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Este protocolo destina-se a alcançar a superfície engenharia de ilhotas pancreáticas usando uma nanocápsula starPEG heparina-incorporada através de pseudo-opaco química entre os grupos N- hidroxisuccinimida a nanocápsula e os grupos amina do Ilhéu membrana celular.
Engenharia de superfície celular pode proteger implantado as células de ataque imune do hospedeiro. Ela também pode remodelar a paisagem celular para melhorar a função do enxerto e pós-transplante de sobrevivência. Este protocolo pretende atingir a superfície engenharia de ilhotas pancreáticas usando uma nanocápsula ultrafinos starPEG heparina-incorporada (Hep-PEG). Para gerar a nanocápsula Hep-PEG para engenharia de superfície de ilhotas pancreáticas, succinato de grufo de heparina (heparina-NHS) foi sintetizado pela primeira vez modificação dos seus grupos carboxilato usando N-(3-dimethylamino propyl) -N'-etil carbodiimida cloridrato de (EDC) e N- Hidroxisuccinimida (NHS). A mistura de Hep-PEG formou-se então por reticulação do starPEG de oito-armados de final-acrescida de amino (starPEG-(NH2)8) e heparina-NHS. Para o revestimento de superfície ilhéu, ilhotas de rato foram isoladas através de digestão de colagenase e purificação gradiente usando Histopaque. Ilhotas isoladas, em seguida, foram tratadas com solução fria de Hep-PEG gelo durante 10 minutos permitir a ligação covalente entre o SNS e os grupos amina da membrana celular de ilhéu. Nanocápsula com o Hep-PEG incorre mínima alteração do tamanho do Ilhéu e volume e heparinização dos ilhéus com Hep-PEG podem também reduzir instantânea reação inflamatória mediada por sangue durante o transplante de ilhotas. Esta abordagem "fácil-para-adotar" é ameno o suficiente para a engenharia de superfície de células vivas sem comprometer a viabilidade celular. Considerando que a heparina demonstrou afinidade de ligação para várias citocinas, a nanocápsula Hep-PEG também fornece uma plataforma aberta que permite a incorporação de mediadores biológicos funcionais ilimitados e superfícies multi-camadas para viver superfície celular bioengenharia.
O efeito terapêutico de terapias baseadas em células é limitado pela célula baixa retenção e sobrevivência pobre1,2. A fim de melhorar o resultado das terapias celulares, celular engenharia de superfície através de manipulação enzimática, conjugação de peptídeo, opaco química e físico encapsulamento com biomateriais tem sido explorado3,4, 5,6,7,8,9,10. O protocolo atual pretende atingir engenharia de superfície das células vivas, usando um método de "fácil-para-adotar" aplicando uma nanocápsula ultrafinos heparina-incorporada starPEG (heparina-PEG) à superfície da célula. Engenharia de superfície de ilhotas pancreáticas foi apresentada aqui como um exemplo devido a heterogeneidade das ilhotas de Langerhans e os resultados depreciativos da transplantação de ilhéu clínica atual.
Com efeito, ilhéu clínica transplante é atualmente realizado por injecção directa de ilhotas isoladas para a veia porta hepática e este procedimento só está disponível para pacientes seletivos por causa da escassez de materiais do doador e baixa eficácia terapêutica 11. convencionalmente, alginato tem sido o biomaterial mais comumente usado para o encapsulamento de ilhéu e modificação da superfície, embora seja menos que o ideal devido à instabilidade química do alginato e fibrose inflamatória relacionados12, 13. Além disso, em comparação com o tamanho natural de Ilhéus que varia entre 100 a 200 µm, as microcápsulas de alginato-ilhéu são maiores, variando entre 400 e 800 µm, que excedam a distância de difusão fisiológica de oxigênio. Encapsulamento de conformal ilhéu, ou seja., encapsulando ilhotas sem alteração significativa do volume de ilhota, foi então desenvolvido. Assim, a deposição de nanomembranes composto de PEG, tetrafluoroetileno, membrana de silicone ou nanocápsula multi-camadas (também conhecido como a técnica de "camada por camada" [LBL]) tem sido relatada, resultando em sobrevivência melhorada em vitro ilhéu14 ,15,16,17,18, embora a LBL abordagem muitas vezes requer ilhotas extensas período entregando para deposição de várias camadas, o que pode comprometer a viabilidade do Ilhéu . Além disso, a instabilidade do nanomembranes que se baseia em eletrostáticas ou covalentes interações entre camadas biomembrane ou interações hidrofóbicas entre nanomembranes e a superfície da ilha também gera preocupações9,14 , 15 , 16 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26.
Outro fator limitante que dificulta o resultado terapêutico do transplante de ilhotas intraportal é a instant mediada por sangue reação inflamatória (IBMIR) causada por contato direto de ilhotas implantados com sangue, resultando em agregação plaquetária, coagulação e efeito adverso imune ou ativação celular indesejadas9. Para resolver esses problemas, uma nanocápsula ultra fina composta de glicol de polietileno em forma de estrela (starPEG) foi preparada pela sua biocompatibilidade estabelecida e versatilidade como ilhéu material da carcaça. Heparina, um glicosaminoglicano altamente sulfatada, também foi incorporada na nanocápsula starPEG por suas propriedades anti-inflamatórias, anticoagulantes e capacidade de facilitar a vascularização através do recrutamento de fatores de crescimento angiogênico pro22, 23.
1. fabricação de heparina-incorporada Starpeg nanocápsula
2. Mouse ilhéu engenharia de superfície com heparina-PEG nanocápsula
3. função de heparina-PEG revestido Mouse ilhotas comparadas com ilhotas não revestidos
A nanocápsula de heparina-PEG foi sintetizada pela conjugação de starPEG-(NH2)8 e heparina usando EDC e NHS como acoplamento agentes (Figura 1). Estrutura química da nanocápsula de heparina-PEG foi examinada por FT-IR e como mostrado na Figura 2, Picos característicos de heparina podem ser observados em 3.300 – 3.600 cm-1, correspondente aos grupos hidroxila de heparina (Figura 2 vermelho). A diminuição da amplitude do pico em 3.300 – 3.600 cm-1 (Figura 2 azul) representa a conjugação entre a starPEG-(NH2)8 grupos amida e grupo carbonila de heparina. Amplitude de pico 1.650 cm-1 corresponde a amida carbonila vibrações de alongamento também foi reduzida, indicando a reação suficiente entre os grupos carboxilato de heparina com succinato de grufo e amina de starPEG-(NH2) 8. estrutura de superfície da nanocápsula de heparina-PEG foi examinada por microscopia de força atômica e é mostrado de Lou et al, a nanocápsula era aproximadamente 30 nm de altura e 2 µm de largura com pequenas características porosas (manchas escuras) que vão entre 100 a 200 nm em diâmetro10. Dados obtidos de microscopia eletrônica de varredura também confirmam a estrutura porosa altamente interconectada da cavilha de heparina (Figura 3), sugerindo que poderia ser apropriado para a sobrevivência da pilha durante a entrega em vivo.
Revestimento de superfície de ilhotas isoladas de rato foi examinado e conforme apresentado na Figura 4, uma camada fina de nanocápsula, mostrada por fluorescência verde foi depositada uniformemente através da superfície de ilhotas revestidas sem causar alterações evidentes na ilhota tamanho/volume. Durante o revestimento, é recomendável manter as ilhotas no gelo para manter a sua viabilidade. Da mesma forma, o período de revestimento, 10 min neste caso, foi também otimizado para permitir a manutenção da viabilidade de Ilhéus. É interessante notar que para melhor observação da nanocápsula, microscopia de elétron que examina as secções transversais de ilhotas revestidas como relatado anteriormente9,16 seria mais adequada, embora os dados seria gerados de ilhotas fixas e incorporadas em vez de viver ilhotas na cultura.
Relativamente à sobrevivência e função das ilhotas revestidas, revascularização ilhéu e funções em foram avaliados in vitro. Considerando as propriedades benéficas da heparina, functionalization de heparina para a superfície da ilha poderia facilitar a revascularização ilhéu da cultura e, consequentemente, a sua sobrevivência. Temos observado que os ilhéus de rato de heparina-PEG revestido exibiram viabilidade ilhéu robusto na cultura (Figura 5). Significativamente mais avançado formação vascular era também evidente a partir de células endoteliais ilhéu (MS1) que co foram cultivadas com heparina-PEG revestido ilhotas, indicadas por estruturas microvessel alongadas e rede-como estruturas vasculares (Figura 6 ).
O processo de nanocápsula incorridos sem capacidade de secretoras de insulina glicose-estimulada com efeito dos ilhéus heparina-PEG revestido. Baixo nível de secreção de insulina foi observado em todos os grupos de tratamento quando ilhéus foram perfundidos com solução salina fisiológica, suplementada com sub-stimulatory nível de glicose (2 mmol/L; A Figura 7). Quando ilhéus foram estimulados com um nível suprafisiológica da glicose (glicose de 20 mmol/L), observou-se aumento da secreção de insulina em todos os grupos de tratamento.
Figura 1: Estrutura química da Hep-PEG nanocápsula para engenharia de superfície de ilhotas pancreáticas. Revestimento de ilhéu foi conseguido através da reticulação ligações covalente entre o NHS de heparina e aminas primárias dentro da membrana celular e estrela - PEG-(NH2)8. Cada molécula de heparina possui vários grupos carboxila, que foram modificados para ter um grupo de NHS cada. Os grupos carboxila NHS-ativado irão reagir com aminas primárias de proteína para ligações amida de formulário, através do qual é estabilizada nanocápsula de Hep-PEG e ilhotas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Espectro infravermelho da estrela - PEG-(NH2)8, heparina e Hep-PEG nanocápsula em seco estado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Imagens de microscopia eletrônica de varredura de Hep-PEG no estado seco digitalizadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Imagens representativas de heparina-PEG revestido Ilhéus sob microscópio de fluorescência.
Heparina foi previamente rotulada com FAM (mostrado em verde). Imagens são representativos de 100 ilhotas. Barra de escala = 100 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Ilhotas de heparina-PEG revestido exibiram viabilidade ilhéu robusto. (A) dados apresentados como média erro-padrão do meio, n = 50 ilhotas por grupo. (B) as células vivas foram mostradas em células e inoperante em vermelho. Barra de escala = 100 µm. imagens são representante de 50 ilhotas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Heparina-PEG nanocápsula facilita intrailhéu revascularisation. Formação de tubo Matrigel de células MS1 co cultivadas com heparina-PEG revestido Ilhéus e ilhotas de noncoated controle. Imagens foram tiradas do bar 4 e 24 h. escala = 100 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Heparina-PEG nanocápsula incorre em nenhuma mudança na função de secreção de insulina ilhéu. Heparina-PEG revestido de Ilhéus e ilhotas noncoated controle (30 cada) foram expostas a 2 mmol/L (barra branca) ou 20 glicose mmol/L (barra preta) por 30 min. a secreção de insulina em resposta a 20 glicose mmol/L foi comparável entre o revestido e ilhotas de controle. Dados são mostrados como média ± erro padrão de meios, n = 10. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Neste artigo, demonstramos uma abordagem "fácil-para-adotar" para viver uma nanocápsula starPEG heparina-incorporada através de pseudo-opaco química entre os grupos N- hidroxisuccinimida a nanocápsula de engenharia de superfície celular e a grupos amina da membrana de superfície de ilhotas pancreáticas. De facto, os grupos aminoácidos dentro das membranas celulares são altamente reativos e como consequência, estudos anteriores relataram interações entre grupos aminoácidos primários com registrados N- hydroxysuccinimidyl (NHS) éster sob condições fisiológicas14 ,16,21. Além disso, extensa pesquisa tem relatado que incorporação de heparina, um glicosaminoglicano altamente sulfatado e importante componente da matriz extracelular, durante o encapsulamento do Ilhéu, poderia levar a reforçada pós-transplante revascularização do miocárdio e redução IBMIR22,23. Considerando a biocompatibilidade de PEG e multivalentes Propriedades de heparina, usamos 8-armado PEG para heparina máxima de carregamento durante a fabricação da nanocápsula. Heparina foi modificada com -NHS, que posteriormente reagiria com os grupos de2 -NH na membrana celular de ilhéu. Permitindo a formação de ligação covalente entre -NH2 (membrana celular) e -NHS de Hep-PEG, os ilhéus iria ser prontamente "revestidos" pelo PEG heparina-incorporada, formando assim uma camada fina nano (nanocápsula) sobre a superfície externa do pâncreas Ilhéus.
A presente abordagem é diferente de métodos anteriormente publicados que também selecionou PEG como polímero principal para microencapsulação ilhéu nisso Chemistry de pseudo-opaco entre o -SNS (da nanocápsula) e -NH2 da célula ilhéu utilizou-se a membrana. Considerando que a estabilidade da ilha/célula revestimento, especialmente em um ambiente complexo como o plasma, é crucial para revascularização pós-transplante e sobrevivência, a formação entre -NHS e -NH2 seria mais estável em relação ao interação hidrofóbica entre a PEG e membrana celular24, interações eletrostáticas9,15,24,25,26 ou ligação biológica entre a biotina streptavidin14.
Além disso, em contraste com o ilhéu do revestimento que se baseia na abordagem LBL com período de tratamento estendido ilhéu para deposição de várias camadas14,16,25, a técnica presente também requer mínima processamento e muito curto período de revestimento dos ilhéus isolados. Ambos esses fatores são essenciais para a sobrevivência do Ilhéu pós-transplante desde viabilidade de ilhotas é frequentemente já comprometido isolamento ilhéu seguintes devido ao ECM danificado durante a digestão enzimática. No entanto, uma limitação da abordagem actual é que, ao contrário da LBL, através do qual a espessura do revestimento exterior podia ser controlada aumentando ou reduzindo o número de deposição de camada, espessura de nanocápsula o Hep-PEG não pode ser adaptada para o momento.
Além disso, devido à condição suave, onde a reação química entre o NHS - e -NH2 tem lugar, a abordagem actual é aplicável para a célula viva superfície engenharia não limitada de ilhotas pancreáticas, mas a maioria de terapia celular. Além disso, Considerando que a heparina é conhecida por interagir com uma variedade de citocinas e moléculas biologicamente ativas, a nanocápsula Hep-PEG também apresenta uma plataforma aberta que tem o potencial para a incorporação de mediadores biológicos ilimitadas, bem como interfaces para célula mais complexa engenharia de superfície.
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecemos o apoio financeiro do fundos nacionais de ciências naturais da China (31770968) e a Tianjin pesquisa programa de Application Foundation e Advanced Technology (17JCZDJC33400).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagent | |||
PBS | Hyclone | AAJ207798 | |
Streptozototin | Sigma | S0130 | |
Histopaque | Sigma | 10831 | |
RPMI 1640 | GIBCO, by Life Technologies | 31800022 | |
Fetal Bovine Serum | GIBCO, by Life Technologies | 16000-044 | |
Penicillin Streptomycin | GIBCO, by Life Technologies | 15140 | |
Cell Dissociation Solution | GIBCO, by Life Technologies | 13150-016 | |
DMEM | GIBCO, by Life Technologies | 12800017 | |
D-(+)-Glucose solution | Sigma | G8644 | |
488 phalloidin | Sigma | A12379 | |
CFSE | Sigma | 21888-25mg-F | |
Annexin V/PI apoptosis kit | Dojindo | AD10 | |
DAPI Fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-20 | |
Collagenase from Clostridium, Type XI | Sigma | C7657 | |
Heparin | Sigma-Aldrich | H3149 | |
NHS | Sigma-Aldrich | 56480 | |
EDC | Sigma-Aldrich | 3449 | |
8-armed PEG | J&K Scientific Ltd | 1685176 | |
FAM | Sigma-Aldrich | M041100 | |
5(6)-carboxyfluorescein N-succinimidyl ester | Sigma-Aldrich | 21888 | |
KBr | J&K Scientific Ltd | 32036 | |
3-aminopropyl-triethoxysilane | Sigma-Aldrich | A3648 | |
toluene | J&K Scientific Ltd | S-15497-20X | |
Live/dead staining kit | Biovision, US | K501 | |
BD MatrigelTM, basement membrane matrix, growth factor reduced | BD Bioscience | 354230 | |
Sodium chloride, 99.5% | J&K Scientific Ltd | 105864 | |
Potassium chloride, 99%, extra pure | J&K Scientific Ltd | 991468 | |
Sodium bicarbonate, 99.7%, ACS reagent | J&K Scientific Ltd | 988639 | |
Magnesium chloride hexahydrate, 99%, ACS reagent | J&K Scientific Ltd | 182158 | |
Potassium dihydrogen phosphate, 99%, extra pure | J&K Scientific Ltd | 128839 | |
Magnesium sulfate heptahydrate, 99%, for analysis | J&K Scientific Ltd | 119370 | |
Calcium chloride solution volumetric, 1.0 M CaCl2 | J&K Scientific Ltd | 21114 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | V900933 | |
Rat/Mouse Insulin ELISA kit | Millipore-linco | EZRMI-13K |
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