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

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs (nr. 2020R1A6A1A03047902 en NRF-2018H1A2A1062091) en de Koreaanse overheid (MSIT) (nr. NRF-2019R1C1C1009606 en NRF-2019R1A3A3005437).

1. Computersimulatie van zuurstofgradiëntvorming
<ol><li>
Generatie van een 3D geometrie model voor hypoxische kanker-op-een-chip printen
	<ol>
<li>Voer een 3D CAD-software uit.</li>
		<li>Schets het geometriemodel van hypoxische kanker-op-een-chip. Klik op Schets en selecteer het gewenste vlak om de geometrie te tekenen. Raadpleeg de tekening (figuur 2A) voor de detailschaal van elk onderdeel.</li>
		<li>Stel de dikte van de geometrie in door te klikken ...

<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>

In deze studie beschrijven we het fabricageproces van een hypoxische kanker-op-een-chip op basis van 3D-celprinttechnologie. De vorming van de hypoxische gradiënt in de ontworpen chip werd voorspeld door middel van computersimulaties. De omgeving die een heterogene hypoxische gradiënt kan veroorzaken, werd gereproduceerd via een eenvoudige strategie die de 3D-geprinte gasdoorlatende barrière en de glazen afdekking combineert. De hypoxie-gerelateerde pathologische kenmerken van glioblastoom, waaronder pseudopalisade en...

De micromilieu van kanker is een kritische factor die de progressie van kanker aansturen. Meerdere componenten, waaronder biochemische, biofysische en cellulaire signalen, bepalen de pathologische kenmerken van kanker. Onder deze, hypoxie is sterk geassocieerd met kanker overleving, proliferatie, en invasie1. Door de onbeperkte groei en deling van kankercellen raken voedingsstoffen en zuurstof continu uitgeput en ontstaat er een hypoxische gradiënt. Onder zuurstofarme omstandigheden activeren cellen hypoxie-induceerbare transcriptiefactor (HIF)-geassocieerde moleculaire cascade. Dit proces induceert een necrotische kern, activeert metabolische veranderingen en initieert hyperplasie en metastase van bloedvaten2,3. Vervolgens veroorzaakt hypoxie in kankercellen de vernietiging van naburige normale weefsels. Bovendien wordt hypoxie sterk geassocieerd met de therapeutische weerstand van solide tumoren op multifactoriële manieren. Hypoxie kan radiotherapie ernstig belemmeren, aangezien de radiogevoeligheid beperkt is als gevolg van reactieve zuurstofsoorten1,4. Bovendien verlaagt het de pH-niveaus van micromilieus voor kanker, wat de accumulatie van geneesmiddelen vermindert1. Daarom is het reproduceren van pathologische kenmerken met betrekking tot hypoxie in vitro een veelbelovende strategie voor wetenschappelijke en preklinische bevindingen.
Het modelleren van een specifiek micromilieu van kanker is essentieel voor het begrijpen van de ontwikkeling van kanker en het verkennen van geschikte behandelingen. Hoewel diermodellen veel zijn gebruikt vanwege hun sterke fysiologische relevantie, bestaan er problemen met betrekking tot soortenverschillen en ethische problemen5. Hoewel conventionele 2D- en 3D-modellen de manipulatie en real-time beeldvorming van kankercellen mogelijk maken voor een diepgaande analyse, kan hun architecturale en cellulaire complexiteit niet volledig worden samengevat. Kankersferoïdemodellen zijn bijvoorbeeld veel gebruikt, omdat kankercelaggregatie in een sferoïde van nature hypoxie in de kern kan genereren. Bovendien zijn grote aantallen cellulaire sferoïden van uniforme grootte geproduceerd met behulp van op plastic of siliconen gebaseerde multiputsystemen6,7. De lagere flexibiliteit met betrekking tot het vastleggen van de exacte heterogene structuur van kankerweefsels met conventionele platforms heeft echter de oprichting van een geavanceerde biofabrication-technologie vereist om een zeer biomimetisch platform te bouwen om kankeronderzoek te verbeteren8.
3D-microfysiologische systemen (MPS's) zijn nuttige hulpmiddelen om de complexe geometrie en pathologische progressie van kankercellen samen tevatten 9. Aangezien kankercellen de biochemische gradiënt van groeifactoren en chemokinen en de mechanische heterogeniteit die op het systeem wordt gereproduceerd, voelen, kunnen belangrijke kenmerken van kankerontwikkeling in vitro worden onderzocht. Bijvoorbeeld, kanker levensvatbaarheid, gemetastaseerde maligniteit, en resistentie tegen geneesmiddelen afhankelijk van de variërende zuurstofconcentraties is bestudeerd met behulp van MPSs10,11. Ondanks recente vooruitgang is het genereren van hypoxische omstandigheden van in vitro modellen afhankelijk van complexe fabricageprocedures, waaronder aansluiting op fysieke gaspompen. Daarom zijn eenvoudige en flexibele methoden nodig om kankerspecifieke micromilieus op te bouwen.
3D-celdruktechnologie heeft veel aandacht gekregen vanwege de nauwkeurige controle van de ruimtelijke ordening van biomaterialen om inheemse biologische architecturen samen tevatten 12. Deze technologie overwint met name de bestaande beperkingen van 3D-hypoxiemodellen vanwege de hoge beheersbaarheid en haalbaarheid voor het bouwen van de ruimtelijke kenmerken van het kankermicromilieu. 3D-printen vergemakkelijkt ook computerondersteunde productie door middel van een laag-voor-laag proces, waardoor een snelle, nauwkeurige en reproduceerbare constructie van complexe geometrieën wordt geboden om echte weefselarchitecturen na te bootsen. Naast de voordelen van bestaande productiestrategieën voor 3D-MPS 's, kunnen de pathofysiologische kenmerken van kankerprogressie worden gereproduceerd door de biochemische, cellulaire en biofysische componenten13,14te patroonen .
Hierin presenteren we een 3D-celprintstrategie voor een hypoxische kanker-op-een-chip voor het samenvatten van de heterogeniteit van een solide kanker (Figuur 1)15. De fabricageparameters werden bepaald via een computationele simulatie van centrale hypoxievorming in het systeem. Kanker-stroma concentrische ringen werden afgedrukt met behulp van collageenbioinks die glioblastoomcellen en endotheelcellen bevatten om de pathofysiologie van glioblastoom, een type vaste kanker, na te bootsen. De vorming van een radiale zuurstofgradiënt verergerde de maligniteit van kanker, wat wijst op versterkte agressiviteit. Verder geven we toekomstperspectieven aan voor de toepassingen van de chip op patiëntspecifieke preklinische modellen. De voorgestelde aanpak voor het creëren van een solide-kanker-mimetisch microfysiologisch systeem zal naar verwachting de kloof tussen in vivo en in vitro modellen van kanker overbruggen.

<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

Micromilieu van kanker heeft een aanzienlijke invloed op de progressie van de ziekte. In het bijzonder is hypoxie de belangrijkste oorzaak van overleving, invasie en chemoresistentie van kanker. Hoewel verschillende in vitro modellen zijn ontwikkeld om hypoxiegerelateerde kankerpathologie te bestuderen, is het complexe samenspel van de in vivo waargenomen micromilieu voor kanker nog niet gereproduceerd vanwege het gebrek aan nauwkeurige ruimtelijke controle. In plaats daarvan zijn 3D-biofabrication-benaderingen voorgesteld om microfysiologische systemen te creëren voor een betere emulatie van kankerecologie en nauwkeurige evaluatie van de behandeling van kanker. Hierin stellen we een 3D-celprintbenadering voor om een hypoxische kanker-op-een-chip te fabriceren. De hypoxie-inducerende componenten in de chip werden bepaald op basis van een computersimulatie van de zuurstofverdeling. Kanker-stroma concentrische ringen werden afgedrukt met behulp van bioinks die glioblastoomcellen en endotheelcellen bevatten om een type solide kanker samen te vatten. De resulterende chip realiseerde centrale hypoxie en verergerde maligniteit bij kanker met de vorming van representatieve pathofysiologische markers. Over het geheel genomen zal de voorgestelde aanpak voor het creëren van een solide kanker-mimetisch microfysiologisch systeem naar verwachting de kloof overbruggen tussen in vivo en in vitro modellen voor kankeronderzoek.

De hypoxische kanker-op-een-chip is ontwikkeld met behulp van computerondersteunde 3D-celprinttechnologie om hypoxie en kankergerelateerde pathologie samen te vatten (figuur 1). Zuurstoftransport en -verbruik werden gesimuleerd met behulp van het 3D-geometriemodel. De chip is ontworpen in de vorm van concentrische ringen om de radiale zuurstofdiffusie en uitputting in kankerweefsels na te bootsen (figuur 2A). Na het definiëren v...

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

Hypoxie is een kenmerk van tumormicromilieu en speelt een cruciale rol bij de progressie van kanker. Dit artikel beschrijft het fabricageproces van een hypoxische kanker-op-een-chip op basis van 3D-celprinttechnologie om een hypoxiegerelateerde pathologie van kanker samen te vatten.

3D-celgeprinte hypoxische kanker-op-een-chip voor het samenvatten van pathologische progressie van solide kanker

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

Hypoxie is een belangrijke aanjager van de ontwikkeling van kanker die genomische instabiliteit en tumorigenese veroorzaakt. We demonstreren een methode voor het genereren van centrale hypoxie in een solide kanker in vitro op basis van 3D-bioprintingtechnologie. Met behulp van deze methode kan een radiohypoxische gradiënt worden gereproduceerd met behulp van een eenvoudige strategie die een 3D-geprinte gasdoorlatende barrière en een glazen afdekking combineert.Deze hypoxische kanker on-a-chip technologie kan worden gebruikt om de werkzaamheid van geneesmiddelen te voorspellen om het voorschrijven van patiëntenspecifieke geneesmiddelen tegen kanker te vergemakkelijken. En er wordt ook verwacht dat het een snelle diagnose van agressieve kankers mogelijk maakt. Om te helpen bij de bereiding van een drie milliliter geneutraliseerde collageen pre-gel oplossing, snijd 30 milligram collageen sponzen in een vijf bij vijf millimeter vierkante stukken.Doe de stukjes in een steriele glazen flacon van 10 milliliter en voeg 2,4 milliliter spuitfilter 0,2 micron normaal zoutzuur toe aan de flacon voor een incubatietijd van drie dagen bij vier graden Celsius en 15 omwentelingen per minuut. Na de spijsvertering, stam alle onverteerd collageen deeltjes door een 40 micron celzeef en bewaar de zure collageenoplossing op vier graden Celsius voor maximaal zeven dagen. Om de pH van de 1%geneutraliseerde collageen pre-gel oplossing aan te passen, voegt u 30 microliters fenol rode oplossing toe aan een eindconcentratie van 1% en 300 microliter van 10X PBS tot een eindconcentratie van 10%Na mengen en centrifugeren, gebruikt u één normaal natriumhydroxide om de pH tot zeven te neutraliseren, controleert u de kleurverandering en voegt u gedestilleerd water toe om een totaal volume van drie milliliter te verkrijgen.Bewaar vervolgens de pH-aangepaste 1% geneutraliseerde collageen pre-gel oplossing op vier graden Celsius voor gebruik binnen drie dagen. Om de gelatie van de geneutraliseerde collageen pre-gel oplossing vooraf te controleren, gebruikt u een pipet met positieve verplaatsing om 50 microliter collageendruppels toe te voegen aan een klein gerecht en de druppels gedurende een uur in een incubator van 37 graden Celsius te incuberen. Controleer aan het einde van de incubatie of het collageen is veranderd van een transparante kleur in een ondoorzichtig wit.Kantel de container om te bevestigen dat het collageen aan de onderkant van de container is hecht. En giet PBS op de druppel om te bevestigen dat de collageenconstructie niet in oplossing breekt. Voor 3D-afdrukken van een offerende PEVA-mal klikt u op Bestand en slaat u bestandstype op als STL om het 3D CAD-bestand naar een STL-bestand te converteren en klikt u op Optie en uitvoerformulier als ASCII om de G-code te genereren.Als u het gegenereerde STL-bestand wilt importeren, klikt u op Bestand en opent u het STL-bestand en selecteert u het opgeslagen STL-bestand. Als u automatisch de G-code van de offer-PEVA-mal wilt genereren, selecteert u het segmentmodel van de STL-CAD-wisselaar. Gebruik vervolgens een precisiemondstuk van 50 gauge bij een pneumatische druk van 500 kilopascal bij 110 graden Celsius om de offerende PEVA-mal op een steriele hydrofiele histologieschuif af te drukken.Om de PDMS-barrière te gieten, mengt u gedurende vijf minuten zes milliliter PDMS-basis elastomeer en 600 microliter uithardingsmiddel in een plastic reservoir en laadt u de homogeen gemengde oplossing in een wegwerpspuit van 10 milliliter. Uitgerust met de spuit met een 20 gauge plastic taps toelopende doseertip en vul de offerENDE PEVA-mal met de gemengde PDMS-oplossing. De gemengde PDMS vult deze offerende PEVA-mal met een bol oppervlak en de barrière zal hoger zijn dan die van de mal.Nadat u de PDMS-barrière gedurende meer dan 36 uur in een oven van 40 graden Celsius hebt uitgehard om te voorkomen dat de PEVA smelt, gebruikt u een precisie-pincet om de offerende PEVA-mal los te maken en de gasdoorlatende barrière bij 120 graden Celsius in een autoclaaf te steriliseren. Om de oplossing met kankercellen te mengen, resuspendeer elk type verzamelde celkorrel in 20 microliter kweekmedium en voeg een milliliter van 1% geneutraliseerde collageen pre-geloplossing toe aan elk van de geresuspendeerde celsuspensusingen op nat ijs met zachte menging. Gebruik een pipet met positieve verplaatsing om elke celsuspensie te mengen.Wanneer homogene oplossingen worden verkregen, gebruik dan een positieve wegwerppipet om de inkapselde collageenbioinks van de cel over te brengen in individuele wegwerpspuiten van drie milliliter en bewaar de spuiten op vier graden Celsius tot 3D-celprinten. Voor 3D-printen van kanker-stroma concentrische ringen, converteer het juiste 3D CAD-bestand naar een STL-bestandsformaat en gebruik een STL-CAD-wisselaar om een G-code van de kanker-stroma concentrische ringen te genereren. Laad de cel ingekapselde collageen bioinks in de 3D-printerkop en stel de temperatuur van de kop en plaat in op 15 graden Celsius.Laad het gegenereerde printpad op de besturingssoftware van de 3D-printer en klik op Start om de collageenbioinks op de gasdoorlatende barrière te printen volgens de geladen G-code met een 18 gauge plastic naald bij een pneumatische druk van ongeveer 20 kilopascal bij 15 graden Celsius. Plaats aan het einde van elke drukbewerking handmatig een gesteriliseerde glazen afdekking van 22 bij 50 millimeter bovenop de gasdoorlatende barrière om de hypoxische gradiënt te genereren. Na het genereren van drie hypoxische kanker-op-chips overbrengen de chips naar een 37 graden Celsius incubator voor een uur om crosslink de collageen bioinks.Wanneer alle hypoxische kanker-op-een-chips zijn afgedrukt, wreef u voorzichtig de afdekglazen bovenop de gasdoorlatende barrières met een celschraper voor een strakke hechting. Om het celkweekmedium naar de chips te vernieuwen zonder de kankerconstructie los te maken, kantelt u de chips en gebruikt u een pipet om 1,5 milliliter endotheelcelgroeimedium aan de zijkant van elke chip te introduceren. De hypoxische kanker-op-een-chip is ontworpen in de vorm van concentrische ringen om de radiale zuurstofdiffusie en uitputting waargenomen in kankerweefsels na te bootsen.Na het definiëren van het regelvolume van een ruimte waarin zuurstof wordt verspreid en verbruikt door cellen, kan een geschikte cellulaire dichtheid voor centrale hypoxiegeneratie worden bepaald door middel van computationele eindige-elementenanalyse. Bij 3D-celprinten kan een gecompartimenteerde kanker-stroma concentrische ringstructuur worden gecreëerd om de anatomische kenmerken van de solide kanker te reproduceren. Kwantitatief is de levensvatbaarheid van de cellen na het afdrukken meestal groter dan 96%, wat bevestigt dat de productieomstandigheden geschikt zijn voor kanker en stromale cellen.In deze representatieve analyse werden twee groepen vergeleken op basis van de aan- en afwezigheid van de zuurstofgradiënt om de effecten van een hypoxische gradiënt op de progressie van kanker te verifiëren. Onder beide omstandigheden waren volwassen CD31-positieve endotheelcellen aanwezig in de perifere regio's, wat aangeeft dat ruimtelijk gevormde levende constructies werden geproduceerd met behulp van 3D-bioprinttechnologie. In vergelijking met de negatieve toestand van de zuurstofgradiënt vertoonde de gradiëntpositieve toestand een hypoxische gradiënt, wat wijst op de geleidelijke expressie van HIF1-alfa.Shmt2 positieve pseudopalisaded cellen en SOX2 positieve pluripotente cellen werden ook waargenomen, wijzend op de aanwezigheid van agressieve pathofysiologische kenmerken van solide kanker. De hypoxische kanker-op-een-chip is een nuttig hulpmiddel voor het onderzoeken van de pathofysiologische kenmerken van solide kankers en de dynamische kruising tussen kankercellen en tumorigenese die micromilieu bevordert. Aangezien de methodologie binnen een redelijk tijdsbestek kan worden aangepast voor een patiëntspecifiek geneesmiddelontwerp, wordt verwacht dat deze aanpak de kloof tussen in vivo en in vitro modellen van kanker zal overbruggen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Tracking Hypoxic Signaling within Encapsulated Cell Aggregates

Tracking Hypoxische Signalering binnen Encapsulated Cell Aggregaten

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

Monitoring eiwitadsorptie met Solid-state Nanoporiën

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

Monstervoorbereiding Strategieën voor massaspectrometrie Imaging van 3D celkweekmodellen

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 lipidenanodeeltjes (SLN) voor intracellulaire targeting Toepassingen

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

Selectieve Cell Eliminatie van Gemengde 3D Cultuur Met behulp van een Near Infrared Photoimmunotherapy Techniek

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

Voorbereiding van de 3D Collageen Gels en Microkanalen voor de Studie van 3D-Interacties<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 en montage van 3D microvaten

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

Modelleren van eierstokkanker Meercellige Sferoïde Gedrag in een dynamische 3D peritoneale 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 van kraakbeen en huid weefsel analogen met behulp van een roman passief mengen eenheid techniek voor 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

Stijve inbedding van vaste en gekleurd, geheel Millimeter-schaal Specimens voor sectie-gratis 3D histologie door Micro-berekend tomografie

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 ...