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要約

本プロトコルは、初代組織(皮膚、肺胞、気道、および腸)の全層臓器チップ培養の確立と成熟を成功させるためのOpen-Top Organ-Chipの機能と本質的な培養モダリティを説明し、ヒトの上皮/間葉系および血管ニッチ界面のさまざまな機能的側面をin vitroで調査する機会を提供します。

要約

ほぼすべての人間の臓器は上皮組織で裏打ちされており、3次元(3D)構造に編成された緊密に接続された細胞の1つまたは複数の層で構成されています。上皮の主な機能の1つは、下線組織を物理的および化学的傷害および感染性病原体から保護する障壁の形成である。さらに、上皮は栄養素、ホルモン、およびその他のシグナル伝達分子の輸送を媒介し、多くの場合、臓器内の細胞の位置決めと区画化を導く生化学的勾配を作成します。上皮は、臓器の構造と機能を決定する上で中心的な役割を果たすため、動物モデルでは必ずしも捕捉されない多くのヒト疾患の重要な治療標的です。明らかな種間の違いに加えて、動物の上皮のバリア機能と輸送特性に関する調査研究を行うことは、生体系でこれらの組織にアクセスすることの難しさによってさらに悪化します。二次元(2D)ヒト細胞培養は、基本的な科学的質問に答えるのに役立ちますが、 in vivo での予測が不十分であることがよくあります。これらの制限を克服するために、過去10年間で、臓器チップとして知られる多数のマイクロエンジニアリングされた生体模倣プラットフォームが、従来の in vitro および動物実験の有望な代替手段として浮上しました。ここでは、皮膚、肺、腸などの臓器特異的な上皮組織をモデル化するために設計されたプラットフォームであるオープントップ臓器チップ(またはオープントップチップ)について説明します。このチップは、機械的に活性なシステム内に組織特異的な線維芽細胞と内皮細胞を組み込むことによって3D間質成分を再現する機能を含む、上皮組織の多細胞構造と機能を再構成するための新しい機会を提供します。このOpen-Top Chipは、単一細胞から多層組織構築物まで、複数の解像度スケールで上皮/間葉系および血管の相互作用を研究するための前例のないツールを提供し、健康と疾患における上皮化臓器の細胞間クロストークの分子解剖を可能にします。

概要

歴史的に、科学者は創薬のために前臨床動物実験に依存してきましたが、人間の転帰との相関性が低いため、これらの方法の多くが疑問視されてきました1。動物実験を置き換え、削減し、改良するための「3R」原則の実施は、科学者に前臨床薬物および化学毒物学のリスク評価をサポートするための新しいin vitro代替方法を見つけることを促します2。しかし、これまでに開発された多くのin vitroモデルは、人間の生体器官の動的な性質を再現するために必要な生物学的構造、細胞の複雑さ、および機械的環境を欠いています3,4。

従来のin vitro前臨床システムでは、通常、硬質プラスチック表面上で増殖したヒト細胞の2D単培養が使用されます。これらの方法は、簡単な機構研究を行うためのツールを提供し、医薬品候補の迅速なスクリーニングを可能にします。2Dモデルは比較的低コストで堅牢性が高いため、自動ハイスループットシステムと組み合わされることが多く、医薬品開発プロセスの初期段階で潜在的な医薬品候補を迅速に特定するために使用されます5,6。しかし、このような2Dモデルは、治療薬候補に対する組織レベル、臓器レベル、または全身反応をモデル化するためのトランスレーショナルアプローチを提供しておらず、開発の前臨床段階での医薬品の安全性と有効性を正確に予測する必要があります。フラットセル培養では、複雑な多細胞相互作用、生体力学的特性、ヒト組織の3次元(3D)構造など、天然の組織の微小環境を再現することはできません7。平坦な表面上で増殖する細胞は、成熟した表現型を獲得しないことが多く、したがって、天然組織の場合のように薬理学的刺激に応答することができません。例えば、in vitroで増殖した初代ヒト肺胞上皮細胞は、扁平上皮表現型を示し、サーファクタントタンパク質CおよびB(SP-CおよびSP-B)8を含む重要な表現型マーカーを失います。不十分な分化に加えて、初代細胞は、組織の炎症に関連する特定の生化学的経路が機能しなくなるため、in vitroで生物学的ストレッサーに対して鈍感になることがよくあります9。このような細胞機能の喪失は、主に硬い基質の使用と、肺線維芽細胞や平滑筋細胞などの組織特異的間質細胞によって自然に放出される可溶性因子の欠如に関連しているようです10,11。

化学的物理的および生物学的複雑さの欠如がin vitroでの細胞の生理学的挙動を制限することを理解することで、より洗練された多細胞モデルの開発が促進され、体外のヒト組織の複雑さをよりよく捉えることが証明されています12,13。1970年代初頭に最初の共培養モデルが作成されて以来14、合成および天然のヒドロゲルの導入により、天然の組織微小環境を模倣する能力が大幅に向上し、細胞分化を促進し、細胞の自己組織化を組織様構造に導き、天然の組織機能を回復するための貴重なツールになりました15,16.例えば、適切な3D足場で増殖させると、ヒト細胞はスフェロイドやオルガノイドなどの機能的な構造に自己配列し、幹細胞マーカーを発現し、自己複製することができます17。対照的に、ヒト細胞(幹細胞を含む)は、従来の2D基質上で増殖すると、急速に老化し、数回継代した後に老化を受ける18。さらに、ヒドロゲルは、多孔性、孔径、繊維の太さ、粘弾性、トポグラフィー、剛性などの特定の組織特性に合わせて「調整」することも、組織由来の細胞成分および/または生理活性分子でさらに操作して、生理学的または病理学的状態のエミュレーションを可能にすることもできます19,20.医薬品研究で使用される3Dヒドロゲルベースのモデルは、薬物試験の大きな可能性を秘めているにもかかわらず、in vivo組織の複雑な細胞構造を完全に再現しておらず、静水圧、周期的伸張、流体せん断など、人体に通常存在する重要な血行動態および機械的刺激を欠いています21。

臓器チップ(OOC)などの微小生理学的システム(MPS)は、インビトロで複雑な生理学的応答をキャプチャできるツールとして最近登場しました22,23。これらのモデルは、多くの場合、生体の動的な微小環境のモデリングを可能にするマイクロ流体プラットフォームの使用を採用しています。

3D組織バイオエンジニアリングとメカノバイオロジーの原理を組み合わせて、複雑なヒト上皮組織のオープントップチップモデルを作成しました。これにより、上皮組織の多細胞で動的な微小環境を詳細に再現することができました。これには、生体器官に自然に存在するが、従来のin vitroモデルでは無視されることが多い組織特異的な生化学的および生体力学的手がかりが含まれます24。Open-Top Chipには、多孔質膜で区切られた血管コンパートメント(図1A)と間質コンパートメント(図1B)の2つのコンパートメントが組み込まれており、2つのチャンバー間で栄養素を拡散させることができます(図1C)。血管コンパートメントは、生理学的せん断応力を再現するために連続的な流体の流れにさらされ、間質チャンバーの伸縮性のある設計により、呼吸運動または腸の蠕動運動に関連する機械的ひずみのモデリングが可能になります。間質コンパートメントには、組織特異的線維芽細胞の生理学的成長をサポートするように設計された調整可能な3Dヒドロゲル足場が収容されています。これは、空気 - 液体界面の確立を容易にする取り外し可能な蓋を有し、粘膜組織のヒト生理機能のより大きなエミュレーションを可能にする条件、ならびに上皮層に直接薬物を投与するための組織への直接アクセスを可能にする。補足図1は、寸法や生物学的コンパートメント(補足図1A-D)を含むオープントップチップ設計の主要コンポーネントのいくつかと、このプロトコルで説明されている主な技術的ステップ(補足図1E)を示しています。

オープントップチップの灌流は、プログラム可能な蠕動ポンプで実現されます(図1D)。ペリスタルティックポンプのセットアップにより、12個のオープントップチップを同時に灌流できます。ほとんどのインキュベーターは、インキュベーターあたり最大24チップの培養を可能にする2つのセットアップを収容できます。機械的延伸は、カスタムメイドのプログラム可能な真空圧力調整器を使用して実現されます(図1E)。これは、デジタル-アナログコンバータによって電子的に制御される電空真空レギュレータで構成されています。言い換えれば、電空真空レギュレータは、ユーザーが決定する振幅と周波数を持つ正弦波真空プロファイルを生成します。0%から15%の範囲の周期ひずみは、0〜-90kPaの範囲の振幅と0.2Hzの周波数でオープントップチップの真空チャネルに負圧を加えることによって生成されます。これは、以前に採用され、他の論文25に記載されている市販のFlexcellひずみユニットと同等のカスタムメイドのシステムです。例えば、肺の呼吸運動や腸の蠕動運動に関連する機械的組織変形を模倣するために、空気圧アクチュエータは正弦波真空/ひずみ波を適用し、その大きさと振幅は、ヒト細胞が本来の組織で経験する歪みと周波数の生理学的レベルに一致するように調整できます。

ここでは、プロトタイプのOpen-Top Chipプラットフォーム上で有機型上皮等価物をエンジニアリングおよび培養するための効率的で再現性のある方法について説明します。これにより、血管液の流れと機械的伸張を統合しながら、皮膚、肺胞、気道、結腸などの複雑な臓器モデルを生成できます。複雑な上皮モデルを生成するための組織工学の原理を実装する際に考慮しなければならない重要な技術的側面を概説します。現在の設計の利点と考えられる制限について説明します。

流れとストレッチのパラメーターを含む、組織と臓器の成熟を達成するために使用される主なステップの概要は、皮膚の場合の図2、肺胞の場合の図3、気道の場合の図4、および腸の場合の 図5で報告されています。 異なる臓器モデルの培養に使用される培地組成および試薬に関する追加情報は、補足表に含まれています(皮膚については補足表1;肺胞の補足表2;気道については附則表3、腸については附則表4)。

プロトコル

ヒトコロノイドは、シンシナティ小児病院の施設バイオセーフティ委員会(IBC 2017-2011)のガイドラインに従って腸切除から取得されました。

1.表面活性化

  1. 活性化バッファーの調製
    1. 架橋剤と溶媒緩衝試薬をバイオセーフティキャビネット(BSC)の下に置き、室温(RT)で10分間平衡化してから使用してください。
    2. 架橋剤溶液を直接光曝露から保護するために、滅菌非透光性容器またはアルミニウム箔で包まれた透明な15 mLコニカルチューブを使用して、5 mLの溶媒バッファー中で5 mgの架橋剤を再構成します。
    3. 溶液を1分間ボルテックスしてすべての凝集塊を除去した後、50 μLの架橋剤溶液をチップのボトムチャネルに直接ピペットで入れ、150 μLをオープントップチャンバーにピペットで入れます。
    4. アスピレーターを使用して、チップの表面から余分な架橋溶液を取り除きます。次に、追加の50 μLの架橋溶液をチップの底部チャネルに直接ピペットで送り、150 μLをオープントップチャンバーにピペットで入れて、残っている気泡を取り除きます。
  2. UV架橋機による活性化
    1. BSCの下のチップから蓋をそっと取り外し、滅菌容器に保管します。
    2. 架橋剤溶液を含むチップをペトリ皿に移し、汚染を避けるためにペトリ皿を閉じて、チップの入った皿をUV架橋機の下に置きます。
      注意: ペトリ皿の蓋を取り外して、UV露出を最大化します。
    3. ピーク波長365nmのUV架橋機を100μJ/cm2の強度にセットし、UV光を20分間オンにします。
      注:20分間のUV処理後、架橋剤溶液はより暗く(茶色)に見えます。
    4. チップをBSCの下に戻し、酸化された架橋剤溶液を吸引します。次に、すべてのチップを溶媒バッファーで3回すすぎ、チップをBSC下で5〜10分間乾燥させて、ポリジメチルシロキサン(PDMS)表面の化学官能基化を完了します。

2.間質等価物の準備

  1. 10x再構成バッファー(100 mL)の調製
    1. 2.2 gの重炭酸ナトリウムを75 mLの0.067 M NaOHに二重蒸留水に溶解します。
    2. 4.76 gのHEPESを追加し、二重蒸留水を使用して容量を100 mLにします。
    3. 0.22 μmメンブレンを備えた使い捨て滅菌ボトルトップフィルターを使用して、BSC下の溶液を滅菌ろ過します。
      注:この溶液は、4°Cで保存した場合、約6か月間安定です。
  2. プレゲル溶液量の推定
    1. 実験に必要なチップ数に150 μL(中央のオープントップチャンバーの内容積)を掛けて、実験に必要なプレゲル溶液の量を推定します。
      必要量=(チップ数×150)μL
    2. 選択した細胞を含む1容量の10x EMEM、1容量の10x再構成バッファー(ステップ2.1を参照)、8容量のコラーゲンI溶液(10 mg / mL)、およびコラーゲンI1 mgあたり1 μLの1 N NaOH溶液を混合して、氷上でコラーゲンプレゲル溶液を調製します。
      注:実験エラーを考慮して、追加の+ 15%ボリュームを準備することをお勧めします。セクション2.2で説明した例は、12個のチップと追加の15%容量に十分なプレゲル溶液を調製するための詳細なステップバイステップの手順を提供します。
  3. 間質当量のプレゲル溶液の調製(12チップ用)
    1. 氷上のBSCの下に次のソリューションをもたらします:10x EMEM;10x再構成バッファ(ステップ2.1を参照)。コラーゲンI溶液(10 mg / mL);滅菌1 N NaOH溶液。
    2. プロバイダーの指示に従って組織特異的間葉系細胞を80%〜90%コンフルエントになるまで培養し、次に細胞プロバイダーが推奨するトリプシンまたはその他の方法を使用して細胞を解離します。250 x g で24°Cで5分間遠心分離することにより、細胞をペレットに回収します。
    3. 細胞ペレットを225 μLの氷冷10x EMEMに再懸濁し、225 μLの氷冷10x再構成バッファーを追加します(ステップ2.1を参照)。上下に静かにピペッティングして溶液を混合し、氷冷コラーゲンI溶液1,800 μLを加えます。
    4. 氷上でプレゲル溶液を混合するために気泡を避けて、5〜6回ピペットで上下させます。
  4. 間質等価チップの組み込み(12チップ用)
    1. プレゲル溶液を18 μLの1 N NaOHで中和します。5〜6回上下にピペッティングして穏やかに混合し、気泡を避けて150μLの細胞含有ヒドロゲルをオープントップチップの中央チャンバーにピペットで入れます。
      注意: マイクロパターニングが必要な場合は、次の手順(セクション3)に進んでください。
    2. 各ペトリ皿に2 mLの滅菌ddH2Oを充填した遠沈管キャップを含む、チップを別々のペトリ皿にグループ化し、インキュベーター内で37°C、5%CO2でペトリ皿をインキュベートします。
      注:90分後、細胞を含んだヒドロゲルは完全に重合します。

3. 表面マイクロパターニング(オプション)

  1. 3Dプリントされたスタンプを使用して、中和コラーゲンヒドロゲル(まだ液体状態)をピペッティングした後、間質ヒドロゲルの表面マイクロパターニングを実行します。
    注:3Dプリントされたスタンプは、前述の他の場所24のように、さまざまなカスタマイズ可能なデザインで入手できます。
  2. 中和コラーゲンIプレゲル溶液20 μLを滅菌3Dプリントスタンプのパターン表面にピペットで固定し、間質ヒドロゲルが液体のままでオープントップチャンバーの内側(上部)にスタンプを挿入します。
  3. アスピレーター(またはピペット)を使用して、オープントップチャンバーの上部からこぼれる可能性のあるヒドロゲルの残留物を取り除きます。すべてのチップを別々のペトリ皿にグループ化し、各ペトリ皿に2 mLの滅菌ddH2Oを充填した遠心分離機15 mLコニカルチューブキャップを含めます。
  4. すべてのペトリ皿を37°C、5%CO2 で90分間インキュベートしてから、チップをBSCの下に戻し、精密ピンセットを使用してスタンプをそっと取り除き、ヒドロゲルを損傷するリスクを減らします。

4.上皮および血管表面を組織特異的ECMタンパク質でコーティングする

  1. 血管マイクロ流体チャンバーを細胞外マトリックスタンパク質でコーティングする
    1. 実験に必要なチップ数に20 μL(血管チャネルの体積)を掛けて、実験に必要な血管ECMコーティング溶液の体積を推定します。
      必要量=(チップ数×20)μL
      注意: 実験エラーを考慮して、追加の15%ボリュームを準備することをお勧めします。
    2. 氷冷PBSまたはHBSSを使用して、すべてのチップ用の血管ECMコーティング溶液を調製します(たとえば、12チップあたり300 μL)。
      注意: 補足資料セクションの特定の臓器プロトコル表を参照してください(皮膚については補足表1 ;肺胞の 補足表2 ;気道については補足 表2 、および腸については 補足表4 )を特定して、特定の試薬および推奨されるECM組成物を同定した。
    3. 20 μLの血管ECMコーティング溶液を各チップの血管チャネルにピペットで入れます。
  2. 間質等価物の頂端表面を細胞外マトリックスタンパク質でコーティングする
    1. 実験に必要なチップ数に50 μL(血管チャネルの体積)を掛けて、実験に必要な上皮ECMコーティング溶液の体積を推定します。
      必要量=(チップ数×50)μL
      注:実験エラーを考慮して、追加の15%ボリュームを準備することをお勧めします。
    2. 氷冷PBSまたはHBSSですべてのチップに十分なECMコーティング溶液(たとえば、12チップあたり750 μL)を調製し、50 μLの上皮ECMコーティング溶液をヒドロゲル表面の上に直接移します。
      注意: 補足資料セクションの特定の臓器プロトコル表を参照してください(皮膚については補足表1 ;肺胞の 補足表2 ;気道については補足 表2 、および腸については 補足表4 )を特定して、特定の試薬および推奨されるECM組成物を同定した。
    3. 各ペトリ皿に2 mLの滅菌ddH2Oを充填した遠心分離機15 mLコニカルチューブキャップを含む別々のペトリ皿にチップをグループ化し、上皮細胞の播種を進める前に、37°C、5%CO2 のインキュベーター内でペトリ皿を2時間インキュベートします。

5.間質等価物に上皮細胞を播種する

  1. 上皮細胞培養
    1. 組織特異的上皮細胞を80%〜90%コンフルエントになるまで提供者の指示に従って培養する。
    2. 細胞提供者が推奨するタンパク質分解酵素手順を使用して細胞を解離します。
      注:最良の結果を得るには、上皮細胞が70%〜90%のコンフルエントに達する活発な成長期に、低継代(P1-P2)で上皮細胞を採取します。
    3. 解離したら、細胞を遠心分離し、ペレットとして収集します。
    4. 特定の臓器プロトコル表に示されているように、上皮細胞を適切な細胞/フラグメント密度に再懸濁します。.
      注:この研究では、細胞溶液は、皮膚に3 x 10 6細胞/ mL、肺胞に1 x 10 6細胞/ mL、気道に6 x 10 6細胞/ mL、腸に8 x 10 6フラグメント/ mLの密度で使用されました。
  2. 上皮細胞播種
    1. チップをインキュベーターからBSCに移します。血管チャネルからコーティング溶液を吸引し、血管マイクロ流体チャネルを50μLの新鮮な内皮細胞培養培地で3回リンスする。
    2. ヒドロゲル表面からコーティング溶液を吸引し、間質表面を100 μLの新鮮な上皮細胞培養培地で3回すすぎ、余分なコーティング溶液を除去します。
    3. 上昇培地を吸引し、補足表に示されているように、適切な細胞密度を使用して50 μLの上皮細胞懸濁液をヒドロゲル表面に播種し、チップをインキュベーターに2時間(またはコロノイドの場合は一晩)戻します。
    4. ヒドロゲル表面を細胞培養培地で2回穏やかにすすぎ、細胞の破片を取り除きます。最後に、密閉されたオートクレーブ可能な容器でオートクレーブして培地をリフレッシュし、チップをペリスタルティックポンプに接続します。

6.チップをフローに接続する

  1. 流体部品の準備
    1. 2インチの生体適合性ポリプロピレンベースの熱可塑性エラストマー(TPE)トランスファーチューブ(材料表)を切断して、チップをメディアリザーバーに接続するために必要な短いマイクロ流体チューブを準備します。
    2. 7.5インチの生体適合性TPEトランスファーチューブを切断して、長いマイクロ流体チューブを製造します。
    3. 十分な18Gおよび19Gの金属コネクタを準備します(材料表)。
      注意: オープントップチップをペリスタルティックポンプに接続する少なくとも1日前に、手順6.1.1および6.1.2で説明されているチューブとコネクタを準備して滅菌することをお勧めします。
    4. 各培地リザーバーの蓋を4インチの皮下注射針で突き刺します(材料表)。
  2. 中程度の脱気
    1. 細胞培養培地を室温(RT)まで平衡化させます。
    2. 必要な量の培地を円錐形のろ過管に移します。
    3. -20 PSIの負真空圧力を適用して、媒体を脱気します(真空駆動ろ過)。
      注:真空が利用できない場合は、細胞培養培地をインキュベーター内で一晩平衡化させて、同様の結果を得ることができます。
  3. 流体の流れのためにオープントップチップを準備する
    1. チップと滅菌流体部品をBSCの下に持ってきて、流体の流れを開始する前に、オープントップチップの蓋(上部)を合わせてオープントップチップのプロトタイプを密閉します。
    2. 脱気した細胞培養培地200 μL(臓器固有の表を参照)を、気泡を避けるように注意しながら、チップの上部チャネルと下部チャネルの両方の入口ポートにピペットで入れます。
    3. 300 μLの培養液を短いマイクロ流体チューブにピペットで入れてチューブの内面をプライミングし、短いチューブをチップの上部チャネルと下部チャネルの入口に接続します。
  4. マイクロ流体表面の接続とプライミング
    1. 培地リザーバーをファームラックに配置し、皮下注射針をチップの下部入口に接続し、最後に、インキュベーター内のハウジングキャリアにすべてのチップを収容します。
    2. チップをペリスタルティックポンプに接続し、すべてのコネクタを検査して、すべてのチップが正しく接続され、細胞培養培地の目に見える漏れがないことを確認します。
    3. ポンプの パージ ボタンを使用して、約15秒間、または細胞培養培地の液滴が流出チューブの端に現れるまで保持します。
    4. ポンプの制御システムを使用して、適切な臓器チップ流量を設定します(図2、図3、図4、および図5)。

7.チップのメンテナンス

  1. 臓器チップのメンテナンス
    1. 上皮および/または内皮用の新鮮な細胞培養培地を準備し、脱気ステップを実行します(ステップ6.2で前述)。
    2. ペリスタルティックポンプを一時停止し、チップをポンプから慎重に外し、チップハウジングキャリアを引き出します。チップをインキュベーターからBSCに移し、リザーバーに残っている大量の培地を取り除きます。
    3. 細胞培養培地を上部と下部の入口リザーバーに5 mLの新しい細胞培養培地と交換し、チップハウジングキャリアをインキュベーターに戻します。チップを蠕動ポンプに接続し、流れを再開します。
      注意: パージ 機能を使用して、媒体を血管コンパートメントにすばやくリフレッシュし、気泡のリスクを減らすことをお勧めします。
    4. 図2、図3、図4、および図5に従って、手順7.1.1〜7.1.3を1日おきに繰り返します。
  2. 気液界面(ALI)の確立
    1. ペリスタルティックポンプを一時停止し、チップをポンプから慎重に外し、チップハウジングキャリアを引き出します。チップをインキュベーターからバイオセーフティキャビネットに移し、上部のリザーバーに残っている培地の量を取り除きます。
    2. 上部のマイクロ流体チャネルからすべての媒体を穏やかに吸引し、バインダークリップを使用して上部の入口に接続された短いマイクロ流体チューブをクランプして、媒体の蒸発とALIの維持を減らします。
    3. オープントップチップをハウジングキャリアに戻し、インキュベーターに戻し、チップをペリスタルティックポンプに再接続します。
      注意: パージ 機能を使用して、媒体を血管コンパートメントにすばやくリフレッシュし、気泡のリスクを減らすことをお勧めします。
    4. 蠕動ポンプを始動して流れを再開します。
  3. ストレッチ(オプション)
    1. ペリスタルティックポンプを一時停止し、チップごとに2本の長いマイクロ流体チューブを使用して、チップの真空ポートを真空モジュールに接続します。
    2. 真空モジュールを使用して、臓器プロトコルテーブル内で指定されている各臓器に推奨される条件にストレッチ設定を調整します:皮膚の 補足表1 。肺胞の 補足表2 ;気道の 補足表2 ;腸についての 補足表4 。
    3. チューブの接続を目視検査して、すべてのチップが正しく接続されており、中程度の滴りの目に見える液滴がないことを確認します。
    4. 蠕動ポンプを始動して流れを再開します。

8.血管コンパートメントに内皮細胞を播種する

  1. 血管細胞播種用の細胞とチップを準備する
    1. 組織特異的内皮細胞を、提供者の指示に従って、80%〜90%コンフルエントになるまで培養する。タンパク質分解酵素手順(プロバイダーが推奨)を使用して細胞を解離し、最後に内皮細胞を3 x 106 細胞/ mLの溶液に再懸濁します。
      注:最良の結果を得るには、内皮細胞が2%〜4%のコンフルエントに達する活発な成長期に、低継代(P70-P90)で内皮細胞を収穫します。
    2. 蠕動ポンプを一時停止します。チップをインキュベーターからBSCに移し、チップをメディアリザーバーと接続されているチューブから外してから、チップを別々のペトリ皿にグループ化します。
    3. 上皮区画の細胞培養培地を新鮮な上皮細胞培養培地でリフレッシュする。新鮮な内皮細胞培養培地で血管チャネルを2回すすぎ、次いで血管コンパートメントから培地を吸引する。
  2. 内皮細胞播種
    1. 底部(血管)チャネルに25 μLの内皮細胞懸濁液(3 x 106 細胞/mL)を播種し、チップを逆さまにして内皮細胞をマイクロ流体チャンバーの上面に付着させます。
      注:チップあたり50 μLの細胞懸濁液を追加します(12チップあたり600 μL)。
    2. チップをペトリ皿にグループ化します。それらを37°C、5%CO2 のインキュベーターに戻し、内皮細胞を1時間付着させます。
    3. 1時間後、チップをインキュベーターからBSCに移します。血管チャネルを内皮細胞培養培地で2回すすぎ、細胞残骸を除去する。
    4. 手順8.2.1〜8.2.2を繰り返して、血管チャネルに内皮細胞をもう一度播種し、チップを平らに置いて、血管チャネルの底面への内皮細胞の接着を促進します。
  3. チップをフローに再接続します
    1. BSCの下で脱気された血管細胞培養培地で血管培地リザーバーを満たします。
    2. チップをチップハウジングキャリア内に戻し、チップを一方の端の媒体リザーバーに再接続し、もう一方の端のペリスタルティックポンプに再接続します。
      注意: パージ 機能を使用して、媒体を血管コンパートメントにすばやくリフレッシュし、気泡のリスクを減らすことをお勧めします。
    3. マイクロ流体接続を目視検査して、すべてのチップが正しく接続されており、媒体の滴りの目に見える液滴がないことを確認します。次に、蠕動ポンプを始動して流体の流れを再開します。

9. 一般的なエンドポイントアッセイ

  1. エンドポイントアッセイ用のチップの切断
    1. ペリスタルティックポンプを一時停止し、チップをポンプから慎重に外し、チップハウジングキャリアを引き出します。チップハウジングキャリアをインキュベーターからBSCに移し、チップを解放します。
    2. Open-Top Chipの中央チャンバーを上皮細胞培養培地で、血管チャネルを内皮培養培地で2回穏やかに洗浄し、細胞の破片を取り除きます。
    3. オープントップチップの蓋を取り外し、ピンセットを使用してチップの頂端コンパートメントにアクセスします。
  2. 蛍光顕微鏡のための免疫染色
    1. 従来のサンプルの固定、透過処理、ブロッキングを進めます。
      注:この研究では、サンプルを200 μLの4%パラホルムアルデヒド(PFA)で1時間固定した後、PBSですすぎ、0.1%Triton X-100で40分間透過処理し、1%ウシ血清アルブミンで1時間ブロッキングしました。
    2. チップを一次抗体(材料表)とともに4°Cで一晩インキュベートします。次に、チップの上皮コンパートメントと内皮コンパートメントの両方を200μLのPBSで2回洗浄します。その後、適切な二次抗体を2時間進めます。
      注:一次抗体と二次抗体をPBS + 1%BSAで1:100(一次抗体)および1:200(二次抗体)の希釈で希釈します。
  3. 免疫組織化学
    1. ピンセットを使用してOpen-Top Chipのメインチャンバーからストロマ等価物を抽出し、10%中性緩衝ホルマリンで満たされた1.5 mLチューブに集め、少なくとも24時間インキュベートします。
    2. 固定ストローマ相当物をティッシュプロセッサーに移し、以下の手順に従って最適なサンプル脱水を実現します。
      1. ヒドロゲルを70%エタノールに90分間浸します。
      2. 70%エタノールを除去し、ヒドロゲルを80%エタノールに90分間沈めます。
      3. 80%エタノールを除去し、ヒドロゲルを95%エタノールに90分間沈めます。
      4. 95%エタノールを除去し、ヒドロゲルを100%エタノールに90分間2回沈めます。
      5. 100%エタノールを除去し、ヒドロゲルをキシレン溶液に120分間2回沈めます。
      6. キシレン溶液を除去し、処理した間質当量をパラフィンワックスに120分(~2時間)2回浸透させます。
    3. 浸潤した間質等価物をセクショニングパラフィンブロックに埋め込みます。
    4. この時点で、間質等価物をミクロトームを用いてパラフィンブロックとして切片化し、従来の組織学的手法に従って処理することができる26。

結果

表面マイクロパターニング
細胞外マトリックス(ECM)のマイクロパターニングは、腸陰窩界面の空間的構成を複製するために使用することができる。Open-Top Chipの構成を変更して、結腸上皮-間質界面の自然なトポグラフィー(図6A、B)とマイクロメートルスケールの腸陰窩(図6C-E)を模倣するように特?...

ディスカッション

Open-Top Chipは、制御された微小環境において内皮、間質、上皮の間で発生する複雑な細胞相互作用をリアルタイムで調査するためのプラットフォームです。この技術は、流体せん断(流れ)、周期的伸張、マイクロパターニングによって達成される上皮表面トポグラフィの再構築など、ヒト組織の微小環境の再構成に関連する物理的および生化学的手がかりの統合など、従来の有機型およびオル?...

開示事項

著者は、潜在的な競合する利益と見なされる可能性のある以下の金銭的利益/個人的な関係を宣言します。 ヴァローネアントニオはEmulate Inc.の元従業員であり、Emulateの株式を保有している可能性があります。

謝辞

何一つ

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
10x EMEM Lonza12-684FMedium; Stroma
18 Gauge needleMicroGroup316H18RWTube stainless steel 316 welded, 18RW Full Hard 
19 Gauge needleMicroGroup316H19RWTube stainless steel 316 welded, 19RW Full Hard
2-Stop PharMed BPT Cole-Palmer EW-95723-12Tube, 0.25 mm, 12/pack
70% ethanol and wipes  -  - For surface sterilization 
8-Bromoadenosine 3′,5′-cyclic monophosphate sodium salt (8-Br-cAMP)SigmaB7880Medium supplement 
A-83-01 Tocris 2939
AdenineSigmaA9795
Advanced DMEM/F12 Thermo12634010
Airway Epithelial CellsLifeline Cell TechnologyFC-0016
Aluminum foil  -  -  -
Alveolar cellsCell BiologicsH6621
Anti-ABCA3  ABCAM ab24751 Mouse monoclonal antibody [3C9] 
Anti-Aquaporin5 Alexa Fluor 647 ABCAM ab215225  Rabbit monoclonal antibody [EPR3747]  
Anti-Aquaporin5 ABCAM ab92320 Rabbit monoclonal antibody [EPR3747] 
Anti-beta IV Tubulin  ABCAM ab11315 Mouse monoclonal antibody [ONS.1A6] 
Anti-CD31 (PECAM-1) ABCAM ab9498 Mouse monoclonal [JC/70A] antibody  
Anti-CK5  ABCAM ab75869 Rabbit recombinant monoclonal [AY1E6] 
Anti-Cytokeratin 10  ThermoFisher MA5-13705 Mouse monoclonal antibody (DE-K10) 
Anti-Cytokeratin 14  ABCAM ab7800 Mouse monoclonal antibody 
Anti-E-Cadherin  ABCAM ab1416  Mouse monoclonal antibody 
Anti-Filaggrin  ThermoFisher PA5-79267 Rabbit polyclonal antibody  
Anti-HTI-56 Terrace Biotech TB-29AHT1-56  Mouse monoclonal antibody (IgG1) 
Anti-HTII-280 Terrace Biotech TB-27AHT2-280 Mouse monoclonal antibody (IgM) 
Anti-Involucrin  ThermoFisher MA5-11803 Mouse monoclonal antibody (SY5) 
Anti-Isoforms TA p63-α, -β, -γ  Biolengend 618902 Rabbit polyclonal antibody  
Anti-Ki67  ABCAM ab8191 Mouse monoclonal antibody [B126.1] 
Anti-LAMP3  ABCAM ab111090 Rabbit polyclonal antibody 
Anti-Mature SP-B Seven Hill WRAB-48604 Rabbit polyclonal antibody 
Anti-MUC5AC  ThermoFisher PA5-34612 Rabbit polyclonal antibody  
Anti-Mucin-2 SantaCruz Biotechnologysc-7314Mouse monoclonal antibody (IgG1) 
Anti-p63  Dako GA662 Mouse monoclonal antibody p63 Protein (Dako Omnis) Clone DAK-p63 
Anti-PCNA  ThermoFisher PA5-32541 Rabbit polyclonal antibody  
Anti-Podoplanin (AT-1α)  ABCAM ab128994 Rabbit polyclonal antibody 
Anti-Pro + Mature Surfactant Protein B ABCAM ab40876 Rabbit polyclonal antibody 
Anti-Surfactant C   Seven Hill  WRAB-9337  Rabbit polyclonal antibody 
Anti-Uteroglobin/SCGB1A1 Hycult Biotech HM2178 Mouse monoclonal antibody [AY1E6] 
Anti-VE-cadherin  ABCAM ab33168 Rabbit polyclonal antibody  
Anti-ZO-1  ThermoFisher 33-9100 Mouse monoclonal antibody [1A12] 
Ascorbic acidSigmaA4544
Aspirating pipettes Corning / Falcon 357558 2 mL, polystyrene, individually wrapped 
Aspirating tips  -  - Sterile (autoclaved) 
B27Thermo17504044
Blocker BSA (10X) in PBS solution  ThermoFisher 37525 Blocker agent 
Calcium ChlorideSigmaC7902
CHIR 99021Tocris4423
Collagen IAdvanced Biomatrix513310 mg/mL (Stroma)
Collagen I Advanced BioMatrix50053 mg/mL (Vascular ECM)
Collagen IVSigma C5533
Collagen-IVSigma C5533-5MG Collagen from human placenta, 5 mg powder, reconstitute to 1 mg/mL 
Colonic Fibroblasts Cell Biologics H6231
Colonic microvascular endothelial cells Cell BiologicsH6203 
Conical tubes   -  - 15 mL and 50 mL polypropylene, sterile 
Crosslinker (ER-1) Emulate 104615 mg powder 
DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dilactate)  ThermoFisher D3571 DNA probe 
Dermal fibroblastsATCCPCS-201-010
Dermal microvascular endothelial cellsATCCCRL-3243
DexamethasoneSigmaD4902
DMEMThermoFisher11054020
DMEM/F-12 GIBCO 11320082
DMEM/F-12, GlutaMAX  GIBCO 10565-018 Basal medium for ALI medium 
Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 488)  ABCAM ab150105 Donkey Anti-Mouse secondary antibody  
Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 568)  ABCAM ab175472 Donkey Anti-Mouse secondary antibody 
Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 647)  ABCAM ab150107 Donkey Anti-Mouse secondary antibody 
Donkey Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 488)  ABCAM  ab150073 Donkey Anti-Mouse secondary antibody 
Donkey Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 568)  ABCAM ab175470 Donkey Anti-Mouse secondary antibody 
Donkey Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 647)  ABCAM ab150075 Donkey Anti-Mouse secondary antibody 
Dulbecco’s PBS (DPBS-/-) (without Ca2+, Mg2+) Corning 21-031-CV 1x 
Epidermal Growth Factor (EGF) human, recombinant in E. coliPromoCellC-60170Medium supplement 
F-12 Ham’sInvitrogen 21700-108For vascular ECM
FibriCol Advanced BioMatrix 5133-20ML Collagen-I solution (10 mg/mL)
FibronectinCorning356008
Fibronectin, Human, Natural,  Corning 47743-654 human plasma fibronectin 
Fine-tip precision tweezers Aven18056USA Technik Style 5B-SA Precision Stainless Steel Tweezers
GlutamaxInvitrogen 21700-108
Glutamax Invitrogen 35050061
Goat Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 594)  ABCAM ab150080 Goat Anti-Mouse secondary antibody  
Goat Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 647)  ABCAM ab150115 Goat Anti-Mouse secondary antibody  
Goat Anti-Mouse IgG H&L (FITC)  ABCAM ab6785 Goat Anti-Mouse secondary antibody  
Goat Anti-Mouse IgG1 Alexa Fluor 568  ThermoFisher A-21124 Goat Anti-Mouse IgG1 secondary antibody 
Goat Anti-Mouse IgM Alexa Fluor 488  ThermoFisher A-21042 Goat Anti-Mouse IgM secondary antibody 
Handheld vacuum aspirator Corning 4930  - 
Heat Inactivated HyClone FetalClone II Serum (FCS) GE Healthcare Life SciencesSH30066.03
Hemocytometer  -  - - 
Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosaSigmaH3149
HEPESThermo15630080
Human [Leu15] - Gastrin SigmaG9145
Human colonoidsObtained from clinical resectionsObtained from clinical resections
Human EGF Recombinant Protein ThermoPHG0311L
human epithelial growth factor Thermo PHG0311
HyClone FetalClone II Serum (U.S.)  GE Healthcare SH30066.02HI  Sterile FBS heat-inactivated 
Hydrocortisone 21-hemisuccinate sodium saltSigmaH4881
Hydrocortisone PromoCell  C-64420 Medium supplement  
Ice bucket  -  -  - 
Ismatec IPC-N Cole-PalmerEW-78000-41Low-Speed Digital Peristaltic Pump; q24-Channel (1 per 12 Chips)
ITESBioWhittaker17-839Z
Keratinocyte Growth Factor (KGF), also known as Basic Fibroblast Growth Factor 7 (FGF-7), human, recombinant in HEKPromoCellC-63821
KeratinocytesATCCPCS-200-010
Laminin BiolaminaCT521-0501 
Laminin, 521 CTG (CT521) Biolamina  CT521-0501 human recombinant laminin 521    
Lung FibroblastCell BiologicsH6013
Lung FibroblastLifeline Cell TechnologyFC-0049
Lung microvascular endothelial cellsLonzaCC-2527
Lung smooth muscle cellsLifeline Cell TechnologyFC-0046
Manual counter  -  -  -
Masterflex (TPE) Transfer Tubing Cole-PalmerFV-96880-02PharMed BPT, 1/32" ID x 5/32" OD
Medium 199, no phenol redThermo 11043023
Microcentrifuge tube  -   -  1.5 mL, sterile 
Microscope (with camera)  -  - For bright-field imaging 
N2Sigma17502001
N-acetyl cysteineSigmaA5099
Noggin (HEK293T conditioned medium)SigmaN17001
Normal Goat Serum  ThermoFisher 50062Z Blocking solution  
O-phosphosrylethanolamine SigmaP0503
Paraformaldehyde (4% wt/vol)  EMS 15710 Fixing agent 
Penicillin StreptomycinGIBCO15140122
Penicillin-streptomycin Sigma P4333 10,000 U/mL; 10 mg/mL 
Pipette tips   -  - P20, P200, and P1000 sterile, low adhesion
Pipette Gilson  F167380 P20, P200, and P1000 
PluriQ Serum Replacement (or alternatively KO Serum replacement)AMSBIO (or Thermo)N/A (or C1910828010)
Poly-L-Lysine coated microscope glass slides  Sigma P0425 Glass slides 
PrimocinInvivoGenant-pm-1
ProgesteroneSigmaP8783
ProLong Gold  ThermoFisher P36931 Antifade Mountant with DAPI 
Retinoic Acid SigmaR2625
ROCK inhibitor (Y27632)TocrisTB1254-GMP/10
R-spondin (HEK293T conditioned medium)SigmaSCC111
SAGM SingleQuots supplements LonzaCC-4124
SAGMTM Small Airway Epithelial Cell Growth medium BulletKitTM Lonza CC-4124 Medium supplements 
SB2001190 Tocris 1264/10
Serological pipettes  -  - 2 mL, 5 mL, 10 mL, and 25 mL low endotoxin, sterile 
Small Airway Epithelial Cell Growth medium (SAGM)Lonza CC-4124 
Solvent Buffer (ER-2) Emulate 1046225 mL bottle 
Steriflip-HV MilliporeSE1M003M00Sterile filtering conical tube
Sterilin 100 mm Square Petri DishesThermo103Sterile, 1 per 6 chips 
T25 flasks  -  -  -
T75 flasks  -  -  - 
Tri-iodothyronineSigmaT5516
Triton X-100 (0.3% (vol/vol)  Sigma T8787 Permeabilization agent 
Trypan blue Sigma 93595 0.4% solution 
TrypEE solution Sigma 12604013 Cell detaching solution 
TWEEN-20 Sigma P2287 Permeabilization agent 
UV Light Oven (peak frequency 365nm, intensity of 100 µJ/cm2)VWR21474-598UVP, Long Range UV, 365 nm 60Hz Model CL-1000L
Vacuum set-up  -  - Minimum pressure: -70 kPa 
Vascular Endothelial Growth Factor 165 (VEGF-165) human, recombinant in E. coliPromoCellC-64420
VEGF-165  PromoCell  C-64420 Medium supplement 
Von Willebrand Factor conjugated FITC  ABCAM ab8822 Sheep polyclonal antibody 
Water bath (or beads)  -  - Set to 37 °C 
Wnt3A (L-Wnt3A conditioned medium)ATCCCRL-2647

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