ヒト真皮線維芽細胞を用いた自己組織化細胞シート培養の実証と3次元腱・靭帯様オルガノイドの手動生成

要約

ここでは、腱の基礎研究に有望なツールと、腱組織工学のための潜在的な足場のない方法を提供する3ステップオルガノイドモデル(2次元[2D]拡張、2D刺激、3次元[3D]成熟)を実証します。

要約

腱と靭帯(T / L)は、筋骨格系を結合する強力な階層的に組織化された構造です。これらの組織は、厳密に配置されたコラーゲンI型に富む細胞外マトリックス(ECM)とT/L系統細胞を主に平行に並べています。怪我の後、T/Lはリハビリテーションに長い時間を必要とし、故障のリスクが高く、多くの場合、満足のいく修復結果が得られません。近年のT/L生物学研究の進歩にもかかわらず、残された課題の1つは、T/L分野には、 in vitroでT/L形成プロセスを再現できる標準化された分化プロトコルがまだないことです。例えば、間葉系前駆細胞の骨と脂肪の分化には、標準的な2次元(2D)細胞培養と特異的刺激培地の添加のみが必要です。軟骨への分化には、3次元(3D)ペレット培養とTGFβの補給が必要です。しかし、腱への細胞分化には、非常に整然とした3D培養モデルが必要であり、理想的には動的な機械的刺激にもさらされる必要があります。私たちは、自己組織化された細胞シートから3次元の棒状構造を形成する3段階(膨張、刺激、成熟)のオルガノイドモデルを確立し、ECM、オートクライン、パラクリン因子を持つ自然な微小環境を作り出しています。これらの棒状オルガノイドは、豊富なECM内に多層の細胞構造を持ち、静的な機械的ひずみにさらされても非常に簡単に扱うことができます。ここでは、市販の真皮線維芽細胞を用いて3ステップのプロトコールを実証しました。この細胞タイプが、強固でECMに富んだオルガノイドを形成することを示すことができました。記載された手順は、培地に関してさらに最適化され、動的軸方向の機械的刺激に向けて最適化され得る。同様に、代替細胞源は、T/Lオルガノイドを形成し、T/L分化を起こす可能性についてテストすることができます。要するに、確立された3D T/Lオルガノイドアプローチは、腱の基礎研究のモデルとして、さらには足場のないT/Lエンジニアリングにも使用できます。

概要

腱と靭帯(T / L)は、体に不可欠なサポートと安定性を提供する筋骨格系の重要な構成要素です。これらの結合組織は、その重要な役割にもかかわらず、変性や損傷を起こしやすく、痛みや運動障害を引き起こします¹。さらに、それらの限られた血液供給と遅い治癒能力は慢性的な怪我につながる可能性がありますが、老化、反復運動、不適切なリハビリテーションなどの要因は、変性や怪我のリスクをさらに高めます²。安静、理学療法、外科的介入などの従来の治療法では、T/Lの構造と機能を完全に回復させることはできません。過去数年間、研究者は T/L 障害の効果的な治療法を模索するために、T/L の複雑な性質をよりよく理解しようと努めてきました ^3,4,5。T/Lは、主にI型コラーゲン線維とプロテオグリカンで構成される、階層的に組織化された細胞外マトリックス(ECM)優位の構造によって区別されますが、これはin vitroで再現することが困難な特徴です⁶。従来の2次元(2D)細胞培養モデルは、T/L組織の特徴的な3次元(3D)組織を捉えることができず、翻訳の可能性を制限し、T/L再生の分野における革新的な進歩を妨げていまし....

プロトコル

注:すべてのステップは、無菌技術を使用して実行する必要があります。

1. NHDFの培養と事前拡大

1. 成人の凍結保存された正常なヒト皮膚線維芽細胞(NHDF、1 x 10⁶ 細胞)を含むクライオバイアルを、ほぼ解凍するまで37°Cで急速に解凍します。
2. 1%ペニシリン/ストレプトマイシン(ペン/連鎖球菌)を補充した1mLの予熱した線維芽細胞増殖培地2(基礎培地、2%ウシ胎児血清(FCS)、塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)、インスリンを含むすぐに使用できるキット)をゆっくりと加え、37°Cで細胞に予熱します。
3. 細胞を15mLの遠心チューブに移します。細胞を300 x g で室温(RT)で5分間遠心分離します。
4. 上清を取り除きます。細胞ペレットを予熱したNHDF培地12mLに再懸濁します。
5. 細胞をT-75フラスコに移し、横方向に短く振る。T-75フラスコを37°Cで5%_CO2 加湿インキュベーターに入れます。
6. 2日ごとに媒体を交換してください。NHDFが70%〜80%の合流度に達するまで顕微鏡で観察します。

2. 2D拡張

1. インキュベーターのT-7....

ディスカッション

この研究で実証された結果は、T/L 組織を研究するための NHDF 3D オルガノイド モデルの確立と特性評価に関する貴重な洞察を提供します。3ステップのプロトコルにより、T/Lニッチの典型的な特徴を示す3D棒状オルガノイドが形成されました。このモデルは、以前にKroner-Weigl et al.2023 :⁷ で報告されており、ここで非常に詳細に実証されています。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ascorbic acid	Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany	A8960
10 cm adherent cell culture dish	Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany	CLS430167
10 cm non-adherent petri dish	Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany	CLS430591
Cryo-medium	Tissue-Tek, Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Netherlands	4583
Cryomold standard	Tissue-Tek, Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Netherlands	4557
D(+)-Sucrose	AppliChem Avantor VWR International GmbH, Darmstadt, Germany	A2211
DMEM high glucose medium	Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany	DMEM-HA
DMEM low glucose	Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany	DMEM-LPXA
Fetal bovine serum	Anprotec, Bruckberg, Germany	AC-SM-0027
Fibroblast growth medium 2	PromoCell, Heidelberg, Germany	C-23020
Inverted microscope with high resolution camera	Zeiss	NA	Zeiss Axio Observer with  Axiocam 506
MEM amino acids	Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany	NEAA-B
Metal pins	EntoSphinx, Pardubice, Czech Republic	04.31
Normal human dermal fibroblasts	PromoCell, Heidelberg, Germany	C-12302
Paraformaldehyde	AppliChem, Sigma-Aldrich, Taufkirchen, Germany	A3813
Penicillin/streptomycin	Gibco, Thermo Fisher Scientific, Darmstadt, Germany	15140122
Phosphate buffer saline	Sigma-Aldrich, Taufkirchen, Germany	P4417
TGFß3	R&D Systems, Wiesbaden, Germany	8420-B3
Trypsin-EDTA 0,05% DPBS	Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany	TRY-1B