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Hemos desarrollado una matriz extracelular y de pulmón descelularizada biorreactor novela biomiméticos que se puede utilizar para generar tejido pulmonar funcional. Por la siembra de las células en la matriz y el cultivo en el biorreactor, que generan tejido que demuestra el intercambio de gases eficaz cuando se trasplantan en vivo por periodos cortos de tiempo.
Los tejidos pulmonares, incluyendo cáncer de pulmón y enfermedades pulmonares crónicas, como enfermedad pulmonar obstructiva crónica, de forma acumulativa representan alrededor de 280.000 muertes al año, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica es actualmente la cuarta causa de muerte en los Estados Unidos 1. Que contribuyen a esta mortalidad es el hecho de que los pulmones por lo general no más allá de reparar o regenerar el nivel microscópico, celular. Por lo tanto, el tejido pulmonar que está dañado por la degeneración o una infección, o el tejido pulmonar resecado quirúrgicamente que no es funcionalmente reemplazado en vivo. Para explorar si el tejido pulmonar se pueden generar in vitro, se trataron los pulmones de ratas adultas utilizando un procedimiento que elimina los componentes celulares para producir un andamio extracelular pulmonar acelular matriz. Esta estructura mantiene las estructuras jerárquicas de ramificación de las vías respiratorias y los vasos sanguíneos, así como una membrana basal en gran parte intacto, que comprende colágeno IV, laminina y fibronectina. El andamio se monta en un biorreactor diseñado para imitar los aspectos críticos de la fisiología pulmonar, tales como ventilación con presión negativa y la perfusión vascular pulsátil. Por el epitelio pulmonar y el cultivo de endotelio vascular en el andamio montado en biorreactores, que son capaces de generar tejido pulmonar que es fenotípicamente similar al tejido pulmonar de origen y que es capaz de participar en el intercambio de gases para los intervalos de tiempo (45-120 minutos). Estos resultados son alentadores y sugieren que la repoblación de la matriz pulmonar es una estrategia viable para la regeneración del pulmón. Esta posibilidad se presenta una oportunidad no sólo de trabajar para aumentar la oferta de tejidos de los pulmones para un trasplante, sino también para el estudio de células respiratorias y la biología molecular in vitro durante más tiempo y en un microambiente más preciso que previamente ha sido posible.
1. Biorreactor de la Asamblea
Figura detallado (s) del diseño de biorreactores y montaje tanto para descelularización y la cultura se proporcionan en las Figuras 1 y 2, respectivamente. Todos los componentes deben ser esterilizados antes de la asamblea del biorreactor. Los puntos específicos a continuación se indican:
CONEXIONES:
FUNCIONES:
2. Cosecha de Órganos
3. Órgano descelularización
Perfusión con solución descelularización hasta 500 ml de solución a través de la perfusión pulmonar. Óptima de la presión es <15 mmHg (~ 20 cm H 2 O). Para ello será necesario 2,5 horas. Los caudales son normalmente muy lento (0.2-0.5ml/minute) inicialmente, y aumentar rápidamente durante la segunda hora a aproximadamente 1ml/minute o mayor. Periódicamente, extraer el líquido utilizado descelularización de biorreactor, asegurando suficiente líquido sigue siendo apoyar el pulmón y la cánula traqueal.
4. Órgano de lavado y esterilización
5. Recelularización
La elección de la fuente de células para la resiembra de órganos se deja a los investigadores individuales. Muchas fuentes de células pueden ser utilizadas, incluidas las poblaciones disponibles en el mercado, recién aisladas células pulmonar neonatal o fetal, las células madre embrionarias, o fuentes de células disponibles comercialmente. Protocolos específicos de aislamiento de estas poblaciones de células se pueden encontrar en otras partes 4,5,6. En este caso, se proporcionan instrucciones sobre la forma de semilla de las dos poblaciones de células epiteliales y endoteliales.
Siembra endotelial:
Siembra epiteliales:
6. Órgano de la Cultura
Aunque los detalles de la perfusión y la ventilación puede variar en función del diseño experimental, los puntos a continuación se indican:
7. Los resultados representativos:
Descelularización
Cuando el protocolo se realiza correctamente, los pulmones recién extraído debe contener el aire sin filtrar. Inflando con aire mientras está sumergido en un líquido puede comprobar esto - no debe haber burbujas que indican las fugas de aire. La descelularización posterior debe permitir ~ 500 ml de líquido descelularización fluya a través de los pulmones a lo largo de 2,5 a 3 horas a 37 ° C, y en última instancia, PBS debe ser capaz de fluir a través de los pulmones a unos 10 ml / min (en ~ 15 mm Hg de la presión hidrostática) al final de enjuague. Después del tratamiento con 0,1% de ácido peracético y benzonasa, los pulmones se pueden almacenar a 4 ° C durante un máximo de 3 meses, y aún así seguir siendo adecuada para recelularización.
La final de la matriz extracelular descelularizada debe estar completamente desprovisto de materiales celulares, y conserven las características bruto, microscópicas y ultraestructurales de pulmón nativo. Descelularización insuficiente o enjuague puede dar lugar a restos de ADN se "pega" a la horca, que pueden ser visualizados con un estándar de hematoxilina y eosina (véase la Figura 3 para la comparación).
Repoblación de la matriz acelular y la cultura del tejido pulmonar
Si las células son aisladas de 7 días de edad las crías de rata neonatal, como se describe en el suplemento en línea que acompaña el trabajo de Petersen y sus colegas 4, se puede esperar un rendimiento celular de 120-150 millones de células por litro de 10 crías (poco más de 10 millones células por recién nacido).
Las condiciones óptimas para la siembra y cultivo de los posteriores del pulmón en el biorreactor debe rendir bien distribuidos dentro de las células de los 5 lóbulos del pulmón, y debe proporcionar una cobertura de aproximadamente el 70% de la matriz extracelular andamios (Figura 3). La población de células cultivadas será positivo para los principales marcadores de células respiratorias, tales como pro-secreción de proteína-C (CPE), de células Clara proteína secretora (CCSP), y acuaporina 5 (AQP), con el fin de la abundancia relativa (Figura 4).
Figura 1. Cánulas puestos y biorreactor descelularización
Figura 2. Biorreactor utilizados para la siembra y cultivo de tejido pulmonar de ingeniería
Figura 3. Histología de descelularizada nativos, y el pulmón repoblada
Figura 4. La tinción de inmunofluorescencia para los marcadores de pulmón clave
Los aspectos más críticos del sistema que aquí se presenta incluye el mantenimiento de la esterilidad, y la estrecha vigilancia de las presiones ejercidas sobre el lecho vascular en todo el proceso de preparación y siembra el andamio y el cultivo de la repoblación de pulmón. La esterilidad se mantiene mejor en autoclave todos los materiales antes de su uso, y mediante el montaje de los pulmones en un sistema cerrado poco después de explante y evitar el posterior incumplimiento de esta barrera. Después de la matriz descelularizada ha sido totalmente aclarado y se transfiere a un biorreactor estéril para la cultura, el tapón de silicona y otros sellos y las conexiones no debe ser alterado o eliminado. Para mantener la presión bajo control, el flujo por gravedad, es preferible siempre que sea posible. Cuando una bomba es necesaria para la recirculación del fluido, que comienzan después del lavado con PBS y continua durante el cultivo, se recomienda medir directamente la presión justo antes de que el líquido entra en la arteria pulmonar con un transductor de presión. La magnitud de la presión aplicada no debe exceder los 15 mm Hg.
Recellularized pulmones pueden ser cultivados durante períodos variables de tiempo, por lo general van de 4 días a un máximo de 3 semanas. Perfusión vascular se realiza generalmente en 1-3 ml / min durante el cultivo del endotelio, mientras que la ventilación se aplica típicamente a una velocidad de 1 respiración / min durante el cultivo epiteliales. Durante los periodos de la cultura combinados, la ventilación y la perfusión simultánea es la adecuada. La ventilación se puede realizar con cualquier medio líquido o aire.
En el transcurso de las últimas décadas, varios grupos han realizado una importante labor de ingeniería de tejidos que muestran la viabilidad de la diferenciación del epitelio pulmonar in vitro y de reproducir varios aspectos de pulmón microanatomía 7,8,9, 10. Sin embargo, hasta hace poco, ninguno de estos intentos de 4,5 para diseñar el tejido pulmonar se había traducido en un órgano implantable que fue capaz de mantener la separación entre la sangre y los compartimentos de las vías respiratorias y que pueden participar en el intercambio de gases. Por lo tanto, aunque los métodos descritos son sólo un primer paso hacia el objetivo a largo plazo de la generación de tejido pulmonar funcional, este trabajo es un paso alentador hacia la posibilidad de aumentar la cantidad de tejido pulmonar disponible para el trasplante. Por otra parte, este trabajo elabora el trabajo realizado por Ott et al. Uygun y sus colegas y 11,12, lo que demuestra la eficacia de una matriz extracelular descelularizada como un andamio para la ingeniería de tejidos tridimensionales complejas estructuras y apoyar el crecimiento y la supervivencia de varios tipos de células . Este trabajo también es importante por su contribución al arsenal terapéutico de las células respiratorias y biólogos moleculares. Al ofrecer un único entorno tridimensional que también puede proporcionar adecuados estímulos mecánicos, y que no comparte el riesgo concomitante de una rápida des-diferenciación que se puede encontrar al epitelio de cultivo de los roedores en el laboratorio con los métodos más tradicionales 13, los científicos podrían usar nuestro sistema para obtener nuevos conocimientos sobre las interacciones célula-célula y célula-matriz que juegan un papel en la diferenciación y función celular. Este conocimiento puede ser muy poderosa si se usa como palanca para guiar el destino de varias poblaciones de células madre, como grupo Cortiella ha demostrado en los estudios iniciales 14.
Damos las gracias a Maegan B. Colehour para ayudar con el desarrollo bio-reactor. Estos estudios fueron financiados por la Universidad de Yale Departamento de Anestesia y por el NIH subvención HL 098 220 (a LEN). THP fue apoyado por el NIH T32 GM007171.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nombre del reactivo | Empresa | Número de catálogo | Comentarios (opcional) |
---|---|---|---|
Eutanasia | |||
Heparina | Sigma-Aldrich | H4784 | |
Nitroprusiato de sodio | Fluka | 71778 | |
Euthasol solución de la eutanasia | Virbac AH | 710101 | 390 mg / ml de solución de pentobarbital de sodio de valores debe ser diluido apropiadamente para la administración de IP |
Decell Solución | |||
CHAPS | Sigma-Aldrich | C3023 | |
NaCl | Estadounidense Bioanalytical | AB01915 | |
EDTA | Sigma | E5134 | |
NaOH | JT Baker | 3722-01 | |
1X PBS | Gibco | 14190 | |
Componentes biorreactor | |||
480 ml frasco | Cole Parmer | EW-3460560 | |
Tapón de silicona, talla 14 | Cole Parmer | EW-06.298-26 | |
Y-conectores | Cole Parmer | ED-30.614-08 | Se utiliza para cánulas arteriales y traqueal |
Tubo de silicona | Masterflex | 96420-14, 16 | L / S 14, 16 |
Transductores de presión | Edwards Lifesciences | PX-212 | |
La válvula de retención | Cole Parmer | EW-98.553-20 | Válvula de una vía |
Llaves de paso de 4 vías | Edwards Lifesciences | 594WSC | |
Filtro de jeringa | Cole Parmer | 2915-08 | PTFE, 0.2μm |
Decell y apparati enjuague (adiciones al biorreactor) | |||
500 y 1000 ml botellas de vidrio | Corning | 1395-500;-1L | Se utiliza para decell y aclarado por la gravedad |
Benzonase tratamiento | |||
Penicilina / estreptomicina | Gibco | 15140122 | |
FBS | Hyclone | SH30071.03 | |
Tris-HCl | Estadounidense Bioanalytical | AB14043 | 1 M, pH 8,0 |
MgCl2 | JT Baker | 2444-01 | |
BSA | Sigma | A9647 | |
Benzonase nucleasa | Sigma | E1014 | Endonucleasa utiliza para eliminar restos de ADN de la matriz |
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