Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Bu çalışma, kendi kendini iyileştiren tavlanabilir parçacık-hücre dışı matris kompozitleri içindeki nöral kök hücrelerin serbest biçimli gömülü 3D baskısı için bir protokolü açıklamaktadır. Protokol, birbirine bağlı insan sinir dokusu yapılarının yüksek doğrulukla programlanabilir modellenmesini sağlar.
Granüler bir destek ortamı içindeki hücrelerin gömülü 3D baskısı, son on yılda yumuşak doku yapılarının serbest biçimli biyofabrikasyonu için güçlü bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, granüler jel formülasyonları, büyük miktarlarda hidrojel mikropartiküllerinin uygun maliyetli bir şekilde üretilmesine izin veren sınırlı sayıda biyomalzeme ile sınırlandırılmıştır. Bu nedenle, granüler jel destek ortamı genellikle doğal hücre dışı matriste (ECM) bulunan hücre yapıştırıcı ve hücre öğretici fonksiyonlardan yoksundur.
Bunu ele almak için, kendi kendini iyileştiren tavlanabilir parçacık-hücre dışı matris (SHAPE) kompozitlerinin üretimi için bir metodoloji geliştirilmiştir. SHAPE kompozitleri, birlikte hem programlanabilir yüksek doğrulukta baskıya hem de ayarlanabilir biyofonksiyonel hücre dışı ortama izin veren granüler bir fazdan (mikrojeller) ve sürekli bir fazdan (viskoz ECM çözeltisi) oluşur. Bu çalışma, geliştirilen metodolojinin insan sinir yapılarının hassas biyofabrikasyonu için nasıl kullanılabileceğini açıklamaktadır.
İlk olarak, SHAPE kompozitlerinde granüler bileşen olarak görev yapan aljinat mikropartikülleri üretilir ve kollajen bazlı sürekli bir bileşenle birleştirilir. Daha sonra, insan nöral kök hücreleri destek materyalinin içine basılır, ardından desteğin tavlanması takip edilir. Basılı yapılar, basılı hücrelerin nöronlara farklılaşmasına izin vermek için haftalarca korunabilir. Aynı zamanda, kollajen sürekli fazı aksonal büyümeye ve bölgelerin birbirine bağlanmasına izin verir. Son olarak, bu çalışma, 3D baskılı insan sinir yapılarını karakterize etmek için canlı hücre floresan görüntüleme ve immünositokimyanın nasıl gerçekleştirileceği hakkında bilgi sağlar.
Yumuşak dokuları in vitro olarak taklit eden hücre yüklü hidrojel yapıların hassas ve programlanabilir 3D baskısı büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Örneğin, yumuşak hidrojellerin doğrudan ekstrüzyonuna dayanan girişimler doğası gereği sorunludur, çünkü in vivo mikroçevreyi özetlemek için gereken zayıf mekanik özellikler yapısal bütünlük eksikliğine, önceden tanımlanmış özelliklerin deformasyonlarına veya fabrikasyon yapıların tamamen çökmesine neden olur. Bu sorun için geleneksel bir geçici çözüm, son yapının şeklini korumasını sağlayan daha sert bir biyouyumlu malzemeden destekleyici bir iskele basmaktır. Bununla birlikte, bu yaklaşım tasarım olanaklarını büyük ölçüde sınırlar ve bitişik mürekkeplerin dikkatli bir şekilde reolojik ince ayarını gerektirir.
Geleneksel katman katman ekstrüzyon tabanlı 3D baskının sınırlamalarının üstesinden gelmek için, gömülü 3D baskı son yıllarda yumuşak malzeme ve doku üretimiiçin güçlü bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır 1,2,3,4,5,6. Mürekkebi bir yüzeyin üstündeki ortam havasında ekstrüzyon yapmak yerine, mürekkep doğrudan istirahatte katı benzeri olan bir destek banyosunun içindeki bir şırınga iğnesi aracılığıyla biriktirilir, ancak yumuşak hücre yüklü malzemenin hassas bir şekilde birikmesini sağlamak için hareketli iğne ucunun etrafında geri dönüşümlü olarak akışkanlaşır. Biriken malzeme, iğnenin ardından destek yeniden katılaştığı için yerinde tutulur. Bu nedenle, gömülü 3D baskı, genişletilmiş tasarım olanakları 7,8 ile yumuşak biyomalzemelerden karmaşık yapıların yüksek çözünürlüklü serbest biçimli üretimine izin verir.
Granüler jeller, gömülü 3D baskı için destek banyo malzemeleri olarak kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır, çünkü düşük verim gerilimlerinde pürüzsüz, lokalize ve geri dönüşümlü katıdan sıvıya geçişler sergilemek üzere formüle edilebilirler9,10,11. Yüksek çözünürlüklü baskı için mükemmel reolojik özellikler gösterirken, granüler jeller bir avuç biyomalzeme ile sınırlandırılmıştır12. Granüler jel formülasyonlarındaki çeşitlilik eksikliği, özellikle dökme hidrojel formülasyonları için mevcut olan çok çeşitli biyomalzemeler göz önüne alındığında belirgindir, basit kimyasallar kullanılarak çok sayıda mikrojelin uygun maliyetli bir şekilde üretilmesi ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Granüler jel desteklerinin sınırlı biyomateryal manzarası nedeniyle, baskı desteği tarafından sağlanan hücre dışı mikro ortamın ayarlanması sahada bir zorluk oluşturmaktadır.
Son zamanlarda, kendi kendini iyileştiren tavlanabilir parçacık-hücre dışı matris (SHAPE) kompozitleri13 olarak adlandırılan gömülü 3D baskı desteklerinin üretimi için modüler bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yaklaşım, granüler jellerin farklı reolojik özelliklerini, dökme hidrojel formülasyonlarının biyofonksiyonel çok yönlülüğü ile birleştirir. Sunulan SHAPE kompozit desteği, viskoz kollajen bazlı ECM ön jel çözeltisi (sürekli faz, ~% 30 hacim fraksiyonu) ile doldurulmuş artırılmış bir interstisyel alana sahip paketlenmiş aljinat mikropartiküllerinden (granüler faz, ~% 70 hacim fraksiyonu) oluşur. Ayrıca, SHAPE desteğinin, destek banyosunun tavlanmasından sonra nöronlara farklılaştırılabilen ve fonksiyonel olgunlaşmaya ulaşmak için haftalarca muhafaza edilebilen insan nöral kök hücrelerinin (hNSC'ler) yüksek çözünürlüklü birikimini kolaylaştırdığı gösterilmiştir. SHAPE destek banyosunun içine gömülü 3D baskı, çok yönlü bir platform sağlarken, sinir dokusu biyofabrikasyonu için geleneksel tekniklerle ilgili bazı önemli sınırlamaların üstesinden gelir.
Bu çalışma, SHAPE desteğinin içindeki hNSC'lerin gömülü 3D baskısı ve daha sonra fonksiyonel nöronlara farklılaşması için adımları detaylandırmaktadır (Şekil 1). İlk olarak, aljinat mikropartikülleri iç jelasyon sırasında kesme yoluyla üretilir. Bu yaklaşım, özel ekipmanlara ve sitotoksik reaktiflere ihtiyaç duymadan büyük hacimli mikropartiküllerin kolayca üretilmesini sağlar. Ayrıca, aljinat, çeşitli hücre tipleri için biyouyumlu hidrojel substratlarının oluşumu için yaygın olarak bulunan ve ekonomik bir malzeme kaynağıdır. Üretilen aljinat mikropartikülleri, SHAPE kompozit destek malzemesini oluşturmak için bir kollajen çözeltisi ile birleştirilir. Daha sonra, hNSC'ler toplanır ve 3D baskı için hücresel bir biyomürekkep olarak bir şırıngaya yüklenir. SHAPE kompozitinin içindeki hNSC'lerin ekstrüzyon tabanlı gömülü baskısı için bir 3D biyoyazıcı kullanılır. 3D baskılı hücreler, mekansal olarak tanımlanmış ve işlevsel insan sinir yapılarına yol açmak için nöronlara farklılaştırılır. Son olarak, protokol, üretilen doku yapılarının canlı hücre görüntüleme ve immünositokimya kullanılarak nasıl karakterize edilebileceğini açıklar. Ayrıca, optimizasyon ve sorun giderme için ipuçları sağlanmaktadır. Özellikle, granüler ve sürekli fazların hem bileşenleri, nöral uygulamaların ötesindeki diğer hücre ve doku tiplerinin gerektirdiği gibi, farklı biyofonksiyonel moieties, mekanik özellikler ve çapraz bağlama mekanizmalarını barındırmak için diğer hidrojel formülasyonları ile değiştirilebilir.
1. Tamponların ve reaktiflerin hazırlanması
2. SHAPE kompozit malzeme hazırlama
3. hNSC kültürü ve biyomürekkep hazırlama
4. Gömülü 3D baskı
5. Canlı hücre floresan görüntüleme
6. İmmünositokimya
İç jelasyon sırasında kesme inceltme yoluyla aljinat mikrojel preparasyonu ve ardından mekanik parçalanma, Şekil 2G'de görüldüğü gibi boyut olarak polidağılmış ve pul benzeri şekilli aljinat mikrojelleri verir. Bu düzensiz parçacıkların boyutu 1 μm'den az ila yaklaşık 40 μm çap arasında değişmektedir. Sıkıca paketlendiğinde, mikropartiküller, karşılık gelen hücre kültürü ortamından sadece biraz daha opak olan şeffaf bir dökme malzeme oluşt...
SHAPE kompozit malzeme yaklaşımı, hücresel mürekkeplerin gömülü 3D baskısı için tavlanabilir ve biyofonksiyonel destek banyolarının formülasyonu için çok yönlü bir yol sağlar. Bu protokol, nöral yapıların 3D baskısına bir örnek sunarken, SHAPE araç kutusu, bir dizi hedef doku tipinin hassas mühendisliği için diğer hücre kaynaklarıyla biyofabrikasyona kolayca uyarlanabilir. Baskı yaklaşımı ayrıca, etkileşimlerini incelemek veya hücresel bölmelerin (örneğin, nöronlar ve glial hüc...
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Araştırma öncelikle Marie Skłodowska-Curie İlk Eğitim Ağı ve 676408 No'lu Hibe Anlaşması kapsamında BrainMatTrain Avrupa Birliği Horizon 2020 Programı (No. H2020-MSCA-ITN-2015) tarafından finanse edildi. C.R. ve J.U.L., destekleri için Lundbeck Vakfı'na (R250-2017-1425) ve Danimarka Bağımsız Araştırma Fonu'na (8048-00050) minnetle teşekkür eder. OpenMIND'101047177 HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 Projesi için sağlanan finansmanı minnetle kabul ediyoruz.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL Gastight Syringe 1001 TLL | Hamilton | 81320 | |
3DDiscovery 3D bioprinter | RegenHU | ||
Acetic acid | Sigma-Aldrich | A6283 | |
AlbuMAX | ThermoFisher | 11020021 | |
Alexa Fluor 488 secondary antibody | ThermoFisher | A-11001 | Goat anti-Mouse |
Blunt Needle, Sterican (21 G) | Braun | 9180109 | |
Blunt Needle (27 G) | Cellink | NZ5270505001 | |
BioCAD software | SolidWorks | ||
Calcein AM | ThermoFisher | 65-0853-39 | |
Calcium carbonate | Sigma-Aldrich | C5929 | |
Dibutyryl-cAMP sodium salt | Sigma-Aldrich | D0627 | |
Cultrex Rat Collagen I (5 mg/mL) | R&D Systems | 3440-100-01 | |
DAPI | ThermoFisher | 62248 | |
DMEM/F-12, GlutaMAX | ThermoFisher | 10565018 | |
Donkey serum | Sigma-Aldrich | D9663 | |
DPBS | ThermoFisher | 14190094 | |
EGF | R&D Systems | 236-EG | |
FGF | R&D Systems | 3718-FB | |
Formaldehyde solution 4%, buffered, pH 6.9 | Sigma-Aldrich | 100496 | |
GDNF | R&D Systems | 212-GD | |
Geltrex | ThermoFisher | A1569601 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
HEPES Buffer (1 M) | ThermoFisher | 15630080 | |
L-Alanine | Sigma-Aldrich | 5129 | |
L-Asparagine monohydrate | Sigma-Aldrich | A4284 | |
L-Aspartic acid | Sigma-Aldrich | A9256 | |
L-Glutamic acid | Sigma-Aldrich | G1251 | |
L-Proline | Sigma-Aldrich | P0380 | |
Magnetic stirrer RET basic | IKA | 3622000 | |
N-2 Supplement | ThermoFisher | 17502048 | |
Penicillin-Streptomycin | ThermoFisher | 15140122 | |
S25N-10G dispersing tool | IKA | 4447100 | |
Sodium Alginate (80-120 cP) | FUJIFILM Wako | 194-13321 | |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881 | |
T18 Digital ULTRA-TURAX homogenizer | IKA | 3720000 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
Trypsin/EDTA Solution | ThermoFisher | R001100 | |
TUBB3 antibody | BioLegend | 801213 | Mouse |
Xanthan gum | Sigma-Aldrich | G1253 |
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