Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Bu protokol, biyolojik dokuları uyarmak için kullanılan hem elektriksel hem de manyetik uyarıcılar oluşturmak için adım adım süreci açıklar. Protokol, hesaplamalı olarak elektrik ve manyetik alanları simüle etmek ve uyarıcı cihazların üretimini simüle etmek için bir kılavuz içerir.
Elektrik alanları (EF'ler) ve manyetik alanlar (MF'ler) doku mühendisliği tarafından çoğalma, göç, farklılaşma, morfoloji ve moleküler sentez gibi hücre dinamiklerini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, hücreleri, dokuları veya iskeleleri uyarırken uyaran gücü ve stimülasyon süreleri gibi değişkenlerin göz önünde bulundurulması gerekir. EF'lerin ve MF'lerin hücresel yanıta göre değiştiği göz önüne alındığında, biyolojik örnekleri uyarmak için yeterli biyofiziksel uyaran üreten cihazların nasıl oluşturulanınğı belirsizliğini korumaktadır. Aslında, biyofiziksel uyaranlar uygulandığında hesaplama ve dağılımla ilgili kanıt eksikliği vardır. Bu protokol, EF'ler ve MF'ler üretecek cihazların tasarımı ve üretimine ve biyolojik numunelerin içindeki ve dışındaki biyofiziksel uyaran dağılımını tahmin etmek için bir hesaplama metodolojisinin uygulanmasına odaklanmıştır. EF cihazı, biyolojik kültürlerin üst ve alt kısmında bulunan iki paralel paslanmaz çelik elektrotlardan oluşuyordu. Elektrotlar, 60 kHz'de voltaj (50, 100, 150 ve 200 Vp-p) üretmek için bir osilatörüne bağlandı. MF cihazı, 60 Hz'de bir akım (1 A) ve voltaj (6 V) oluşturmak için bir transformatörle enerjilendirilmiş bir bobinden oluşuyordu. Bobinin ortasındaki biyolojik kültürleri bulmak için bir polimetil methakrilat desteği inşa edildi. Hesaplamalı simülasyon, EF'lerin ve MF'lerin biyolojik dokuların içinde ve dışında homojen dağılımını aydınlattı. Bu hesaplamalı model, hücresel bir yanıt elde etmek için EF'leri ve MF'leri tahmin etmek için voltajlar, frekanslar, doku morfolojileri, kuyu plaka tipleri, elektrotlar ve bobin boyutu gibi parametreleri değiştirebilen umut verici bir araçtır.
EF'lerin ve MF'lerin hücre dinamiklerini değiştirdiği, çoğalmasını teşvik ettiği ve dokuların hücre dışı matrisi ile ilişkili ana moleküllerin sentezini artırdığı gösterilmiştir1. Bu biyofiziksel uyaranlar belirli ayarlar ve cihazlar kullanılarak farklı şekillerde uygulanabilir. EF'ler üretecek cihazlarla ilgili olarak, doğrudan kavrama stimülatörleri, biyolojik örneklerle temas halinde olan veya doğrudan hastaların ve hayvanların dokularına yerleştirilen elektrotları kullanır2; bununla birlikte, temas eden elektrotlar tarafından yetersiz biyouyumbilite, pH ve moleküler oksijen seviyelerinde değişiklikler içeren sınırlamalar ve eksiklikler hala vardır1. Aksine, dolaylı kavrama cihazları, biyolojik örneklere paralel olarak yerleştirilen iki elektrot arasında EF'ler oluşturur3Biyolojik örnekleri uyarmak ve dokular ile elektrotlar arasında doğrudan temastan kaçınmak için invaziv olmayan bir alternatif teknik sağlar. Bu tür bir cihaz, hastaya en az invazyonla işlem yapmak için gelecekteki klinik uygulamalara tahmin edilebilir. MF üreten cihazlarla ilgili olarak, endüktif kavrama stimülatörleri, hücre kültürleri etrafında bulunan bir bobinden akan zaman değişen bir elektrik akımı oluşturur4,5. Son olarak, geçici elektromanyetik alanlar oluşturmak için EF'ler ve statik MF'ler kullanan birleşik cihazlarvardır 1. Biyolojik örnekleri uyarmak için farklı konfigürasyonlar olduğu göz önüne alındığında, biyofiziksel uyaranlar uygulandığında gerginlik ve frekans gibi değişkenleri göz önünde bulundurmak gerekir. Voltaj, biyolojik dokuların davranışını etkilediği için önemli bir değişkendir; örneğin, hücre geçişi, yönelim ve gen ekspresyonunun uygulanan voltaj 3 , 6 , 7,8,9,10genliğine bağlı olduğu gösterilmiştir. Frekans, biyofiziksel stimülasyonda önemli bir rol oynar, çünkü bunların in vivo olarak doğal olarak meydana geldiği kanıtlanmıştır. Yüksek ve düşük frekansların hücreler üzerinde yararlı etkileri olduğu gösterilmiştir; özellikle hücre içi membran gerilim kapılı kalsiyum kanallarında veya endoplazmik retikulumda, hücre içi seviye1, 7 , 11'defarklı sinyal yollarınıtetikler.
Yukarıda belirtilenlere göre, EF üretmek için bir cihaz iki paralel kapasitöre bağlı bir voltaj jeneratörüoluşur 12. Bu cihaz Armstrong ve arkadaşları tarafından hem proliferatif oranı hem de kondrositlerin moleküler sentezini uyarmak için uygulandı13. Bu cihazın bir uyarlaması, üst ve alt kapaklarını delerek hücre kültürü kuyu plakalarını değiştiren Brighton ve ark. Delikler, alt camların biyolojik dokuları kültüre etmek için kullanıldığı kapak kaydırakları ile dolduruldu. EFs14oluşturmak için her kapak kaydırağından elektrotlar yerleştirildi. Bu cihaz, hücre çoğalmasında14, 15 , 16ve moleküler sentez 3,17'debir artış göstererek kondrositleri, osteoblastları ve kıkırdak eksplantlarını elektriksel olarak uyarmak için kullanılmıştır. Hartig ve arkadaşları tarafından tasarlanan cihaz, paralel kapasitörlere bağlı bir dalga jeneratörü ve bir voltaj amplifikatöründen oluşuyordu. Elektrotlar, bir yalıtım kasasında bulunan yüksek kaliteli paslanmaz çeliktan yapılmıştır. Cihaz, çoğalma ve protein salgısında önemli bir artış göstererek osteoblastları uyarmak için kullanıldı18. Kim ve arkadaşları tarafından kullanılan cihaz, yüksek voltajlı metal oksitin tamamlayıcı yarı iletkenlerinin üretim süreci kullanılarak üretilen bifazik akım uyarıcı çipten oluşuyordu. Bir kültür kuyusu, elektriksel stimülasyon ile iletken bir yüzey üzerindeki hücreleri kültüre etmek için tasarlanmıştır. Elektrotlar silikon plakalar üzerinde altınla kaplandı19. Bu cihaz osteoblastları uyarmak için kullanıldı, çoğalma ve vasküler endotel büyüme faktörü19sentezinde bir artış gösterdi ve alkali fosfataz aktivitesi, kalsiyum birikimi ve kemik morfojenik proteinlerin üretimini teşviketti 20. Benzer şekilde, bu cihaz insan kemik iliği mezenkimal kök hücrelerinin vasküler endotel büyüme faktörünün proliferatif oranını ve ekspresyonunun uyarılması için kullanılmıştır21. Nakasuji ve ark. tarafından tasarlanan cihaz platin plakalara bağlı bir gerilim jeneratöründen oluşuyordu. Elektrotlar, 24 farklı noktadaki elektrik potansiyelini ölçmek için üretildi. Bu cihaz, EF'lerin hücre morfolojisini değiştirmediğini ve çoğalma ve moleküler sentezi artırdığını gösteren kondrositleri uyarmak için kullanıldı22. Au ve arkadaşları tarafından kullanılan cihaz, platin telli bir kardiyak uyarıcıya bağlı iki karbon çubukla donatılmış bir cam odadan oluşuyordu. Bu uyarıcı, kardiyomiyositleri ve fibroblastları uyarmak, hücre uzamasını ve fibroblast hizalamasını iyileştirmek için kullanılmıştır23.
Çeşitli biyolojik numune türlerini uyarmak için Helmholtz bobinlerine dayalı farklı MF cihazları üretilmiştir. Örneğin, Helmholtz bobinleri,24 , 25kondrositlerinin çoğalmasını ve moleküler sentezini teşviketmek,eklem kıkırdağı eksplantlarının proteoglikan sentezinigeliştirmek,osteoblast benzeri hücrelerin kemik oluşumu ile ilgili gen yükseltmesini iyileştirmek27ve endotel hücrelerinin çoğalmasını ve moleküler ekspresyonunu artırmak için kullanılmıştır28. Helmholtz bobinleri, biri diğerinin önünde bulunan iki bobin boyunca MF'ler üretir. Bobinler, homojen bir MF sağlamak için bobinlerin yarıçapına eşit bir mesafe ile yerleştirilmelidir. Helmholtz bobinlerini kullanmanın dezavantajı bobin boyutlarında yatmaktadır, çünkü gerekli MF yoğunluğunu oluşturacak kadar büyük olmaları gerekir. Ek olarak, MF'lerin biyolojik dokular etrafında homojen bir dağılımını sağlamak için bobinler arasındaki mesafe yeterli olmalıdır. Helmholtz bobinlerinin neden olduğu sorunları önlemek için, solenoid bobinlerin üretimine farklı çalışmalar odaklanmıştır. Solenoid bobinler, MF üretmek için bakır tel ile yaralanan bir tüpe dayanır. Bakır tel girişleri doğrudan prize veya bobine enerji vermek ve solenoidin merkezinde MF'ler oluşturmak için bir güç kaynağına bağlanabilir. Bobin ne kadar çok dönüşe sahip olursa, MF o kadar büyük bir üretim oluşturur. MF büyüklüğü ayrıca bobine enerji vermek için uygulanan voltaj ve akıma bağlıdır29. Solenoid bobinler HeLa, HEK293 ve MCF730 veya mezenkimal kök hücreler31gibi manyetik olarak farklı hücre türlerini uyarmak için kullanılmıştır.
Farklı yazarlar tarafından kullanılan cihazlar, hem EF'leri hem de MF'leri homojen bir şekilde dağıtmak için yeterli elektrot boyutunu veya bobinin doğru uzunluğunu dikkate almamıştır. Ayrıca, cihazlar belirli biyolojik dokuları uyarmak için kullanımlarını sınırlayan sabit voltajlar ve frekanslar üretir. Bu nedenle, bu protokolde, EF'lerin ve MF'lerin biyolojik numuneler üzerinde homojen dağılımını sağlamak için hem kapasitif sistemleri hem de bobinleri simüle etmek için bir hesaplama simülasyon kılavuzu gerçekleştirilir ve kenar etkisinden kaçınılır. Ek olarak, elektronik devrelerin tasarımının elektrotlar ve bobin arasında voltaj ve frekans oluşturduğu, hücre kültürü kuyu plakalarının ve havanın empedansının neden olduğu sınırlamaların üstesinden gelecek EF'ler ve MF'ler oluşturduğu gösterilmiştir. Bu değişiklikler, herhangi bir biyolojik dokuyu uyarmak için non-invaziv ve adaptif biyoreaktörlerin oluşturulmasına izin verecektir.
1. EF ve MF simülasyonları
NOT: COMSOL Multifizik'te EF ve MF simülasyonları gerçekleştirildi.
2. Elektriksel ve manyetik stimülasyon cihazlarının tasarımı ve imalatı
Hesaplamalı simülasyon
EF ve MF dağıtımları Şekil 3'tegösterilmiştir. Bir yandan, EF'lerin kapasitif sistemde homojen dağılımını gözlemlemek mümkündü (Şekil 3A). EF, biyolojik numunenin içindeki alanın büyüklüğünü ayrıntılı olarak gözlemlemek için çizilmiştir (Şekil 3B). Bu simülasyon, elektrotların boyutunu parametrize etmek ve kenar etkisini önlemek için üretmek için yar...
İnsan dokularını etkileyen farklı patolojileri iyileştirmek için kullanılan tedaviler farmakolojik tedaviler32 veya cerrahi müdahaleler 33 Ağrıyı lokal olarak hafifletmeye veya etkilenen dokuları eksplant veya nakillerle değiştirmeye çalışan33. Son zamanlarda, otolog hücre tedavisi, hücrelerin hastadan izole edildiği ve in vitro tekniklerle genişletildiği yaralı dokuların tedavi edilmesi için alternatif bir tedavi olarak önerilmiştir
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Yazarlar tarafından sağlanan mali desteğe teşekkür eder "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" ve Universidad Nacional de Colombia 80740-290-2020 sayılı hibe ve valteam Tech - Research and Innovation tarafından videonun baskısında ekipman ve teknik destek sağlamak için alınan destek aracılığıyla.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Electrical stimulator | |||
Operational amplifier | Motorola | LF-353N | ---- Quantity: 1 |
Resistors | ---- | ---- | 22 kΩ Quantity: 1 |
Resistors | ---- | ---- | 10 kΩ Quantity: 3 |
Resistors | ---- | ---- | 2.6 kΩ Quantity: 2 |
Resistors | ---- | ---- | 2.2 kΩ Quantity: 1 |
Resistors | ---- | ---- | 1 kΩ Quantity: 1 |
Resistors | ---- | ---- | 220 Ω Quantity: 2 |
Resistors | ---- | ---- | 22 Ω Quantity: 5 |
Resistors | ---- | ---- | 10 Ω Quantity: 1 |
Resistors | ---- | ---- | 6.8 Ω Quantity: 1 |
Resistors | ---- | ---- | 3.3 Ω Quantity: 2 |
Polyester capacitors | ---- | ---- | 1 nF Quantity: 2 |
Polyester capacitors | ---- | ---- | 100 nF Quantity: 1 |
VHF Band Amplifier Transistor JFET | Toshiba | 2SK161 | ---- Quantity: 1 |
Power transistor BJT NPN | Mospec | TIP 31C | ---- Quantity: 1 |
Zener diode | Microsemi | 1N4148 | ---- Quantity: 1 |
Switch | Toogle Switch | SPDT - T13 | ---- Quantity: 3 |
Toroidal ferrite core | Caracol | ---- | T*22*14*8 Quantity: 1 |
Cooper wire | Greenshine | ---- | AWG – 24 Quantity: 1 |
Relimate header with female housing | ADAFRUIT | ---- | 8 pin connectors Quantity: 1 |
Relimate header with female housing | ADAFRUIT | ---- | 2 pin connectors Quantity: 1 |
Female plug terminal connector | JIALUN | ---- | 4mm Lantern Plugs (Plug + Socket) 15 A Quantity: 1 |
Aluminum Heat Sink | AWIND | ---- | For TIP 31C transistor Quantity: 1 |
Led | CHANZON | ---- | 5 mm red Quantity: 1 |
Integrated circuit socket connector | Te Electronics Co., Ltd. | ---- | Double row 8-pin DIP Quantity: 1 |
3 pin connectors set | STAR | ---- | JST PH 2.0 Quantity: 3 |
2 pin screw connectors | STAR | ---- | For PCB Quantity: 1 |
3 pin screw connectors | STAR | ---- | For PCB Quantity: 1 |
Banana connector test lead | JIALUN | ---- | P1041 - 4 mm - 15 A Quantity: 7 |
Bullet connectors to banana plug charge lead | JIALUN | ---- | 4 mm male-male/female-female adapters - 15 A Quantity: 1 |
Case | ---- | ---- | ABS Quantity: 1 |
Electrodes | ---- | ---- | Stainless – steel Quantity: 2 |
Electrode support | ---- | ---- | Teflon Quantity: 2 |
Printed circuit board | Quantity: 1 | ||
Magnetic stimulator | |||
Cooper wire | Greenshine | ---- | AWG – 18 Quantity: 1 |
AC power plugs | ---- | ---- | 120 V AC – 60 Hz Quantity: 1 |
Banana female connector test lead | JIALUN | ---- | 1Set Dual Injection - 4 mm – 15 A Quantity: 2 |
Banana male connector test lead | JIALUN | ---- | 1Set Dual Injection - 4 mm 15 A Quantity: 1 |
Cell culture well plate support | ---- | ---- | PMMA Quantity: 1 |
Fuse | Bussmann | 2A | ---- Quantity: 1 |
Transformer | ---- | ---- | 1A – 6 V AC Quantity: 1 |
Tube | ---- | ---- | PVC Quantity: 1 |
Variable rheostat | MCP | BXS150 | 10 Ω Quantity: 1 |
General equipment | |||
Digital dual source | PeakTech | DG 1022Z | 2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo Quantity: 1 |
Digital Oscilloscope | Rigol | DS1104Z Plus | 100 MHz, bandwidth, 4 channels Quantity: 1 |
Digital multimeter | Fluke | F179 | Voltage CC – CA (1000 V). Current CC – CA 10 A. Frequency 100 kHz Quantity: 1 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır