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Neste protocolo, um ensaio biomimético de microfluido, que pode reproduzir um ambiente microvascular fisiologicamente relevante e reproduzir toda a cascata de adesão/migração leucócito, é empregado para estudar interações células leucócitos-endoteliais em doenças inflamatórias.
As interações leucócito-endotelial desempenham um papel importante em doenças inflamatórias, como a sepse. Durante a inflamação, a migração excessiva de leucócitos ativados através do endotélio vascular em órgãos-chave pode levar à falência de órgãos. Um ensaio microfluido biomimético fisiologicamente relevante (bMFA) foi desenvolvido e validado utilizando várias técnicas experimentais e computacionais, que podem reproduzir toda a cascata de rolagem/adesão/migração leucócitos para estudar interações células leucócitos-endoteliais. Redes microvasculares obtidas a partir de imagens in vivo em roedores foram digitalizadas usando uma abordagem do Sistema de Informações Geográficas (SIG) e microfabricadas com polidimtilsiloxano (PDMS) em um slide de microscópio. Para estudar o efeito da taxa de corte e topologia vascular nas interações leucócito-endotelial, foi desenvolvido um modelo de Dinâmica de Fluidos Computacionais (CFD) para gerar um mapa correspondente de taxas de corte e velocidades em toda a rede. O bMFA permite a quantificação de interações leucócito-endotelial, incluindo velocidade de rolamento, número de leucócitos aderidos em resposta a diferentes taxas de tesoura, número de leucócitos migrados, permeabilidade de células endoteliais, expressão de molécula de adesão e outras variáveis importantes. Além disso, utilizando amostras relacionadas ao homem, como células endoteliais humanas e leucócitos, a BMFA fornece uma ferramenta para uma triagem rápida de potenciais terapêuticas para aumentar sua tradução clínica.
A inflamação é a resposta do hospedeiro à infecção e lesão, e o endotélio desempenha um papel importante na resposta inflamatória 1,2,3. A desregulação inflamatória é a causa básica de uma série de patologias da doença, como sepse, doenças cardiovasculares, asma, doença inflamatória intestinal, câncer e COVID-19. As interações leucócito-endotelial desempenham um papel central nessas doenças inflamatórias. Durante a inflamação, a liberação de PAMPS (padrões moleculares associados ao patógeno) de patógenos ou DAMPS (padrões moleculares associados a danos) de tecidos feridos ativam células imunes para liberar citocinas/quimiocinas e outros mediadores proinflamatórios que levam à ativação do endotélio, resultando em alterações na função de barreira de endotélio vascular e aumento da permeabilidade 3,4 . O aumento da ativação das células endoteliais durante a inflamação resulta em uma interação leucócito-endotelial aprimorada levando à migração excessiva de leucócitos ativados através do endotélio vascular em órgãos-chave 1,5,6,7.
O recrutamento de leucócitos é iniciado por quimioattractants quimicamente diversos compostos por lipídios bioativos, citocinas, quimiocinas e componentes complementares 8,9. O recrutamento de leucócitos é um processo de várias etapas que inclui cinco passos discretos: 1) margem leucócito e captura/apego, 2) rolamento, 3) prisão firme, 4) espalhamento e rastreamento e 5) extravasão/migração (Figura 1). Cada etapa desse processo requer conversa cruzada entre leucócitos e células endoteliais para orquestrar esse fenômeno dinâmico 1,9. Em última análise, leucócitos presos extravasam para tecidos inflamados através de endotélio através de um processo de várias etapas controlado por sinais quimiócitos, eventos adesivos e hemodinâmicas de tesoura 1,9,10,11,12.
Dado o papel central do estresse da cisalhamento na regulação da função celular endotelial e o significado das interações células leucócito-endotélio13, vários modelos in vitro foram desenvolvidos durante as últimas décadas para estudar vários aspectos da cascata de migração leucócito em um ambiente mais controlado14. Dispositivos fluidos tradicionais para estudar interações células leucócitos-endoteliais podem ser classificados em duas grandes categorias14: a) dispositivos para estudar a expressão de moléculas de rolamento, adesão e adesão de leucócitos, como câmaras de fluxo de placas paralelas e b) dispositivos para estudar a migração de leucócitos em condições estáticas, como câmaras transwell. Sistemas como câmaras de fluxo de placas paralelas têm sido usados para estudar os papéis das moléculas de adesão e seus ligantes na cascata de aderência sob as forçasde cisalhamento 15. No entanto, uma desvantagem significativa é que esses dispositivos simplistas e idealizados (por exemplo, canal reto) não são capazes de reproduzir a escala e a geometria da microvasculatura in vivo (por exemplo, bifurcações vasculares sucessivas, morfologia vascular) e as condições de fluxo resultantes (por exemplo, fluxos convergentes ou divergentes em bifurcações). Como resultado, esses dispositivos só podem modelar a adesão, mas não a transmigração. As câmaras transwell só podem estudar a transmigração em condições estáticas sem considerar as características geométricas in vivo e as condições de fluxo. Assim, esses modelos tradicionais não imitam o microambiente dos tecidos vivos nem resolvem a adesão e a cascata migratória em um único ensaio6.
Para lidar com essa limitação, desenvolvemos e validamos extensivamente um novo ensaio microfluido biomimetético 3D (bMFA) (Figura 2), que reproduz realisticamente redes microvasculares in vivo em um chip 16,17,18. O protocolo de microfabricção deste dispositivo foi publicado anteriormente17 e é apenas brevemente descrito aqui. A microvasculatura do músculo cremaster do rato foi digitalizada usando uma abordagem modificada do Geographic Information System (GIS)19. Em seguida, a rede microvascular sintética foi gerada em polidimtilsiloxano (PDMS) utilizando processos de litografia suave com base na rede microvascular digitalizada 14,17,20,21,22. Resumidamente, as imagens digitalizadas da rede foram impressas no filme Mylar, que foi então usado como uma máscara para padronizar um fotoresist positivo SU-8 em cima de um wafer de silício para criar os mestres para fabricação. Pilares microfabricados (10 μm de diâmetro, 3 μm de altura) foram utilizados para criar os poros de 3 μm de altura e 100 μm de largura, um tamanho ideal para a migração de leucócitos 23,24,25, conectando os canais vasculares e compartimentos teciduais. O PDMS foi preparado de acordo com as instruções do fabricante e derramado sobre os mestres desenvolvidos. Além disso, o PDMS foi desgaseado e autorizado a curar durante a noite em um forno (65 °C) para criar microcanais complementares em PDMS. Posteriormente, o PDMS curado foi descascado do mestre SU-8, seguido de portas perfuradoras para entradas/tomadas. Então, o PMDS foi ligado a um deslizamento de vidro. A superfície do dispositivo microfluido compreende vidro nativo e PDMS. Para promover o apego da célula, a disseminação e a proliferação, é necessário o revestimento da matriz extraceluar (ECM). O bMFA inclui uma rede microvascular e um compartimento de tecido conectado através de poros de 3 μm de altura e 100 μm de largura (Figura 2). Este sistema microfluido reproduz toda a cascata de adesão/migração leucócito em um ambiente 3D fisiologicamente relevante de uma rede microvascular completa com vasos interligados e bifurcações, incluindo circulação, margem, rolamento, adesão e migração de leucócitos para o compartimento vascular extra-tecido em um único sistema 14,16,17,21,26.
Deve-se notar que mesmo quando a taxa de fluxo na entrada de bMFA é fixada, as condições de fluxo na rede variam em diferentes locais e não podem ser calculadas por uma fórmula matemática simples. Um modelo baseado em dinâmica de fluidos computacionais (CFD) foi desenvolvido para calcular diferentes parâmetros de fluxo (por exemplo, estresse de cisalhamento, taxa de cisalhamento, velocidade) em diferentes locais da rede. Este modelo cfd foi utilizado para simular os padrões de perfusão de corante e parâmetros de fluxo no bMFA. A validação cruzada com resultados experimentais sugeriu que as resistências de fluxo em toda a rede são bem previstas pelo modelo computacional (Figura 3)17. Este modelo de CFD foi então utilizado para estimar o perfil de velocidade e taxa de cisalhamento em cada vaso de bMFA (Figura 4), permitindo a análise dos efeitos do fluxo de cisalhamento e geometria sobre rolamento de leucócitos, adesão e migração16. Leucócitos preferencialmente aderem perto de bifurcações e em regiões de baixa tesoura in vivo, e esses padrões espaciais de adesão leucócito foram demonstrados com sucesso na BMFA usando neutrófilos (Figura 5)16. Este artigo descreve o protocolo de preparação da BMFA para estudar a interação leucócito-endotelial sob condições inflamatórias usando células endoteliais pulmonares humanas (HLMVEC) e neutrófilos humanos. Sistemas microfisiológicos, como o bMFA, podem ser usados para estudar interações celulares endoteliais com diferentes tipos de células, como neutrófilos, monócitos, linfócitos e células tumorais 18,27,28,29,30. O bMFA pode ser semeado com células endoteliais primárias de diferentes órgãos (por exemplo, pulmão vs. cérebro) e diferentes espécies (por exemplo, células endoteliais humanas vs. murinas), bem como linhas de células endoteliais 21,27,31,32. O bMFA pode ser usado para estudar múltiplas respostas celulares, interações célula-células, função de barreira, entrega de drogas e toxicidade de drogas.
O sangue humano heparinizado é obtido para isolamento de neutrófilos de doadores adultos saudáveis (homens e mulheres, com idade entre 21 e 60 anos), seguindo o consentimento informado, conforme aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da Temple University (Filadélfia, PA, EUA).
1. Priming e revestimento do dispositivo com fibronectina humana
NOTA: O bMFA possui duas portas de entrada e duas portas de saída conectadas ao compartimento vascular. Também possui uma porta conectada ao compartimento tecidual (Figura 2).
2. Semeadura bMFA com HLMVEC
3. Cultura celular sob fluxo por 48 h
4. Citocina e/ou tratamento terapêutico
NOTA: Como exemplo, esta seção descreve o uso do bMFA para estudar o impacto do tratamento das células com fator-alfa de necrose tumoral (TNF-α) e um novo inibidor anti-inflamatório (inibidor de peptídeos proteína Kinase C delta-TAT, PKCδ-i)18,27,32,33,34,35,36.
5. Isolamento de neutrófilos humanos
6. Experimento de adesão e migração de neutrófilos com bMFA
7. Adquira imagens
8. Análise de imagem digital
Após 48h de cultura sob fluxo de cisalhamento na BMFA, as células endoteliais cobriam a superfície dos canais vasculares na BMFA e se alinhavam na direção do fluxo (Figura 6). A microscopia confocal indicou que todas as superfícies dos canais vasculares estavam cobertas por células endoteliais, formando um lúmen 3D completo em bMFA18.
Usando este protocolo, um mapa de adesão de neutrófilos pode ser adquirido, mostrando que há uma...
O bMFA reproduz as condições de topografia e fluxo das redes microvasculares in vivo e pode ser usado para estudar a interação celular leucócito-endotelial e a função endotelial in vitro em condições fisiologicamente realistas. Na microvasculatura de camundongos ou humanos, a geometria das redes microvasculares são auto-similares e fractais, e o número reynolds << 1, indicando que a geometria vascular não afeta significativamente os padrões de fluxo. Portanto, o bFMA pode ser usado para est...
Os autores não declaram conflito de interesses.
Este trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, Número de Subvenção: GM114359 e GM134701 (M.F.K. e L.E.K.), 1F31AI164870-01 (J.C.L.), e Agência de Redução de Ameaças de Defesa, Número de Subvenção: HDTRA11910012 (M.F.K. e L.E.K.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL syringe | Fisher Scientific | 14-823-30 | |
Biomimetic microfluidic assay (bMFA) | SynVivo | SMN1-C001 | Exclusive at SynVivo |
Blunt needle | Jensen Global | JG24-0.5 | |
Calcium Chloride | Fisher Scientific | C70-500 | |
CFDA, SE | ThermoFisher | C1157 | |
Dextran, 250,000, Powder | Spectrum Chemical Mfg. Corp | DE-130 | |
Ficoll-Paque Premium | GE Health Care | 17-5442-02 | Leukocyte isolation media |
fMLP | Sigma-Aldrich | F3506 | |
Hepes | Fisher Scientific | AAJ1692630 | |
Human fibronectin | Fisher Scientific | 33-016-015 | use vendor recommended ECM for different cell lines |
Microvascular Endothelial Cell Growth Medium-2 BulletKit | Lonza | cc-3202 | Human lung microvascular endothelial cell culture medium (HLMVEC). |
Human lung microvascular endothelial cells | Lonza | cc-2527 | use vedor remommended trypsin-EDTA and TNS |
Magnesium Chloride | Fisher Scientific | BP214-500 | |
Nikon Eclipse Ti2 | Nikon Instruments Inc. | Microscope | |
NIS-elements, 5.20.01 | Nikon Instruments Inc. | Imaging software | |
PBS | Fisher Scientific | MT21040CV | |
PhD Ultra Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-3007 | Syringe Pump |
Potassium Hydroxide | Fisher Scientific | 02-003-763 | |
Recombinant Human TNF-alpha | R&D Systems | 210-TA | |
Slide clamp | SynVivo | ||
Sodium Chloride | Fisher Scientific | S640-500 | |
Synvivo Pneumatic Primer | SynVivo | ||
Trypsin-EDTA, Trypsin Neutralization Solution(TNS) | Lonza | cc-5034 | |
Tygon tubing | Fisher Scientific | 50-206-8921 | Tubing |
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