Name: 3d cell-printed hypoxic cancer-on-a-chip for recapitulating pathologic progression of solid cancer
Uploaded: 2021-01-05T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about 3D Cell-Printed Hypoxic Cancer-on-a-Chip for Recapitulating Pathologic Progression of Solid Cancer at JoVE.com

Denne forskning blev støttet af National Research Foundation of Korea (NRF) finansieret af Undervisningsministeriet (nr. 2020R1A6A1A03047902 og NRF-2018H1A2A1062091) og Korea-regeringen (MSIT) (nr. NRF-2019R1C1C1009606 og NRF-2019R1A3A3005437).

1. Computersimulering af iltgradientdannelse
<ol><li>
Generation af en 3D-geometrimodel til hypoksisk kræft-on-a-chip-udskrivning
	<ol>
<li>Kør en 3D CAD-software.</li>
		<li>Skitse geometri model af hypoksisk kræft-on-a-chip. Klik på Skitse og vælg det ønskede plan for at tegne geometrien. Se tegningen (Figur 2A) for detaljeskalaen for hver del.</li>
		<li>Angiv geometriens tykkelse ved at klikke på Funktionsfremspringsbolig/-base....

<ol>
	<li>Jing, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+hypoxia+in+cancer+therapy+by+regulating+the+tumor+microenvironment.">Role of hypoxia in cancer therapy by regulating the tumor microenvironment.</a> Molecular Cancer. 18 (1), 157 (2019).</li><li>Al Tameemi, W., Dale, T. P., Al-Jumaily, R. M. K., Forsyth, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hypoxia-modified+cancer+cell+metabolism.">Hypoxia-modified cancer cell metabolism.</a> Frontiers in Cell and Developmental Biology. 7, 4 (2019).</li><li>Petrova, V., Annicchiarico-Petruzzelli, M., Melino, G., Amelio, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hypoxic+tumour+microenvironment.">The hypoxic tumour microenvironment.</a> Oncogenesis. 7 (1), 1-13 (2018).</li><li>Hockel, M., Vaupel, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tumor+hypoxia:+definitions+and+current+clinical,+biologic,+and+molecular+aspects.">Tumor hypoxia: definitions and current clinical, biologic, and molecular aspects.</a> Journal of the National Cancer Institute. 93 (4), 266-276 (2001).</li><li>Kim, H., Lin, Q., Glazer, P. M., Yun, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hypoxic+tumor+microenvironment+in+vivo+selects+the+cancer+stem+cell+fate+of+breast+cancer+cells.">The hypoxic tumor microenvironment in vivo selects the cancer stem cell fate of breast cancer cells.</a> Breast Cancer Research. 20 (1), 16 (2018).</li><li>Jeong, G. S., Lee, J., Yoon, J., Chung, S., Lee, S. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+lithography+for+fabricating+self-organizing+soft+micro-honeycomb+structures+with+ultra-high+aspect+ratios.">Viscoelastic lithography for fabricating self-organizing soft micro-honeycomb structures with ultra-high aspect ratios.</a> Nature Communications. 7 (1), 1-9 (2016).</li><li>Razian, G., Yu, Y., Ungrin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+large+numbers+of+size-controlled+tumor+spheroids+using+microwell+plates.">Production of large numbers of size-controlled tumor spheroids using microwell plates.</a> Journal of Visualized Experiments:JoVE. (81), e50665 (2013).</li><li>Nunes, A. S., Barros, A. S., Costa, E. C., Moreira, A. F., Correia, I. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+tumor+spheroids+as+in+vitro+models+to+mimic+in+vivo+human+solid+tumors+resistance+to+therapeutic+drugs.">3D tumor spheroids as in vitro models to mimic in vivo human solid tumors resistance to therapeutic drugs.</a> Biotechnology and Bioengineering. 116 (1), 206-226 (2019).</li><li>Wan, L., Neumann, C., LeDuc, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tumor-on-a-chip+for+integrating+a+3D+tumor+microenvironment:+chemical+and+mechanical+factors.">Tumor-on-a-chip for integrating a 3D tumor microenvironment: chemical and mechanical factors.</a> Lab on a Chip. 20 (5), 873-888 (2020).</li><li>Nam, H., Funamoto, K., Jeon, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cancer+cell+migration+and+cancer+drug+screening+in+oxygen+tension+gradient+chip.">Cancer cell migration and cancer drug screening in oxygen tension gradient chip.</a> Biomicrofluidics. 14 (4), 044107 (2020).</li><li>Palacio-Casta&#241;eda, V., Kooijman, L., Venzac, B., Verdurmen, W. P., Le Gac, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metabolic+switching+of+tumor+cells+under+hypoxic+conditions+in+a+tumor-on-a-chip+model.">Metabolic switching of tumor cells under hypoxic conditions in a tumor-on-a-chip model.</a> Micromachines. 11 (4), 382 (2020).</li><li>Ronaldson-Bouchard, K., Vunjak-Novakovic, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organs-on-a-chip:+a+fast+track+for+engineered+human+tissues+in+drug+development.">Organs-on-a-chip: a fast track for engineered human tissues in drug development.</a> Cell Stem Cell. 22 (3), 310-324 (2018).</li><li>Mi, S., Du, Z., Xu, Y., Sun, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+crossing+and+integration+between+microfluidic+technology+and+3D+printing+for+organ-on-chips.">The crossing and integration between microfluidic technology and 3D printing for organ-on-chips.</a> Journal of Materials Chemistry B. 6 (39), 6191-6206 (2018).</li><li>Yi, H. -. G., Lee, H., Cho, D. -. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+of+organs-on-chips.">3D printing of organs-on-chips.</a> Bioengineering. 4 (1), 10 (2017).</li><li>Yi, H. -. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bioprinted+human-glioblastoma-on-a-chip+for+the+identification+of+patient-specific+responses+to+chemoradiotherapy.">A bioprinted human-glioblastoma-on-a-chip for the identification of patient-specific responses to chemoradiotherapy.</a> Nature Biomedical Engineering. 3 (7), 509-519 (2019).</li><li>Kang, T. -. Y., Hong, J. M., Jung, J. W., Yoo, J. J., Cho, D. -. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+assessment+of+a+microfluidic+network+system+for+oxygen+transport+in+engineered+tissue.">Design and assessment of a microfluidic network system for oxygen transport in engineered tissue.</a> Langmuir. 29 (2), 701-709 (2013).</li><li>Woo Jung, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+effective+diffusivity+of+a+freeform+fabricated+scaffold+using+computational+simulation.">Evaluation of the effective diffusivity of a freeform fabricated scaffold using computational simulation.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135 (8), (2013).</li><li>Brown, A. C., De Beer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+stereolithography+(STL)+slicing+and+G-code+generation+algorithm+for+an+entry+level+3-D+printer.">Development of a stereolithography (STL) slicing and G-code generation algorithm for an entry level 3-D printer.</a> 2013 Africon (IEEE). , 1-5 (2013).</li><li>Shim, J. -. H., Lee, J. -. S., Kim, J. Y., Cho, D. -. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioprinting+of+a+mechanically+enhanced+three-dimensional+dual+cell-laden+construct+for+osteochondral+tissue+engineering+using+a+multi-head+tissue/organ+building+system.">Bioprinting of a mechanically enhanced three-dimensional dual cell-laden construct for osteochondral tissue engineering using a multi-head tissue/organ building system.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 22 (8), 085014 (2012).</li><li>Gillispie, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+methodologies+for+extrusion-based+bioink+printability.">Assessment methodologies for extrusion-based bioink printability.</a> Biofabrication. 12 (2), 022003 (2020).</li><li>Kim, B. S., Das, S., Jang, J., Cho, D. -. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Decellularized+extracellular+matrix-based+bioinks+for+engineering+tissue-and+organ-specific+microenvironments.">Decellularized extracellular matrix-based bioinks for engineering tissue-and organ-specific microenvironments.</a> Chemical Reviews. 120 (19), 10608-10661 (2020).</li></ol>

I denne undersøgelse beskriver vi fremstillingsprocessen for en hypoksisk kræft-on-a-chip baseret på 3D-celleudskrivningsteknologi. Dannelsen af den hypoksiske gradient i den designede chip blev forudsagt gennem computersimulationer. Det miljø, der kan fremkalde en heterogen hypoxisk gradient, blev gengivet gennem en simpel strategi, der kombinerer den 3D-printede gasgennemtrængelige barriere og glasdækslet. De hypoxi-relaterede patologiske træk ved glioblastoma, herunder pseudopalisade og en lille population af k...

Kræftmikromiljøet er en kritisk faktor, der driver kræftfremgang. Flere komponenter, herunder biokemiske, biofysiske og cellulære signaler, bestemmer kræftens patologiske træk. Blandt disse er hypoxi stærkt forbundet med kræft overlevelse, spredning og invasion1. På grund af den ubegrænsede vækst og opdeling af kræftceller, næringsstoffer og ilt er løbende udtømt, og en hypoxisk gradient genereres. Under forhold med lavt iltindhold aktiverer celler hypoxi-induktionsfaktor (HIF)-associeret molekylær kaskade. Denne proces fremkalder en nekrotisk kerne, udløser metaboliske ændringer og indleder blodkarhyperplasi og metastase2,3. Efterfølgende forårsager hypoxi i kræftceller ødelæggelsen af nærliggende normale væv. Desuden er hypoxi stærkt forbundet med den terapeutiske resistens af faste tumorer i multifaktorielle manerer. Hypoxi kan hæmme strålebehandlingen alvorligt, da strålefølsomhed er begrænset på grund af reaktiv iltart1,4. Derudover reducerer det pH-niveauer af kræftmikromiljøer, hvilket reducerer lægemiddelakkumulering1. Derfor er reproduktion af patologiske træk relateret til hypoxi in vitro en lovende strategi for videnskabelige og prækliniske fund.
Modellering af et specifikt mikromiljø af kræft er afgørende for at forstå kræftudvikling og udforske passende behandlinger. Selv om dyremodeller er blevet udbredt på grund af deres stærke fysiologiske relevans, findes der spørgsmål vedrørende artsforskelle og etiske problemer5. Selv om konventionelle 2D- og 3D-modeller giver mulighed for manipulation og realtidsbilleddannelse af kræftceller til en dybdegående analyse, kan deres arkitektoniske og cellulære kompleksitet ikke opsummeres fuldt ud. For eksempel har kræft sfæroid modeller været meget udbredt, som kræft celle sammenlægning i en sfæroide kan naturligt generere hypoxi i kernen. Desuden er der produceret et stort antal cellulære sfæroider af ensartet størrelse ved hjælp af plast- eller silikonebaserede multibrøndsystemer6,7. Den lavere fleksibilitet med hensyn til at indfange den nøjagtige heterogene struktur af kræftvæv med konventionelle platforme har imidlertid krævet etablering af en avanceret biofabrikationsteknologi for at opbygge en meget biomatisk platform til forbedring afkræftforskningen 8.
3D-mikrofysiologiske systemer (MPS'er) er nyttige værktøjer til at opsummere kræftcellernes komplekse geometri og patologiske progression9. Som kræftceller forstand biokemiske gradient af vækstfaktorer og kemokser og den mekaniske heterogenitet gengivet på systemet, vigtige træk ved kræft udvikling kan undersøges in vitro. For eksempel, kræft levedygtighed, metastatisk malignitet, og resistens over for lægemidler afhængigt af de forskellige iltkoncentrationer er blevet undersøgt ved hjælp af MPSs10,11. På trods af de seneste fremskridt er generering af hypoksiske forhold for in vitro-modeller afhængig af komplekse fabrikationsprocedurer, herunder forbindelse med fysiske gaspumper. Derfor er der behov for enkle og fleksible metoder til opbygning af kræftspecifikke mikromiljøer.
3D-celletrykteknologien har fået betydelig opmærksomhed på grund af dens præcise kontrol med det rumlige arrangement af biomaterialer til at sammenfatte indfødte biologiske arkitekturer12. Denne teknologi overvinder især de eksisterende begrænsninger i 3D-hypoximodeller på grund af dens høje kontrollerbarhed og gennemførlighed for opbygning af de rumlige træk ved kræftmikromiljøet. 3D-udskrivning letter også computerstøttet produktion gennem en lag-for-lag-proces, hvilket giver en hurtig, præcis og reproducerbar konstruktion af komplekse geometrier til at efterligne faktiske vævsarkitekturer. Ud over fordelene ved eksisterende produktionsstrategier for 3D MPS'er kan de patofysiologiske træk ved kræftsprogression reproduceres ved at mønstre de biokemiske, cellulære og biofysiske komponenter13,14.
Heri præsenterer vi en 3D-celleudskrivningsstrategi for en hypoksisk kræft-på-en-chip til at opsummere heterogeniteten af en solid kræft (Figur 1)15. Fabrikationsparametrene blev bestemt gennem en beregningssimulering af central hypoxidannelse i systemet. Kræft-stroma koncentriske ringe blev trykt ved hjælp af kollagen bioinks indeholder glioblastoma celler og endotelceller til at efterligne patofysiologi af glioblastoma, en type af solid kræft. Dannelsen af en radial ilt gradient forværret kræft malignitet, hvilket indikerer styrket aggressivitet. Desuden angiver vi fremtidige perspektiver for chippens anvendelse på patientspecifikke prækliniske modeller. Den foreslåede metode til oprettelse af et mikrofysiologiske system med fast kræft forventes at bygge bro mellem in vivo- og in vitro-modeller af kræft.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="4">Cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Human umbilical vein endothelial cells</td>
			<td>Promocell</td>
			<td>C-12200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>U-87 MG cells</td>
			<td>ATCC</td>
			<td>ATCC HTB-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">Disposable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.2 &#956;m syringe filter</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>16534-K</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 mL disposable syringe</td>
			<td>Jung Rim</td>
			<td>10ml 21G32</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 mL glass vial</td>
			<td>Hubena</td>
			<td>A0039</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 mL Serological pipette tip</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>91010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 mL conical tube</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>50015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18G plastic needle</td>
			<td>Musashi engineering</td>
			<td>PN-18G-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20G plastic tapered dispense tip</td>
			<td>Musashi engineering</td>
			<td>TPND-20G-U</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>22x50 glass cover</td>
			<td>MARIENFIELD</td>
			<td>0101142</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>25 mL Serological pipette tip</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>90125</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 mL disposable syringes</td>
			<td>HENKE-JET</td>
			<td>4020-X00V0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40 &#181;m cell strainer</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>352360</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mL Serological pipette tip</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>91005</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL conical tube</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>50050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL Serological pipette tip</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>90150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50N precision nozzle</td>
			<td>Musashi engineering</td>
			<td>HN-0.5ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum foil</td>
			<td>SINKWANG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capillary tips</td>
			<td>Gilson</td>
			<td>CP1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell-scrapper</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>90030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal dish</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>200350</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>Bemis</td>
			<td>PM996</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pre-coated histology slide</td>
			<td>MATSUNAMI</td>
			<td>MAS-11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reservoir</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>23050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-75 cell culture flask</td>
			<td>SPL lifescience</td>
			<td>70075</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3DX printer</td>
			<td>T&#38;R Biofab</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autoclave</td>
			<td>JEIOTECH</td>
			<td>AC-12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuger</td>
			<td>Cyrozen</td>
			<td>1580MGR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal laser microscopy</td>
			<td>Olympus Life Science</td>
			<td>FV 1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescence microscope</td>
			<td>FISHER SCEINTIFIC</td>
			<td>O221S366</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forcep</td>
			<td>Korea Ace Scientific</td>
			<td>HC.203-30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand tally counter</td>
			<td>KTRIO</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hemocytometer</td>
			<td>MARIENFIELD</td>
			<td>0650030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Incubator</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>MCO-170AIC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laminar flow cabinet</td>
			<td>DAECHUNG SCIENCE</td>
			<td>CB-BMMS C-001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal syringe</td>
			<td>IWASHITA engineering</td>
			<td>SUS BARREL 10CC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Operating Scissors</td>
			<td>Hirose</td>
			<td>HC.13-122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>JEIOTECH</td>
			<td>OF-12, H070023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Positive displacement pipette</td>
			<td>GILSON</td>
			<td>NJ05652</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigerator</td>
			<td>SAMSUNG</td>
			<td>CRFD-1141</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Voltex Mixer</td>
			<td>DAIHAN scientific</td>
			<td>VM-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water bath</td>
			<td>DAIHAN SCIENTIFIC</td>
			<td>WB-11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water purifier</td>
			<td>WASSER LAB</td>
			<td>DI-GR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">Materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25 % Trypsin-EDTA</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>25200-072</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10x PBS</td>
			<td>Intron</td>
			<td>IBS-BP007a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4% Paraformaldehyde</td>
			<td>Biosesang</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70% Ethanol</td>
			<td>Daejung</td>
			<td>4018-4410</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-CD31 antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab28364</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-HIF-1 alpha antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab16066</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-SHMT2/SHMT antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab88664</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-SOX2 antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab75485</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine Serum Albumin</td>
			<td>Thermo scientific</td>
			<td>J10857-22</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collagen from porcine skin</td>
			<td>Dalim tissen</td>
			<td>PC-001-1g</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAPI (4&#39;,6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride)</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>D1306</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Endothelial Cell Growth Medium-2</td>
			<td>Promocell</td>
			<td>C22011</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal bovine serum</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>12483-020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488</td>
			<td>Theromofisher</td>
			<td>A-11001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 594</td>
			<td>Theromofisher</td>
			<td>A-11012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-glucose Dulbecco&#8217;s Modified Eagle Medium(DMEM)</td>
			<td>Hyclone</td>
			<td>SH30243-0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>311413-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Live/dead assay kit</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>L3224</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse IgG1, kappa monoclonal [15-6E10A7] - Isotype Control</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab170190</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin/streptomycin</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15140-122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phenol red solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P0290-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(ethylene-vinyl acetate)&#160;</td>
			<td>Poly science</td>
			<td>06108-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane</td>
			<td>Dowhitech</td>
			<td>sylgard 184</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rabbit IgG, polyclonal - Isotype Control</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab37415</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide solution</td>
			<td>Samchun</td>
			<td>S0610</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triton X-100</td>
			<td>Biosesang</td>
			<td>TRI020-500-50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypan Blue</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T8154</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COMSOL Multiphysics 3.5a</td>
			<td>COMSOL AB</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IMS beamer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>in-house software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks Package</td>
			<td colspan="2">Dassault Systems SolidWorks Corporation</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d cell-printed hypoxic cancer-on-a-chip for recapitulating pathologic progression of solid cancer

Kræftmikromiljø har en betydelig indvirkning på sygdommens progression. Især hypoxi er den vigtigste drivkraft for kræft overlevelse, invasion, og chemoresistance. Selv om der er udviklet flere in vitro-modeller til undersøgelse af hypoxirelateret kræftpatologi, er det komplekse samspil mellem det kræftmikromiljø, der er observeret in vivo, endnu ikke blevet gengivet på grund af manglen på præcis rumlig kontrol. I stedet er der foreslået 3D-biofabrikationsmetoder for at skabe mikrofysiologiske systemer til bedre emulering af kræftøkologi og nøjagtig evaluering af kræftbehandling. Heri foreslår vi en 3D-celleudskrivningsmetode for at fremstille en hypoksisk kræft-på-en-chip. De hypoxifremkaldende komponenter i chippen blev bestemt baseret på en computersimulering af iltfordelingen. Kræft-stroma koncentriske ringe blev trykt ved hjælp af bioinks indeholder glioblastoma celler og endotelceller til at opsummere en type af fast kræft. Den resulterende chip realiseret centrale hypoxi og forværret malignitet i kræft med dannelsen af repræsentative patofysilogiske markører. Samlet set forventes den foreslåede metode til oprettelse af et mikrofysiologiske system med fast kræft-mimetisk at bygge bro mellem in vivo- og in vitro-modeller for kræftforskning.

Den hypoksiske kræft-on-a-chip blev udviklet ved hjælp af computer-aided 3D celle-udskrivning teknologi til at opsummere hypoxi og kræft-relaterede patologi (Figur 1). Ilttransport og forbrug blev simuleret ved hjælp af 3D-geometrimodellen. Chippen blev designet i form af koncentriske ringe til at efterligne den radiale iltspredning og udtømning i kræftvæv (Figur 2A). Efter at have defineret kontrolvolumenet i et rum, hvor...

Watch this Scientific Journal Video about 3D Cell-Printed Hypoxic Cancer-on-a-Chip for Recapitulating Pathologic Progression of Solid Cancer at JoVE.com

3D Cell-Printed Hypoxic Cancer-on-a-Chip for Recapitulating Pathologic Progression of Solid Cancer

Hypoxi er kendetegnende for tumor mikromiljø og spiller en afgørende rolle i kræft progression. Denne artikel beskriver fremstillingsprocessen for en hypoksisk kræft-on-a-chip baseret på 3D-celle-udskrivning teknologi til at opsummere en hypoxi-relateret patologi af kræft.

3D Celle-Printed Hypoxic Cancer-on-a-Chip for at opsummere Patologisk Progression af solid kræft

Cancer microenvironment has a significant impact on the progression of the disease. In particular, hypoxia is the key driver of cancer survival, invasion, ...

Hypoxi er en vigtig drivkraft for kræft udvikling, der fremkalder genomisk ustabilitet og tumorigenese. Vi demonstrerer en metode til at generere central hypoxi i en solid kræft in vitro baseret på 3D bioprinting teknologi. Ved hjælp af denne metode kan en radiohypotes gradient gengives ved hjælp af en simpel strategi, der kombinerer en 3D-printet gasgennemtrængelig barriere og et glasdæksel.Denne hypoksiske kræft on-a-chip teknologi kan bruges til at forudsige lægemiddeleffektivitet til at lette patient specifikke anticancer medicin recept. Og det forventes også at muliggøre en hurtig diagnose af aggressive kræftformer. For at hjælpe med forberedelsen af en tre milliliter neutraliseret kollagen pre-gel løsning, skæres 30 milligram kollagen svampe i en fem gange fem millimeter kvadreret stykker.Stykkerne anbringes i et sterilt glasglasglas på 10 milliliter og tilsættes 2,4 milliliter 0,2 mikron sprøjtefilter 0,1 normal saltsyre til hætteglasset til en tredages inkubation ved fire grader Celsius og 15 omdrejninger i minuttet. Efter fordøjelsen, stamme eventuelle ufordøjede kollagen partikler gennem en 40 mikron celle si og gemme den sure kollagen opløsning ved fire grader Celsius i op til syv dage. For at justere pH-af den 1%neutraliserede kollagenforgelopløsning, der tilsættes 30 mikroliter phenolrød opløsning til en endelig koncentration på 1% og 300 mikroliter af 10X PBS til en endelig koncentration på 10%Efter blanding og centrifugering skal du bruge en normal natriumhydroxid til at neutralisere pH-filen til syv, kontrollere farveændringen og tilsæt destilleret vand for at opnå et samlet volumen på tre milliliter.Derefter opbevares pH-justeret 1%neutraliseret kollagen pre-gel opløsning ved fire grader Celsius til brug inden for tre dage. For at forkontrollere geleringen af den neutraliserede kollagenforgelopløsning skal du bruge en positiv forskydningspipette til at tilføje 50 mikroliter kollagendråber til en lille skål og inkubere dråberne i en 37 grader Celsius-inkubator i en time. I slutningen af inkubationen skal du kontrollere, om kollagenen er ændret fra en gennemsigtig farve til en uigennemsigtig hvid.Vip beholderen for at bekræfte, at kollagen klæber til bunden af beholderen. Og hæld PBS på dråben for at bekræfte, at kollagenkonstruktionen ikke bryder i opløsning. Ved 3D-udskrivning af en offer-PEVA-form skal du klikke på Filer og gemme filtypen som STL for at konvertere 3D CAD-filen til en STL-fil og klikke på Indstilling og outputformular som ASCII for at generere G-koden.Hvis du vil importere den genererede STL-fil, skal du klikke på Filer og åbne STL-fil og vælge den gemte STL-fil. Hvis du automatisk vil generere G-koden for den hellige PEVA-form, skal du vælge udsnitmodellen for STL-CAD-veksleren. Derefter at generere tryk stier til chip fabrikation, skal du bruge en 50 gauge præcision dyse ved et pneumatisk tryk på 500 kilopascals ved 110 grader Celsius til at udskrive offer PEVA skimmel på en steril lim hydrofil histologi dias.For at kaste PDMS-barrieren blandedes seks milliliter PDMS-basiselastomer og 600 mikroliter hærdemiddel i fem minutter i et plastreservoir og indlæses den homogent blandede opløsning i en 10 milliliter engangssprøjte. Sprøjten er udstyret med en 20-gauge plast koniske dispenserspids og fyld den hellige PEVA-form med den blandede PDMS-opløsning. Den blandede PDMS vil fylde denne offer PEVA skimmel med en konveks overflade og barrieren vil være højere end formen.Efter at have hærdet PDMS-barrieren i en 40 grader Celsius ovn i over 36 timer for at undgå at smelte PEVA, skal du bruge et par præcisionscweezere til at løsne den hellige PEVA-form og sterilisere den gasgennemtrængelige barriere ved 120 grader Celsius i en autoklave. For at blande opløsningen med kræftceller, genbruges hver type indsamlet celle pellet i 20 mikroliter af kultur medium og tilsæt en milliliter af 1%neutraliseret kollagen pre-gel løsning i hver af de resuspended celle suspensioner på våd is med blid blanding. Brug en positiv forskydningspipette til at blande hver celleaffjedring.Når homogene opløsninger er opnået, skal du bruge en positiv engangspipette til at overføre cellen indkapslede kollagen bioinks i individuelle tre milliliter engangssprøjter og opbevare sprøjterne ved fire grader Celsius indtil 3D-celleudskrivning. For 3D-udskrivning af kræft-stroma koncentriske ringe, konvertere passende 3D CAD-fil til en STL-filformat og bruge en STL-CAD veksler til at generere en G-kode af kræft-stroma koncentriske ringe. Læg celleindkapslede kollagenbioinks i 3D-printerhovedet og sæt temperaturen på hoved og plade til 15 grader Celsius.Indlæs den genererede udskrivningssti på 3D-printerens kontrolsoftware, og klik på Start for at udskrive kollagenbioinks på gasgennemtrængelig barriere i henhold til den indlæste G-kode med en 18 gauge plastiknål ved et pneumatisk tryk på ca. 20 kilopascals ved 15 grader Celsius. Ved afslutningen af hver udskrivning skal du manuelt placere et steriliseret 22 x 50 millimeter glasdæksel oven på den gasgennemtrængelige barriere for at generere den hypoksiske gradient. Efter at have genereret tre hypoksiske kræft-on-chips overføre chips til en 37 grader Celsius inkubator i en time at crosslink kollagen bioinks.Når alle de hypoksiske kræft-on-a-chips er blevet trykt, forsigtigt gned dækslet briller på toppen af gasgennemtrængelige barrierer med en celle skraber for stram limning. At opdatere cellekultur medium til chips uden at løsne kræft konstruere, vippe chips og bruge en pipette til at indføre 1,5 milliliter endotelcelle vækst medium til siden af hver chip. Den hypoksiske kræft-on-a-chip blev designet i form af koncentriske ringe til at efterligne den radiale ilt diffusion og udtømning observeret i kræftvæv.Efter at have defineret kontrolvolumenet i et rum, hvor ilt spredes og forbruges af celler, kan en passende cellulær tæthed til central hypoxigenerering bestemmes gennem beregningsmæssig finite elementanalyse. Ved 3D-celle udskrivning, en opdelt kræft-stroma koncentrisk ring struktur kan oprettes for at reproducere de anatomiske træk ved den faste kræft. Kvantitativt, post-udskrivning celle levedygtighed er typisk større end 96%, der bekræfter, at fremstillingsbetingelserne er passende for kræft og stromale celler.I denne repræsentative analyse blev to grupper sammenlignet i henhold til tilstedeværelsen og fraværet af iltgradienten for at verificere virkningerne af en hypoxisk gradient på kræftsprogression. Under begge omstændigheder var modne CD31 positive endotelceller til stede i de perifere regioner, hvilket indikerer, at rumligt mønstrede levende konstruktioner blev produceret ved hjælp af 3D-bioprintteknologi. Sammenlignet med den iltgradient negative tilstand viste den gradient positive tilstand en hypoksisk gradient, der indikerer det gradvise udtryk for HIF1 alpha.SHMT2 positive pseudopalisaded celler og SOX2 positive pluripotente celler blev også observeret, tegn på tilstedeværelsen af aggressive patofysilogiske træk ved solid kræft. Den hypoksiske kræft-on-a-chip er et nyttigt redskab til at undersøge patofysiologiske egenskaber af fast kræft og den dynamiske krydstale mellem kræftceller og tumorigenese fremme mikromiljø. Da metoden kan tilpasses til et patientspecifikt lægemiddeldesign inden for en rimelig tidsramme, forventes denne fremgangsmåde at slå bro over kløften mellem in vivo- og in vitro-modeller af kræft.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Tracking Hypoxic Signaling within Encapsulated Cell Aggregates

Sporing hypoxisk Signaling inden Encapsulated Cell Tilslagsmaterialer

In Diabetes mellitus type 1, autoimmune destruction of the pancreatic &beta;-cells results in loss of insulin production and potentially lethal ...

Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Overvågning Protein Adsorption med Solid-state Nanopores

Solid-state nanopores have been used to perform measurements at the single-molecule level to examine the local structure and flexibility of nucleic acids ...

Sample Preparation Strategies for Mass Spectrometry Imaging of 3D Cell Culture Models

Prøve Forberedelse Strategier for massespektrometri Imaging af 3D cellekulturmodeller

Three dimensional cell cultures are attractive models for biological research. They combine the flexibility and cost-effectiveness of cell culture with ...

Solid Lipid Nanoparticles (SLNs) for Intracellular Targeting Applications

Solid Lipid Nanoparticles SLNs for Intracellular Targeting Applications

Solid lipidnanopartikler (SLNs) til intracellulær målretning Applications

Nanoparticle-based delivery vehicles have shown great promise for intracellular targeting applications, providing a mechanism to specifically alter ...

Selective Cell Elimination from Mixed 3D Culture Using a Near Infrared Photoimmunotherapy Technique

Selektiv Cell Elimination fra Mixed 3D Kultur Ved hjælp af en i nærheden af ​​infrarød Photoimmunotherapy Teknik

Recent developments in tissue engineering offer innovative solutions for many diseases. For example, tissue engineering using induced pluripotent stem ...

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Udarbejdelse af 3D Kollagen Gels og mikrokanalerne for Studiet af 3D Interactions<em&gt; In vivo</em

Historically, most cellular processes have been studied in only 2 dimensions.  While these studies have been informative about general cell signaling ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

Micropatterning og Samling af 3D mikrokar

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Modeling Ovarian Cancer Multicellular Spheroid Behavior in a Dynamic 3D Peritoneal Microdevice

Modeling Kræft i æggestokkene flercellede Sfæroide Behavior i en dynamisk 3D Peritoneal Microdevice

Ovarian cancer is characterized by extensive peritoneal metastasis, with tumor spheres commonly found in the malignant ascites. This is associated with ...

Bioprinting of Cartilage and Skin Tissue Analogs Utilizing a Novel Passive Mixing Unit Technique for Bioink Precellularization

Bioprinting af brusk og huden væv analoger udnytter en roman passiv blanding enhed teknik for Bioink Precellularization

Bioprinting is a powerful technique for the rapid and reproducible fabrication of constructs for tissue engineering applications. In this study, both ...

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography

Stive indlejring af faste og plettet, hele, Millimeter-skala prøver for sektion-gratis 3D histologi ved mikro-beregnet tomografi

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in ...