開発に大きな可能性を秘めている。しかし、生体組織と同様に、高い空間分解能におけるニューロンのミクロンスケール位置付けは、重大な課題を提起する。このスケールで事前に設計された構造を形成するには、相馬運動性および軸索の成長を局所的に制御することによって神経細胞プロセスの指導が必要である。これまでの研究では、神経細胞の成長を導く化学および物理的手掛かり9、10、11、12の使用が示唆されている。ここでは、磁場勾配13、14、15、16、17による細胞位置制御に焦点を当てた新しいアプローチで、MNPを搭載した細胞を磁気感受性ユニットに変え、遠隔操作することができる。
Kunzeらは、磁気チップおよびMNP負荷細胞を用いて細胞応答を誘導するために必要な力を特徴づけたが、細胞内の機械的緊張によって初期軸索伸長が引き起こされ得ることを証明した。Tay et al. は、高められた磁場勾配を有するマイクロ加工基材が、カルシウム指標染料19を用いてMNPを添加した神経回路の無線刺激を可能にすることを確認した。さらに、Tsengら.は細胞内に合体したナノ粒子を合体し、細胞張張20に近づく局在したナノ粒子媒介力を生じる。これは、機械的な力に対する細胞応答を研究するのに役立つマイクロ磁気基質の定義されたパターンの製造につながった。局在したナノ粒子媒介力の適用から生じる細胞張力は、細胞20内のナノ粒子を合体させることによって達成された。相補的な金属酸化物半導体(CMOS)-マイクロ流体ハイブリッドシステムは、CMOSチップにマイクロ電磁石の配列を埋め込み、磁気ビーズ21でタグ付けされた個々の細胞の動きを制御するLeeらによって開発された。
Alonら. 細胞22を見つけるためにマイクロスケール、事前にプログラムされた磁気パッドを磁気「ホットスポット」として使用した。また、マイクロパターン化された磁気アレイを用いて細胞内で特異的活性を刺激し、特定の細胞内位置23でナノ粒子を局地化することもできる。細胞MNPの取り込みが、リーチ、ラット、およびマウスの一次ニューロン24、25、26で実証された。ここで、これはラットPC12褐色細胞株で実証されており、これは以前にMp27の高い取り込み量を示すことを報告されている。近年、がん治療における薬物送達や熱療法など、28,29,30,31の様々な医療用途が行われている。具体的には、研究は、Mpとニューロンネットワーク32、33、34、35のアプリケーションを扱う。しかし、単一細胞レベルでMPを使用するニューロンの磁気組織は、さらなる調査に値する。
この研究では、ボトムアップアプローチが、神経の配置を制御するための事前に設計されたプラットフォームを介して局所的な磁力を設計するために記述されている。FM多層のミクロンスケールパターンの製作が発表されました。このユニークなFM多層構造は、安定した垂直磁化を生み出し、すべての磁気パターンに対する効果的な吸引力をもたらします。インキュベーションを介して、MPはPC12細胞にロードされ、磁気感受性ユニットに変換された。MNPに装填された細胞は、磁気プラットフォームの上にメッキされ、分化され、磁気パターンに優先的に結合され、神経突起の成長はパターン形状とよく一致し、指向性ネットワークを形成した。FM多層およびMNPsの磁気特性を特徴づけるためのいくつかの方法が説明されており、細胞MNP取り込みおよび細胞生存アッセイの技術も提示されている。さらに、神経成長の形態測定パラメータと結果の統計的分析が詳細に示されます。
注:バイオセーフティキャビネットですべての生物学的反応を行います。
1. 磁気プラットフォームの製造
2. 輸送測定による磁気デバイスの特性
磁気測定によるMpと磁気多層の特徴
4. コラーゲンコーティングプロトコル
5. 細胞MNPの取り込みと生存率
誘導結合血漿(ICP)を用いた細胞内MNP濃度の特性評価
7. 磁気プラットフォーム上での細胞分化と成長
8. MNPにロードされた細胞染色
9. 測定と統計分析
異なる幾何学的形状を持つ磁気プラットフォームが製造された(図1A)。磁気パターンはスパッタリングによって堆積した:Co80Fe20およびPdの14の多層、0.2nmおよび1nm、それぞれ。電子顕微鏡は、磁気パターンの全高が〜18nmであることを明らかにした(図1B)。このユニークなFM多層堆積は、MNPにロードされたセルを?...
代表的な結果は、ミクロンスケールでのニューロンネットワーク形成を制御および組織するための提示された方法論の有効性を示す。MNP搭載PC12細胞は生存可能なままで、FM電極から特定の部位への磁力によって引き付けられた磁気感受性ユニットに変換された。これは、セルが細い線ではなく六角形の大きな頂点に優先的に接着した図5Cで最もよく示されています。ま?...
著者らは、競合する財政的利益を宣言しない。
この研究は、イスラエル科学技術省とイスラエル科学財団(569/16)によって支援されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
16% Paraformaldehyde (formaldehyde) aqueous solution | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | 15710 | |
6-well cell culture plate | FALCON | 353846 | |
96-well cell culture plate | SPL life sciences | 30096 | |
Amphotericin B solution | Biological Industries | 03-028-1B | |
AZ 1514H photoresist | MicroChemicals GmbH | ||
AZ 351 B developer | MicroChemicals GmbH | ||
Bovine serum albumin (BSA) | Biological Industries | 03-010-1B | |
Cell and Tissue cultur flask | Biofil | TCF002250 | 75.0 cm^2 250 mL Vent cap, Non-treated |
Cell culture dish | Greiner Bio-One | 627-160 | 35 mm |
Cell Proliferation Kit (XTT-based) | Biological Industries | 20-300-1000 | |
Centrifuge tube | Biofil | CFT021500 | 50 mL |
Co80Fe20 at% sputter target | ACI Alloys | 99.95% | |
Collagen type I | Corning Inc. | 354236 | Rat Tail, concentration range 3-4 mg/mL |
Confocal microscope | Leica | TCS SP5 | |
Cy2-conjugated AffiniPure Donkey Anti-rabbit secondary antibody | Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc. | 711-165-152 | |
DAPI fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-20 | |
Disposable needle | KDL | 23 G | |
Disposable syringe | Medispo | 1160227640 | 10 mL |
Donor horse serum | Biological Industries | 04-124-1A | |
ELISA reader | Merk Millipore | BioTek synergy 4 hybrid microplate reader | |
Ethanol 70% | ROMICAL LTD | 19-009102-80 | |
Ethanol absolute (Dehydrated) | Biolab-chemicals | 52505 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Biological Industries | 04-127-1A | |
Fresh murine β-NGF | Peprotech | 450-34 | |
GMW C-frame electromagnet . | Buckley systems LTD | 3470, 45 mm | |
Hydrochloric acid 32% | DAEJUNG CHEMICAL & METALS | 4170-4100 | |
ImageJ | US National Institutes of Health, Bethesda | NeuronJ plugin | |
Inductively coupled plasma (ICP) | Ametek Spectro | SPECTRO ARCOS ICP-OES, FHX22 MultiView plasma | |
Keithley source-measure | Keithley | 2400 | |
Keithley switching system | Keithley | 3700 | |
L-glutamine | Biological Industries | 03-020-1B | |
Light microscope | Leica | DMIL LED | |
Maskless photolithography | Heidelberg Inst. | MLA150 | |
Microscope Slides | BAR-NAOR | BN1042000C | |
Nitric acid 70% | Sigma-Aldrich | 438073 | |
Normal donkey serum (NDS) | Sigma | D9663 | |
PBS 10x | hylabs | BP507/1LD | |
PC12 cell line | ATCC | CRL-1721 | |
Pd sputter target | ACI Alloys | 99.95% | |
Penicillin-streptomycin nystatin solution | Biological Industries | 03-032-1B | |
PrestoBlue cell viability reagent | Molecular probes | A-13261 | resazurin-based |
Rabbit antibody to α-tubulin | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | ||
RF magnetron sputtering system | Orion AJA Int. | Orion 8 | |
RPMI 1640 with l-glutamine | Biological Industries | 01-100-1A | |
Sonication bath | KUDOS | SK3210HP | Frequency: 53 kHz. Ultrasonic power: 135 W |
SQUID magnetometer | Quantum Design, CA | ||
Triton X-100 | CHEM-IMPEX INTERNATIONAL | 1279 | non-ionic surfactant |
XTT cell viability reagent |
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