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Method Article
提示されたプロトコルは、マイクロ流体動的培養チャネルおよび従来の固定ウェル静的培養チャンバーにおける接着細胞層構造を視覚化するための共焦点レーザー走査型顕微鏡(CLSM)を用いたファロイジンベースの糸状アクチン染色技術の開発と使用について説明しています。このアプローチは、細胞層のコンフルエント性、単層形成、および層厚の均一性を評価するのに役立ちます。
in vitro マイクロ流体実験は、急性呼吸窮迫症候群(ARDS)や人工呼吸器誘発性肺損傷(VILI)などの状態で発生する微小生理学的現象に関する多くの洞察を明らかにする大きな可能性を秘めています。しかし、ヒト肺の細気管支末に生理学的に関連する寸法を有するマイクロ流体チャネルの研究は、特に所与の培養環境内で培地流量を含む適切な細胞培養条件を確立することが困難であるため、現在いくつかの課題に直面している。提示されたプロトコルは、ヒト肺の末端細気管支に生理学的に関連する寸法を有する酸素不透過性マイクロ流体チャネルで培養されたNCI-H441ヒト肺上皮細胞の構造を評価するための画像ベースのアプローチを説明している。ファロイジンベースの糸状アクチン染色を使用して、細胞の細胞骨格構造が共焦点レーザー走査顕微鏡によって明らかにされ、個々の細胞および層状の細胞の視覚化が可能になります。その後の定量は、採用されている細胞培養条件が、さらなる実験に適した均一な単層を産生しているかどうかを判断します。このプロトコルは、マイクロ流体チャネルおよび従来の固定ウェル環境における細胞培養および層評価方法について説明しています。これには、チャネル構築、細胞培養と必要な条件、固定、透過処理と染色、共焦点顕微鏡イメージング、画像処理、およびデータ分析が含まれます。
急性呼吸窮迫症候群(ARDS)は、肺実質の損傷に対する侮辱および損傷の伝播から生じる急性状態であり、肺胞の肺水腫、不十分なガス交換、およびその後の低酸素血症をもたらします1。これにより、炎症誘発性サイトカイン放出、好中球動員、毒性メディエーター放出、および組織損傷のサイクルが開始され、それ自体がさらなる炎症反応を引き起こします2。さらに、気道を安定させ、反復的な動員/脱動員(R / D)によって引き起こされる損傷を防ぐ肺サーファクタントは、ARDS中に発生する化学プロセスによって不活性化されるか、そうでなければ機能不全になり、周囲の実質にさらなるストレスと損傷をもたらす可能性があります3。十分な損傷が続く場合は、適切な全身酸素化を確保するために機械的換気が必要になる場合があります4。しかし、人工呼吸器は、過膨張中に課せられる機械的ストレス(体積外傷)および/または流体閉塞気道の気液界面のR / D(無テレトラウマ)によって引き起こされる肺実質の損傷として特徴付けられる人工呼吸器誘発性肺損傷(VILI)の可能性を含む、独自の課題と外傷を課します5.無遠外傷モデルにおいて(流体閉塞細気管支のように)気液界面に曝露された上皮細胞が経験する圧力勾配は、透過性に起因する閉塞反応(POOR)をもたらし、損傷のPOOR-get-POORerの好循環につながる可能性があります6,7,8。
in vitro 実験は、これらの現象に対するマイクロスケールの洞察を提供することができますが、生理学的に関連する次元を持つマイクロ流体チャネル環境での現在の研究は、いくつかの課題に直面しています9。一つには、細胞培養条件の最適化は、培地フローパラメータ、培養期間、およびその他の培養条件が最適な細胞層形成を可能にする狭い交差点が存在するため、マイクロ流体環境での細胞培養研究への参入に大きな障壁をもたらします。これには、マイクロ流体培養チャネルエンクロージャの酸素不透過性によって課せられる拡散制限が含まれます。低流速は細胞、特に入口から最も遠い細胞から酸素を奪う可能性があるため、これには媒体流量パラメータを慎重に検討する必要があります。一方、流速が高いと、細胞が培養チャネルから押し出されたり、不適切または不均一な層発達が生じたりする可能性があります。拡散の制限は、気液界面(ALI)培養装置でポリジメチルシロキサン(PDMS)などの酸素透過性材料を使用することで対処できます。しかしながら、電気セル−基質インピーダンスセンシング(ECIS)システムのもののような多くの従来のマイクロ流体培養チャネルは、製造されたエンクロージャ10の性質を考えると、本質的に酸素不透過性である。このプロトコルは、酸素不透過性のエンクロージャーで培養された細胞層を分析するための技術を提供することを目的としています。
培養条件の生存率を比較する場合、単層の存在、表面トポロジー、コンフルエンシー、層厚の均一性などの特定の層特性の観察は、特定の一連の培養条件によって生成された細胞層が所望の仕様を満たし、実際に実験計画に関連しているかどうかを判断するために必要です。フローアレイ内の金電極上で培養した細胞の電気絶縁膜によって課される高周波交流(AC)に対する抵抗(インピーダンス)によって生じる電位(電圧)の測定を利用するECISなどの方法で限定的な評価を行うこともできます。細胞に印加されるACの周波数を調節することにより、表面接着強度、タイトジャンクション形成、細胞増殖またはコンフルエンシーなど、細胞および細胞層の特定の周波数依存性を標的とし、調べることができます11。ただし、これらの間接的な形式の測定値は、実験の開始時に解釈するのがやや困難であり、細胞層の関連するすべての側面を定量化するとは限りません。位相差顕微鏡で細胞層を観察するだけで、コンフルエンシーなどの特定の性質の性質が明らかになる場合があります。しかしながら、単層の存在および層厚の均一性などの多くの関連する特性は、明視野、位相コントラスト、または蛍光顕微鏡イメージングでは不可能な3次元(3D)評価を必要とする12。
本研究の目的は、単分子膜のイメージングによる検証と共焦点レーザー走査型顕微鏡(CLSM)を用いた細胞層の均一性の評価を可能にする糸状アクチン染色技術を開発することでした。糸状アクチン(F-アクチン)は、F-アクチンが細胞膜にしっかりと追従し、細胞体積全体の視覚的近似を可能にする方法もあって、蛍光色素複合体の適切な標的であると考えられました13。F-アクチンを標的とするもう一つの重要な利点は、F-アクチンの染色が、細胞が受けるストレスや株によって課せられる細胞骨格の破壊や変化を視覚的に解明する方法です。メタノールなどの脱水固定剤は細胞を平らにし、細胞層を大きく歪め、その特性を変化させる傾向があるため、メタノールを含まないホルムアルデヒドによる架橋固定は、細胞と細胞層の形態を維持するために使用されました14,15。
これらの課題を軽減する層評価技術の能力を判断するために、細胞を従来の8ウェル培養チャンバーおよびマイクロ流体チャネルで培養し、産生された細胞層の違いがある場合はそれを評価しました。固定培養ウェルには、8ウェルチャンバーカバーガラスユニットを使用した。マイクロ流体培養の場合、フローアレイ(チャネル長50 mm、幅5 mm、深さ0.6 mm)を最適化して、ヒト肺の呼吸ゾーンに存在する末端細気管支に生理学的に関連する寸法の環境で不死化ヒト肺上皮(NCI-H441)細胞を培養しました16。このプロトコルは、ECISフローアレイの培養環境を念頭に置いて開発されましたが、培養細胞層の特性や培養条件の評価が必要な酸素不透過性の動的培養環境に適用できます。
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NCI-H441ヒト上皮性肺細胞株を本研究に使用した( 材料表参照)。
1. マイクロ流体チャネルでの細胞培養
図1:マイクロ流体チャネル構造の分解図。上部の要素はフローアレイの上部、薄い灰色の要素は粘着ストリップ、薄い青色の要素はマイラースペーサー、下部の要素は長方形のカバーガラスです。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:マイクロ流体培養チャネルの一貫して層を生成する領域に沿った5つのイメージング位置。 イメージング位置は以下の通りである:入口側、第1電極が無傷のフローアレイ上に位置する場所の近く。入口側の位置とチャネルの中心の中間。チャネルの中心。中心側と出口側の位置の中間、および出口側、最後の電極が無傷のフローアレイ上にある場所の近く。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2. 8ウェルチャンバーカバーガラスでの細胞培養
図3:固定ウェル培養、染色、およびイメージング実験に用いた8ウェルチャンバーカバーガラスの図で、細胞層の形成に対する初期細胞播種密度と培養期間の影響を比較しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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提示された方法は、マイクロ流体培養チャネルで培養された上皮細胞層の可視化を可能にし、検証として従来の固定ウェル細胞培養環境でのデモンストレーションを使用します。取得した画像は、品質、シグナル強度、および細胞ターゲット特異性のスペクトル上に存在します。成功した画像は高コントラストを示し、その後の統計的評価のための画像分析とデータの定量化を可能にします?...
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提示されたプロトコルは、シングルチャンネルマイクロ流体フローアレイの動的環境、および従来の8ウェルチャンバーカバーガラスの静的環境におけるNCI-H441ヒト肺上皮細胞の培養、架橋固定、染色、透過処理、および共焦点顕微鏡可視化について説明しています。マイクロ流体細胞培養プロトコルでは、高速フローが細胞を洗い流したり、細胞単層の正常な組み立てを妨げたりする可能性?...
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著者は利益相反を宣言しません。
著者らは、マイクロ流体チャネル構築に使用される3M接着剤とマイラーシートの切断パターンを設計し、細胞培養培地の流量とシリンジポンプのプログラミングをテストしたAlan Shepardsonを認めています。資金は、NIH R01 HL0142702、NSF CBET 1706801、およびニューカム-チューレーン大学学部長の助成金によって提供されました。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
A1R HD25 Confocal Microscope System | Nikon | A1R HD25 | https://www.microscope.healthcare.nikon. com/products/confocal-microscopes/a1hd25-a1rhd25/specifications |
ActinGreen 488 ReadyProbes Reagent (AlexaFluor 488 phalloidin) | Invitrogen | R37110 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/R37110 |
Adhesive Transfer Tape Double Linered | 3M | 468MP | https://gizmodorks.com/3m-468mp-adhesive-transfer-tape-sheet-5-pack/ |
Air-Tite HSW Soft-Ject Disposable Syringes | Air-Tite RL5 | 14-817-53 | https://www.fishersci.com/shop/products/air-tite-hsw-soft-ject-disposable-syringes-6/1481753#?keyword=syringe%20leur%20locking%205ml |
BAISDY 4 mil (0.1 mm) Thick Mylar Sheet | BAISDY | AS022 | https://www.amazon.ca/Stencil-Perfect-Silhouette-Machines-BAISDY/dp/B07RJJ9BNC |
Branson Ultrasonics M Series Ultrasonic Cleaning Bath | Branson Ultrasonics | 15-336-100 | https://www.fishersci.com/shop/products/m-series-ultrasonic-cleaning-bath/15336100 |
Corning Fibronectin, Human | Fisher Scientific | CB-40008 | https://www.fishersci.com/shop/products/corning-fibronectin-human-3/CB40008?keyword=true |
DPBS, calcium, magnesium | Gibco | 14040133 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/14040133?SID=srch-srp-14040133 |
ECIS Cultureware Disposable Electrode Arrays 8 x 10 ECIS Flow Array | Applied BioPhysics | 1F8x10E PC | https://www.biophysics.com/cultureware.php#1F8x10E |
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Finnpipette F2 Variable Volume Pipettes | Thermo Scientific | 4642090 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/4642090 |
Fisherbrand 50mL Easy Reader Plastic Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 06-443-21 | https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-higher-speed-easy-reader-plastic-centrifuge-tubes-8/p-193269 |
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Gibco RPMI 1640 Medium | Gibco | 11875093 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/11875093 |
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Large-Capacity Reach-In CO2 Incubator, 821 L, Polished Stainless Steel | Thermo Scientific | 3950 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/3950 |
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Masterflex Fitting, Nylon, Straight, Male Luer Lock to Hose Barb Adapters, 1/16" ID; 25/PK | Masterflex | ZY-45505-31 | https://www.masterflex.com/i/masterflex-fitting-nylon-straight-male-luer-lock-to-hose-barb-adapters-1-16-id-25-pk/4550531?PubID=ZY&persist=true&ip=no& gclid=Cj0KCQiA3rKQBhCNARIsAC UEW_Zb5yXy1em6bGs0a9KFOk5k pdlkHCvAEslHumdqcnlwSN0MdR0 udmwaAuDHEALw_wcB |
Microsoft Excel | Microsoft | 0016 | https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=56547 |
National Target All-Plastic Disposable Syringes | Thermo Scientific | 03-377-24 | https://www.fishersci.com/shop/products/national-target-all-plastic-disposable-syringes/0337724#tab8 |
NCI-H441 Human Epithelial Lung Cells | American Type Culture Collection (ATCC) | HTB-174 | https://www.atcc.org/products/htb-174 |
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NucBlue Live ReadyProbes Reagent (Hoechst 33342) | Invitrogen | R37605 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/R37605?SID=srch-srp-R37605 |
Nunc Lab-Tek Chambered Coverglass | Thermo Scientific | 155411 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/155361 |
Parafilm M Wrapping Film | Fisher Scientific | S37441 | https://www.fishersci.com/shop/products/parafilm-m-wrapping-film-3/S37441 |
PendoTech 3-Way Stopcock, Polysulfone, Male/Female Luer Inlet x Female Luer Branch | PendoTech | ZY-19406-49 | https://www.masterflex.com/i/pendotech-3-way-stopcock-polysulfone-male-female-luer-inlet-x-female-luer-branch/1940649 |
Phosphate Buffered Solution (PBS), pH 7.4 | Gibco | 10010023 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023 |
Poly-D-Lysine | Gibco | A3890401 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/A3890401#/A3890401 |
Reynolds Aluminum Wrap Foil | Reynolds | 458742928317 | https://www.amazon.com/Reynolds-Wrap-Aluminum-Foil-Square/dp/B00UNT0Y2M |
Saponin | Millipore Sigma (Sigma Aldrich) | 47036 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/47036 |
SlowFade Glass Soft-set Antifade Mountant | Invitrogen | S36917-5X2ML | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/S36917-5X2ML |
Thermo Scientific 1300 Series Class II, Type A2 Biological Safety Cabinet Package | Thermo Scientific | 13-100-752PM | https://www.fishersci.com/shop/products/1300-series-class-ii-type-a2-biological-safety-cabinet-package-promo/p-9049003#?keyword=biosafety%20hood |
Tygon Transfer Tubing, BioPharm Platinum-Cured Silicone, 1/16" ID x 1/8" OD; 50 Ft | Cole-Parmer | EW-95702-01 | https://www.coleparmer.com/i/tygon-transfer-tubing-biopharm-platinum-cured-silicone-1-16-id-x-1-8-od-50-ft/9570201?searchterm=95702-01 |
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