Ekstraselüler Matrix içinde Gömülü Mühendislik Üç boyutlu Epitel Dokular

Özet

Bu yazıda, üç boyutlu (3D) tek tip diziler ekstraselüler matriks çevrili tanımlanan geometri epitel doku mühendisi yumuşak litografi tabanlı teknik anlatılmaktadır. Bu yöntem, hücre tipleri ve deneysel bağlamlarda çeşitli için uygun olan ve aynı çoğaltır yüksek verimli tarama sağlar.

Özet

The architecture of branched organs such as the lungs, kidneys, and mammary glands arises through the developmental process of branching morphogenesis, which is regulated by a variety of soluble and physical signals in the microenvironment. Described here is a method created to study the process of branching morphogenesis by forming engineered three-dimensional (3D) epithelial tissues of defined shape and size that are completely embedded within an extracellular matrix (ECM). This method enables the formation of arrays of identical tissues and enables the control of a variety of environmental factors, including tissue geometry, spacing, and ECM composition. This method can also be combined with widely used techniques such as traction force microscopy (TFM) to gain more information about the interactions between cells and their surrounding ECM. The protocol can be used to investigate a variety of cell and tissue processes beyond branching morphogenesis, including cancer invasion.

Giriş

morfojenezi dallanma olarak bilinen kollara ayrılmış epitelyal dokuların gelişimi, hücre-türevli, fiziksel ve çevresel faktörler ile düzenlenir. meme bezinde, morfolojilerinden dallanma toplu hücre göçü bir ağaç gibi mimari oluşturur güdümlü aracılığıyla tekrarlanan bir süreçtir. İlk adım şube başlatılması ve uzama ^1,2 izledi süt kanallarından birincil tomurcuğu oluşumu vardır. Çevredeki stromaya dalları Invasion ergenlik steroid hormonların sistemik salınımı ile indüklenir. Yeni birincil tomurcukları sonra varolan şube uçlarından başlatabilir ve bu süreç bir epitel ağacı ³ yaratmaya devam ediyor. Birçok önemli biyokimyasal sinyaller tespit edilmiş olmasına rağmen, bu karmaşık gelişim süreci şu anda eksiktir rehberlik hücre biyolojik mekanizmaların kapsamlı bir anlayış. Ayrıca, belirli ipuçlarının etkilere mekanik çalışmalar deney gelen yapısızlaştırmak zorin vivo likte olarak hassas uzaysal tedirginlikler ve ölçümler çoğu zaman mümkün değildir.

Böyle tüm organ kültürü, birincil organoids ve hücre kültür modelleri gibi üç boyutlu (3D) kültür teknikleri, sistematik doku morfolojilerinden ^4-6 yatan mekanizmaları araştırmak için yararlı araçlardır. Bu hareketi, çoğalması ve farklılaşması dahil olmak üzere hücre davranışları çeşitli, bu gibi mekanik güçler ve biyokimyasal sinyallerin gibi, tek tek özel faktörlerin etkileri belirlemek için yararlı olabilir. ⁶ tasarlanan hücre kültürü modelleri, özellikle, hali hazırda pertürbasyon etkinleştirmek tek tek hücreler ile bunların mikro arasında.

Böyle bir kültür modeli a ile uyarılan zaman tutarlı ve tekrarlanabilir toplu göç dalları oluşturan kontrollü 3D yapısı ile örnek meme epitel doku mühendisi bir mikroüretim tabanlı bir yaklaşım kullanırppropriate büyüme faktörleri. modelin en büyük avantajı tam işlemek ve bu tür yüksek istatistiksel güven ile mekanik stres desen, fiziksel ve biyokimyasal faktörlerin etkilerini ölçmek için yeteneğidir. Bu teknik, bir araya hesaplama modelleme ile, daha önce meme epitelyal dokusunda ve dallı epitel ^7-11 normal gelişimin rehberliğinde fiziksel ve biyokimyasal sinyallerin nispi katkılarını belirlemek için kullanılmıştır. Burada sunulan kolaylıkla hücreler ve hücre-dışı matrisi (ECM) jellerin diğer tiplerinin uzatılabilir, bu model, dokular, bina için ayrıntılı bir protokoldür ve terapötiklerinin test edilmesi için potansiyel bir araç olarak hizmet eder.

Protokol

Çözümler 1. hazırlanması

1. Insülin, 5 mg / ml çözelti hazırlamak (çözücü, 100 ml, 500 mg insülin) O dH ₂ 5 mM, hidroklorik asit (HCI) ile toz haline getirilmiş insülin stokları sulandırmak. Damıtılmış su, 100 ml konsantre HCI, 50 ul ekleyerek çözücü 100 ml (DH ₂ O) hazırlayın.
2. PBS 1x solüsyon yapmak için, steril koşullar altında DH ₂ O 1x, 10x, fosfat tamponlu tuz (PBS) stok çözeltisi seyreltilir.
3. şöyle polidimetilsiloksan (PDMS) bir elastomer çözeltisi hazırlayın: 1 (ağ: ağ) oranı, bir 10 ısıyla sertleştirme maddesi ile bir araya PDMS prepolimeri karıştırın.
4. aşağıda hücre kültür ortamı hazırlayın: Hazır Dulbecco Modifiye Eagle Ortamı 500 ml: Besin Karışımı, F-12 (DMEM / F-12), 10, steril fetal sığır serumu ml (FBS), gentamisin reaktif 500 ul ve ek 5 mg / ml insülin, 500 ul.
5. (w% 1 ekleyin, 1 x PBS çözeltisi içinde% 1 sığır serum albümini (BSA) hazırlamak için: BSA tozu v) çözeltisi PBS 1x ve iyice karıştırın.
6. ekleyin I kolajen nötralize sığır tipi bir 4 mg / ml çözelti hazırlamak için, 50 ul 10x Hank dengeli tuz çözeltisi (HBSS) tampon maddesi, 30 ul 0.1 N sodyum hidroksit (NaOH), 30 ul hücre kültür ortamı ve hazır kollajen 400 ul soğutulmuş 1.5 ml mikrosantrifüj tüpüne. Yukarı ve aşağı pipetleme yavaş yavaş karıştırın; kabarcıkları almaktan kaçınması. Herhangi bir kabarcıklarını çıkarmak için, kısaca 4 ° C'de karışım santrifüj.
7. 4 (v: v) 1 x PBS içinde% 16 paraformaldehit 1 seyrelterek bir sabitleyici çözelti hazırlayın.
8. 1,000 (v: v) stok çekirdekleri etiketleme çözümü 1 seyreltilmesi ile bir çekirdek etiketleme çözümü hazırlayın 1x PBS içinde.
9. Deterjan:% 0.3 (v v) ile 1X PBS karıştırılarak% 0.3 fosfat tamponlu tuzlu su ve deterjan (PBST) çözeltisi hazırlayın.
10. % 0.3 PBST: keçi serumu 01:10 (v v) seyreltilmesi ile engelleme tampon hazırlayın.
11. PRI seyrelterek, ilgilenilen özel bir protein için bir birincil antikor çözeltisi hazırlayın(Örneğin, tavşan anti-fokal yapışma kinaz (FAK)) Mary antikoru 1: 200 (hacim: hacim) blokaj tamponunda.
12. (V v) blokaj tamponunda 1.000 (örneğin, keçi anti-tavşan) 1 floresan prob ve konjüge olmamış antikor seyrelterek bir ikincil antikor çözeltisi hazırlayın.

3D micropatterning Elastomerik Pullar 2. Hazırlık

Not: Elastomerik pulları PDMS ile yapılır.

1. Adım 1.3 açıklandığı gibi aynı oranda bir PDMS çözüm yapmak ve iyice karıştırın. Karıştırma işlemi sırasında oluşan olan tüm hava kabarcıklarını çıkarmak için 15-30 dakika süreyle bir vakumlu odasında karışımın yerleştirin.
2. tekne ya da lithographically istenen geometri özellikleri ile desenli bir silikon ustası içeren Petri kabı tartın bir plastik içine Tolüen dökün. En iyi sonuçları elde etmek için, 12 saat ~ 60 ° C'de PDMS çözeltisi tedavi.
   Not: silikon ustaları son derece özelleştirilebilir; Bu protokol 50 ölçülerinde dikdörtgen yapılar kullanırmm x 200 mm x 50 mm 200 mm aralıklı. Silikon Masters, standart fotolitografi teknikleri kullanılarak yapılabilir. Kısaca, bir epoksi-bazlı fotorezist silikon göbeğin üzerine spin-kaplanır. İstenilen damga özelliklerini ayrıntılı bir maske daha sonra UV ışığına maruz fotorezist kaplı gofret, üstüne yerleştirilir. maske tarafından bloke istenen özellikleri ışığa maruz kalır ve ışığa dirençli kaplamanın geri kalanı çözünür olduğu ve yıkanmasını edilebilir ise bu yerlerde fotorezist, çapraz bağlanmış olur.
3. PDMS silikon ana istenilen özelliklere etrafında tamamen donduktan sonra plastik bir kaba gelen PDMS ve master'ı çıkarın. Dikkatle silikon gofret PDMS ayırmak ve temiz bir jilet kullanarak baskılı özellikleri çevresinde aşırı PDMS çıkarın.
4. Hemen bir jilet ile tek tek dikdörtgen pullar halinde kalıplanmış özelliklerine (~ 8 mm x 5 mm), desenli PDMS kesti. Bir cle bu özellik yan-up MağazaBir 100 mm çaplı Petri kabı.
5. Ayrıca, dikdörtgen pulları için destek yapmak için adım 1.3 açıklanan PDMS çözümü kullanın.
6. bir eğirme kaplayıcı kullanılarak, 100 mm çapında bir Petri tabağına eşit PDMS çözeltisi ~ 2-3 g yaymak ve adım 2.1 60 ° C'de ~ 12 saat boyunca PDMS tedavi. Sonra, bir jilet kullanarak, dikdörtgenler içine PDMS ince bir tabaka (~ 5 mm x 2 mm) kesti.
   Not: İki destekler adım 2.3 yapılan her PDMS damga için gereklidir. destekleri PDMS pulları içeren 100 mm çapında Petri kabındaki saklanabilir.
7. PDMS pulları ve destekler hücre kültürü için kullanılmadan önce, bir biyogüvenlik kabini içinde bir aspiratör (hücre kültürü kaput) kullanılarak% 70 etanol ve kuru batırılarak sterilize edin.

3D Epitel Dokuların 3. hazırlanması

1. Bir biyo-güvenlik kabini, her pul en PBS içinde% 1 BSA, yaklaşık 50 ul'lik bir damla ekleyin. Bir mini 4 ° C'de pul kaplı damlacık yerleştirin4 saat içinde anne BSA damgası yüzeyine adsorbe sağlamak.
2. PDMS pul aspire BSA çözüm.
3. Her yıkamadan sonra aspire, hücre kültür ortamı (pul her yıkama başına 50 ul yeterli olmalıdır) ile iki kez pul yüzeyleri yıkayın.
4. Kavisli paslanmaz çelik cımbız kullanarak sterilize PDMS pulları ve destekleri anlaştım. Her damgası PDMS için bir biyogüvenlik kabini, bir 35 mm çaplı doku kültürü çanak yatıyordu. her yemeğin, PDMS pul uzunluğu biraz daha az bir mesafe ile ayrılmış iki PDMS destekler uzandı.
5. cımbız kullanarak, birçok yuvarlak cam lamelleri sterilize (çapı 15 mm, # 1)% 70 etanol kullanarak PDMS pulları olduğu gibi. cımbız ile onları tutarken lamelleri fazla sıvıyı aspire. Ayrı bir 100 mm çapında Petri kabındaki yıkandı lamelleri saklayın.
6. ~ Kollajen karışımı 50 ul eşit kat, her yüzey damgası PDMS için dağıtın.
7. AlmakHer kollajen kaplı PDMS cımbızla damga ve onları hafifçe ters çevirin. PDMS üstüne ters pullar indirin 35 mm çaplı doku kültüründe ortaya koydu destekler kollajen mühür ve doku kültürü çanak alt arasında olacak şekilde bombeli. 30 dakika boyunca 37 ° C 'de yemekler inkübe edin.
8. Dairesel lamelleri her birine ~ kalan kollajen karışımı 50 ul koyun ve 30 dakika boyunca 37 ° C'de inkübe (daha sonra bu, tamamen kollajen bunları kapsüllemek için mühendislik dokularının üzerine yerleştirilir).
9. % 40 konfluansa ~ epitel hücreleri (ör. EpH4 fare meme epitelyal hücreleri) ihtiva eden bir 100 mm çaplı bir doku kültürü çanağı elde edilir. Hücre kültür ortamı aspire edildi ve PBS 1x 10 ml ile bir kez yıkanır. hücrelere tripsin 2 ml ilave edilir ve 5-10 dakika boyunca 37 ° C'de inkübe edin.
10. doku kültürü çanağı, tripsinize edilmiş hücre ihtiva eden çanak kalan yapışık hücreler ayırma taze kültür ortamı 8 ml ekleyin. pipetleme ile yavaşça karıştırın ve 5 dakika boyunca 100 x g 'de 15 ml konik bir tüp ve santrifüj hücre karışımı hareket ettirin.
11. Konik tüpten aspire ve hücre kültür ortamı içinde hücre pelletini. hücreler bir hemasitometre kullanarak saymak süspansiyon konsantrasyonunu belirlemek için. 10 ⁶ -10 ⁷ hücre / ml ~ nihai bir konsantrasyon elde etmek için süspansiyon ses seviyesini ayarlayın.
12. inkübatör jölelenmişti kollajen örnekleri çıkarın. cımbız kullanarak, yavaşça kalıplı kollajen onları ayırmak ve onları atmak için düz yukarı PDMS pulları kaldırın.
13. istenen geometriye kalıplanmış boşluklar içeren her kollajen jel yüzeyi üzerine ~ konsantre hücre süspansiyonu 30 ul koyun. Hafifçe yemekler yan sallayarak boşlukları içinde yerleşen hücreyi teşvik yan ise 10X / 0.25 NA amacı ile bir aydınlık mikroskop altında hücreleri gözlemleyin. boşluklar ~ 5 dakika içinde doldurulması gerekmektedir.
14. rBoşlukların etrafında aşırı hücre birikimleri temizlenmelidir yan, her bir doku kültürü çanağı eğim ve yavaşça kollajen jel yüzeyi üzerine hücre kültürü ortamında ul 400 ~ dağıtın. Her yıkama arasında mikroskop altında kolajen jelleri kontrol sıvı aspire ve yıkama 1-2 kez daha tekrarlayın.
15. fazla hücreler kolajen kalıp hücre dolu boşlukların etrafında temizlendikten sonra, 15 dakika boyunca 37 ° C'de bir hücre kültür inkübatörü içine doku kültür kaplarına yerleştirin. Ardından, cımbız kullanarak, yavaşça kollajen kaplı sınıf lamelleri ters ve lamelleri kollajen hücre dolu boşlukların üzerine bir kap oluşturduğu hücre dolu kollajen kalıpların üstüne koyun. 15 dakika boyunca 37 ° C'de inkübe edin.
16. Kollajen kapaklar hücre dolu kollajen kalıba yapıştırılır sonra, jeller üstüne cam lamel üzerinde yavaşça ~ 2-2.5 ml hücre kültür ortamı dağıtmak. Kültür 1-3 gün boyunca 37 ° C 'de örnekler.
    Not:24 saat ilk ekimden sonra epitel dokular, epidermal büyüme faktörü (EGF) veya dal uyarılması için hepatosit büyüme faktörü (HGF) gibi büyüme faktörleri ile muamele edilir.

4. İmmünofloresan ve Görüntü Analizi

1. Doku kültür kaplarından, hücre kültür ortamı aspire ve hücre-ihtiva eden jeller karşılamak için yeterli sabitleyici solüsyonu ekleyin. 200 rpm'de bir çalkalayıcıda 15 dakika oda sıcaklığında inkübe edin yemekler.
2. , Fiksatif aspire 1X PBS ile doku kültür kaplarına doldurun ve 200 rpm'de bir çalkalama 15 dakika oda sıcaklığında inkübe edin. Üç toplam yıkar iki kez tekrarlayın.
3. Doku kültürü çanak aspire PBS ve Hoechst çözümü ile değiştirin: çekirdekleri etiketlemek için. 15-20 dakika boyunca oda sıcaklığında inkübe edilir. FAK veya antikorlar ile saptanabilir başka marker için leke, 4.5 adıma geçin.
4. nükleer etiketleme çözeltisi aspire ve hücre-ihtiva eden g yıkamakAşama 4.2 olarak 1 x PBS ile üç kez kavuşmaktadır. Lekeli örnekler sonraki kullanıma kadar 4 ° C 'de 1 x PBS içinde saklanabilir.
5. , PBS aspire doku kültür kaplarından% 0.3 PBST 300 ul ve 15 dakika için oda sıcaklığında inkübe edilir örnek: ilgi konusu bir protein için leke için.
6. PBS aspire Blokaj tamponu ile jeller kapak ve ~ 4 saat boyunca oda sıcaklığında bir çalkalama (200 rpm) üzerinde inkübe edin.
7. Aspire bloke tamponu, primer antikor çözeltisi ile jeller kapağı ve 4 ° C'de bir gece 200 rpm'de bir çalkalama üzerinde inkübe edin.
8. Primer antikor çözeltisi aspire% 0.3 PBST solüsyonu ekleyin ve 30 dakika için oda sıcaklığında 200 rpm'de bir çalkalama üzerinde inkübe edin. PBST aspire ve 3-4 saat süreyle her 30 dakikada bir tekrarlayınız.
9. Tekrarlayın 4.7 ve 4.8, ikincil antikor çözeltisi ile inkübe bu kez yineleyin. İkincil antikor photobleaching önlemek için alüminyum folyo ile doku kültür tabaklarında sarın. fina sonraL yıkama, lekeli numuneler sonraki kullanıma kadar 4 ° C 'de 1 x PBS içinde saklanabilir.
10. Örnekleri görselleştirmek için, epitel dokuda midplane odaklanmış bir 10X / 0.30 NA objektif kullanın.
11. Hücre çekirdekleri, UV aydınlatma altında 10X / 0.30 NA objektif kullanarak bir nükleer işaretleyici ile etiketlenmiş görüntü sabit örnekleri görselleştirmek için.
12. Ters bir floresan mikroskopu üzerinde bir 10X / 0.30 NA objektif kullanılarak ilgi konusu bir protein, görüntü için boyandı örnekleri görselleştirmek için.
13. aynı ilk geometri birçok dokuda (tipik olarak 50 veya daha fazla) protein boyama frekans haritalar oluşturmak için, ilk ithalat standart görüntü analiz yazılımı kullanarak her görüntü (Malzeme) ve 8-bit gri tonlama onları dönüştürmek.
14. Bu görüntülerin eşik için, gri tonlama kesme noktası tanımlayarak ikili (yani, yarım ton / siyah ve beyaz) onları dönüştürmek; eşiğin altına gri tonlama değerleri siyah olur ve eşiğin üstünde o beyaz olur. Daha sonra, kombinetek bir görüntü yığını içine bireysel ikili görüntülerin her.
15. Sonraki yığılmış görüntüleri kayıt (yani hizalamak veya onları maç) analiz yazılımı. Birçok görüntü analiz yazılımı paketleri serbestçe kullanılabilir kayıt eklentisi ile geliyor.
    1. sonraki görüntüye uyum için bir şablon olarak bir yığın her görüntü kullanın, tüm yığın görüntüleri yayılması ile hizalanır şekilde. Son olarak, bindirme (proje) ortalama yoğunluğuna dayalı hizalanmış görüntü yığınında görüntüleri piksel frekansı harita ile tek bir görüntü oluşturmak için. Bu görüntü daha sonra renk kodlu seçim ^10,11 görüntü düzenleme yazılımını kullanarak olabilir.

Sonuçlar

Meme epitelyal dokusu mikroimalat genel şematik

Deneysel çalışma akışını özetleyen mikroimalat prosedürünün genel şematik Şekil 1'de gösterilmiştir. Sonuçta tamamen bir ECM jel içinde gömülü olan özdeş geometri ve aralık epitel dokuda bir dizidir. Temsili deney I, 4 mg / ml bir konsantrasyonda kolajen sığır türü bir jel içinde kültürlenmiş EpH4 fare meme epitelyal hücreleri kullanılmakta...

Tartışmalar

The protocol described above outlines a method to produce identical epithelial tissues of pre-defined shape, enabling spatial control of the mechanical stress experienced by cells in the tissue. An elastomeric mold is used to create cavities in type I collagen that are then filled with epithelial cells and covered with an additional collagen layer such that cells are completely encapsulated in a 3D collagen matrix environment. Further culture of these tissues and treatment with growth factors to induce branching from the...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Ellsworth Adhesives	Sylgard 184
PDMS curing agent	Ellsworth Adhesives	Sylgard 184
Lithographically patterned silicon master	self-made	N/A
Plastic weigh boat	Fisher Scientific	08-732-115
100-mm-diameter Petri dishes	BioExpress	D-2550-2
Ethyl Alcohol 200 Proof	Pharmco-Aaper	111000200	Make a 70% EtOH (v:v) solution by mixing with dH2O
Razor blade	American Safety Razor	620179
1:1 Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium : Ham’s F12 Nutrient Mixture (DMEM/F12) (1:1)	Hyclone	SH30023FS
Fetal Bovine Serum (FBS)	Atlanta Biologicals	S11150H
10x Hank’s balanced salt solution (HBSS)	Life Technologies	14185-052
Insulin	Sigma Aldrich	I6634-500MG
Gentamicin	Life Technologies	15750-060
10x Phosphate-buffered saline (PBS)	Fisher Scientific	BP399-500
Sodium hydroxide (NaOH)	Sigma Aldrich	221465-500G
Bovine type I collagen (non-pepsinized)	Koken	IAC-50
Albumin from bovine serum (BSA)	Sigma Aldrich	A-7906
Curved stainless steel tweezers	Dumont	7
35-mm-diameter tissue culture dishes	BioExpress	T-2881-6
15 ml conical tubes	BioExpress	C-3394-2
1.5 ml Eppendorf Safe-Lock Tube	USA Scientific	1615-5500
Circular #1 glass coverslips, 15-mm in diameter	Bellco Glass Inc.	Special order
0.05% 1x Trypsin-EDTA	Life Technologies	25300-054
Paraformaldehyde	VWR	100503-916
Triton X-100	Perkin Elmer	N9300260	Detergent
HGF	Sigma Aldrich	H 9661	Resuspended in dH2O at 50 mg/ml
Rabbit anti-mouse FAK antibody	Life Technologies	AMO0672
Goat anti-rabbit Alexa 488 antibody	Life Technologies	A-11034
Adobe Photoshop	Adobe	N/A	Used for color-coding pixel frequency maps.
FIJI (ImageJ)	NIH	N/A	Free image analysis software used for thresholding, registering, and overlaying images to create a pixel frequency map. The StackReg plugin was used for registering binary images.