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

מחקר זה נתמך על ידי קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון משרד החינוך (מס ' 2020R1A6A1A03047902 ו- NRF-2018H1A2A1062091) וממשלת קוריאה (MSIT) (לא. NRF-2019R1C1C1009606 ו- NRF-2019R1A3A3005437).

1. הדמיית מחשב של היווצרות שיפוע חמצן
<ol><li>
יצירת מודל גיאומטריה תלת-ממדית להדפסת סרטן על שבב היפוקסי
	<ol>
<li>הפעל תוכנת CAD תלת-ממדית.</li>
		<li>שרטט את המודל הגיאומטרי של סרטן היפוקסי על שבב. לחץ על סקיצה ובחר את המישור הרצוי כדי לצייר את הגיאומטריה. עיין בציור (איור 2...

<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>

במחקר זה, אנו מתארים את תהליך הייצור של סרטן היפוקסי על שבב המבוסס על טכנולוגיית הדפסת תאים 3D. היווצרות השיפוע ההיפוקסי בשבב המתוכנן נצפתה באמצעות הדמיות מחשב. הסביבה שיכולה לגרום לשיפוע היפוקסי הטרוגני שוחזרה באמצעות אסטרטגיה פשוטה המשלבת את מחסום חדיר הגז המודפס בתלת-ממד ואת כיסוי הזכו...

microenvironment סרטן הוא גורם קריטי המניע את התקדמות הסרטן. רכיבים מרובים, כולל רמזים ביוכימיים, ביופיזיים ותאית, קובעים את התכונות הפתולוגיות של סרטן. בין אלה, היפוקסיה קשורה קשר הדוק עם הישרדות סרטן, התפשטות, פלישה1. בשל הצמיחה הבלתי מוגבלת וחלוקה של תאים סרטניים, חומרים מזינים וחמצן מתרוקנים ברציפות, שיפוע היפוקסי נוצר. בתנאים של חמצן נמוך, תאים מפעילים גורם שעתוק היפוקסיה-בלתי ניתן להקרבה (HIF) הקשורים מפל מולקולרי. תהליך זה גורם לליבה נמקית, מפעיל שינויים מטבוליים, ויוזם היפרפלזיה של כלי דם וגרורות2,3. לאחר מכן, היפוקסיה בתאים סרטניים גורמת להרס של רקמות נורמליות שכנות. יתר על כן, היפוקסיה קשורה קשר הדוק עם ההתנגדות הטיפולית של גידולים מוצקים בנימוסים רב-גורמיים. היפוקסיה עלולה לעכב קשות הקרנות, כמו רגישות רדיו מוגבלת בשל מינים חמצן תגובתי1,4. בנוסף, זה מקטין את רמות ה- pH של microenvironments סרטן, אשר מקטין הצטברות תרופות1. לכן, שחזור תכונות פתולוגיות הקשורות היפוקסיה במבחנה היא אסטרטגיה מבטיחה עבור ממצאים מדעיים פרה קליניים.
מידול microenvironment מסוים של סרטן חיוני להבנת התפתחות סרטן וחקר טיפולים מתאימים. למרות מודלים בעלי חיים כבר בשימוש נרחב בגלל הרלוונטיות הפיזיולוגית החזקה שלהם, נושאים הקשורים הבדלים מינים ובעיות אתיות קיימים5. יתר על כן, למרות מודלים קונבנציונליים 2D ו 3D לאפשר מניפולציה והדמיה בזמן אמת של תאים סרטניים לניתוח מעמיק, המורכבות האדריכלית והתאית שלהם לא ניתן לשחזר באופן מלא. לדוגמה, מודלים ספירואיד סרטן כבר בשימוש נרחב, כמו צבירת תאים סרטני בספרואיד יכול באופן טבעי ליצור היפוקסיה בליבה. יתר על כן, מספר גדול של ספרואידים סלולריים בגודל אחיד יוצרו באמצעות מערכות מולטי-באר מבוססות פלסטיק או סיליקון6,7. עם זאת, הגמישות הנמוכה יותר לגבי לכידת המבנה ההטרוגני המדויק של רקמות סרטניות עם פלטפורמות קונבנציונליות דרשה הקמת טכנולוגיית biofabrication מתקדמת כדי לבנות פלטפורמה ביומימטית מאוד כדי לשפר את חקר הסרטן8.
מערכות מיקרופיזיולוגיות תלת מימדיות (MPSs) הן כלים שימושיים לסיכום הגיאומטריה המורכבת וההתקדמות הפתולוגית של תאים סרטניים9. כמו תאים סרטניים לחוש את השיפוע הביוכימי של גורמי גדילה וכימוקינים ואת ההטרוגניות המכנית לשכפל על המערכת, תכונות חשובות של התפתחות סרטן ניתן לחקור במבחנה. לדוגמה, כדאיות סרטן, ממאירות גרורתית, עמידות לתרופות בהתאם ריכוזי חמצן משתנים נחקרה באמצעות MPSS10,11. למרות ההתקדמות האחרונה, יצירת תנאים היפוקסיים של מודלים במבחנה מסתמכת על הליכי ייצור מורכבים, כולל חיבור עם משאבות גז פיזיות. לכן, יש צורך בשיטות פשוטות וגמישות לבניית מיקרו-וירוסים ספציפיים לסרטן.
טכנולוגיית הדפסת תאים תלת מימדית זכתה לתשומת לב רבה בגלל השליטה המדויקת שלה בסידור המרחבי של ביו-חומרים לסיכום ארכיטקטורות ביולוגיות מקומיות12. בפרט, טכנולוגיה זו מתגברת על המגבלות הקיימות של מודלים היפוקסיה 3D בשל השליטה הגבוהה שלה ואת ההיתכנות לבניית התכונות המרחביות של microenvironment סרטן. הדפסה תלת-ממדית גם מאפשרת ייצור בעזרת מחשב באמצעות תהליך שכבה אחר שכבה, ובכך מספקת בנייה מהירה, מדויקת וניתן לשחזור של גיאומטריות מורכבות כדי לחקות ארכיטקטורות רקמות בפועל. בנוסף ליתרונות של אסטרטגיות ייצור קיימות עבור MPSs 3D, התכונות הפתופיזיולוגיות של התקדמות סרטן ניתן לשחזר על ידי דפוס הרכיבים הביוכימיים, הסלולר, וביופיזי13,14.
בזאת, אנו מציגים אסטרטגיית הדפסת תאים תלת-ממדית עבור סרטן היפוקסי על שבב לסיכום ההטרוגניות של סרטן מוצק (איור 1)15. פרמטרי הייצור נקבעו באמצעות סימולציה חישובית של היווצרות היפוקסיה מרכזית במערכת. טבעות קונצנטריות סרטן סטרומה הודפסו באמצעות bioinks קולגן המכילים תאים גליובלסטומה ותאי אנדותל לחקות את הפתופיזיולוגיה של גליובלסטומה, סוג של סרטן מוצק. היווצרות של שיפוע חמצן רדיאלי מחמירות ממאירות סרטן, המציין תוקפנות מחוזקת. יתר על כן, אנו מציינים פרספקטיבות עתידיות עבור היישומים של השבב למודלים פרה-קוליניים ספציפיים למטופל. הגישה המוצעת ליצירת מערכת מיקרופיזיולוגית מוצקה-סרטן-מימטית צפויה לגשר על הפער בין מודלים in vivo ו במבחנה של סרטן.

<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

מיקרו-וירוס סרטן יש השפעה משמעותית על התקדמות המחלה. בפרט, היפוקסיה היא המניע העיקרי של הישרדות סרטן, פלישה, ו chemoresistance. למרות מספר מודלים במבחנה פותחו כדי ללמוד פתולוגיה סרטן הקשורות היפוקסיה, יחסי הגומלין המורכבים של microenvironment סרטן שנצפו vivo לא שוחזר עדיין בשל חוסר שליטה מרחבית מדויקת. במקום זאת, גישות biofabrication 3D הוצעו כדי ליצור מערכות מיקרופיזיולוגיות עבור חיקוי טוב יותר של אקולוגיה סרטן והערכה מדויקת טיפול נגד סרטן. בזאת, אנו מציעים גישה של הדפסת תאים בתלת-ממד כדי ליצור סרטן היפוקסי על שבב. הרכיבים מעוררי היפוקסיה בשבב נקבעו על סמך הדמיית מחשב של התפלגות החמצן. טבעות קונצנטריות סרטן סטרומה הודפסו באמצעות bioinks המכילים תאים גליובלסטומה ותאי אנדותל כדי לסכם סוג של סרטן מוצק. השבב וכתוצאה מכך הבין היפוקסיה מרכזית ממאירות בנסיבות מחמירות בסרטן עם היווצרות של סמנים פתופיזיולוגיים מייצגים. בסך הכל, הגישה המוצעת ליצירת מערכת מיקרופיזיולוגית מוצקה-סרטן-מימטית צפויה לגשר על הפער בין מודלים in vivo ו in vitro לחקר הסרטן.

הסרטן ההיפוקסי על שבב פותח באמצעות טכנולוגיית הדפסת תאים תלת-ממדית בסיוע מחשב כדי לשחזר היפוקסיה ופתולוגיה הקשורה לסרטן (איור 1). הובלת חמצן וצריכתו היו מדומים באמצעות מודל הגיאומטריה 3D. השבב תוכנן בצורת טבעות קונצנטריות כדי לחקות את דיפוזיה ודלדול חמצן ?...

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

היפוקסיה היא סימן ההיכר של microenvironment הגידול ממלא תפקיד מכריע בהתקדמות הסרטן. מאמר זה מתאר את תהליך הייצור של סרטן היפוקסי על שבב המבוסס על טכנולוגיית הדפסת תאים 3D כדי לשחזר פתולוגיה הקשורות היפוקסיה של סרטן.

3D תא מודפס סרטן היפוקסי על שבב עבור recapitulating התקדמות פתולוגית של סרטן מוצק

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

היפוקסיה היא מניע מרכזי של התפתחות סרטן שגורם לחוסר יציבות גנומית וגידול. אנו מדגימים שיטה ליצירת היפוקסיה מרכזית בסרטן מוצק במבחנה המבוססת על טכנולוגיית הדפסה ביולוגית תלת מימדית. בשיטה זו, ניתן לשחזר שיפוע היפוקסי רדיו באמצעות אסטרטגיה פשוטה המשלבת מחסום חדיר גז מודפס 3D וכיסוי זכוכית.זה סרטן היפוקסי על שבב הטכנולוגיה ניתן להשתמש כדי לחזות את יעילות התרופה כדי להקל על מרשם תרופות נגד סרטן ספציפי לחולה. וזה גם צפוי לאפשר אבחנה מהירה של סרטן אגרסיבי. כדי לסייע בהכנת תמיסת קולגן מנוטרלת של שלושה מיליליטר לפני הג'ל, חותכים ספוגי קולגן של 30 מיליגרם לחתיכות בריבוע של חמישה על חמישה מילימטרים.מניחים את החלקים לתוך בקבוקון זכוכית סטרילי 10 מיליליטר ומוסיפים 2.4 מיליליטר של 0.2 מיקרון מזרק מסנן 0.1 חומצה הידרוכלורית נורמלית לבקבוקון עבור דגירה של שלושה ימים בארבע מעלות צלזיוס ו 15 מהפכות לדקה. לאחר העיכול, מסננים את כל חלקיקי הקולגן הלא מעוכלים באמצעות מסננת תאי מיקרון 40 ומאחסנים את תמיסת הקולגן החומצי בארבע מעלות צלזיוס עד שבעה ימים. כדי להתאים את ה- pH של תמיסת קולגן טרום ג'ל מנוטרלת 1%, להוסיף 30 microliters של פתרון אדום פנול לריכוז הסופי של 1%ו 300 microliters של 10X PBS לריכוז הסופי של 10%לאחר ערבוב וצנטריפוגה, להשתמש אחד הידרוקסיד נתרן נורמלי כדי לנטרל את ה- pH לשבע, אימות שינוי הצבע ולהוסיף מים מזוקקים כדי להשיג נפח כולל של שלושה מיליליטר.לאחר מכן לאחסן את ה-pH מותאם 1%מנוטרל פתרון קולגן מראש ג'ל ב 4 מעלות צלזיוס לשימוש בתוך שלושה ימים. כדי לבדוק מראש את הג'לציה של תמיסת קולגן טרום ג'ל מנוטרלת, השתמש פיפטה עקירה חיובית להוסיף 50 microliters של טיפות קולגן למנה קטנה דגירה טיפות באינקובטור 37 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת. בסוף הדגירה, בדוק אם הקולגן השתנה מצבע שקוף ללבן אטום.להטות את המיכל כדי לאשר כי הקולגן הוא לדבוק בחלק התחתון של המיכל. ויוצקים PBS על הטרופה כדי לאשר כי מבנה הקולגן אינו לשבור את הפתרון. להדפסה תלת-ממדית של תבנית PEVA, לחצו על 'קובץ' ושמרו את סוג הקובץ כ-STL להמרת קובץ ה-CAD בתלת-ממד לקובץ STL ולחצו על 'Option' וטופס פלט כ-ASCII ליצירת קוד ה-G.כדי לייבא את קובץ ה- STL שנוצר, לחץ על קובץ ופתח את קובץ STL ובחר את קובץ ה- STL שנשמר. כדי ליצור באופן אוטומטי את קוד ה-G של תבנית PEVA ההקרבה, בחר את דגם הפרוסה של מחליף STL-CAD. לאחר מכן כדי ליצור נתיבי הדפסה לייצור השבב, השתמש זרבובית דיוק 50 מד בלחץ פנאומטי של 500 קילופסקלים ב 110 מעלות צלזיוס כדי להדפיס את עובש PEVA הקרבה על שקופית היסטולוגיה הידרופילית דבק סטרילי.כדי להטיל את מחסום PDMS, ערבב שישה מיליליטרים של אלסטומר בסיס PDMS ו 600 microliters של חומר ריפוי במשך חמש דקות במאגר פלסטיק ולטעון את הפתרון מעורבב הומוגנית לתוך מזרק חד פעמי 10 מיליליטר. מצויד במזרק עם קצה מחלק מחודד מפלסטיק 20 מד ולמלא את עובש PEVA הקרבה עם פתרון PDMS מעורבב. ה- PDMS הממוזג ימלא תבנית PEVA הקרבה זו במשטח קמור והמחסום יהיה גבוה יותר מזה של התבנית.לאחר ריפוי מחסום PDMS בתנור 40 מעלות צלזיוס במשך יותר מ -36 שעות כדי למנוע המסת PEVA, להשתמש בזוג פינצטה מדויקת כדי לנתק את עובש PEVA הקרבה לעקר את מחסום חדיר הגז ב 120 מעלות צלזיוס במובלעת אוטומטית. כדי לערבב את הפתרון עם תאים סרטניים, resuspend כל סוג של גלולת תא שנאסף ב 20 microliters של מדיום תרבות ולהוסיף מיליליטר אחד של 1% מנוטרל פתרון קולגן מראש ג'ל לתוך כל אחד מתלי תאים לשימוש חוזר על קרח רטוב עם ערבוב עדין. השתמש פיפטה תזוזה חיובית לערבב כל השעיה תא.כאשר מתקבלים פתרונות הומוגניים, השתמש פיפטה חד פעמית חיובית להעביר את bioinks קולגן עטוף התא לתוך מזרקים חד פעמיים בודדים שלושה מיליליטר ולאחסן את המזרקים בארבע מעלות צלזיוס עד הדפסת תאים 3D. להדפסה תלת-ממדית של טבעות קונצנטריות סרטן סטרומה, להמיר את קובץ 3D CAD המתאים לפורמט קובץ STL ולהשתמש מחליף STL-CAD כדי ליצור G-קוד של טבעות קונצנטריות סרטן סטרומה. טען את הביו-לינקים של הקולגן המכומסים של התא לראש המדפסת התלת-ממדית והגדר את טמפרטורת הראש והצלחת ל-15 מעלות צלזיוס.לטעון את נתיב ההדפסה שנוצר על תוכנת הבקרה של מדפסת 3D ולחץ על התחל להדפיס את bioinks קולגן על מחסום חדיר גז על פי G-code טעון עם מחט פלסטיק 18 מד בלחץ פנאומטי של כ 20 קילופסטלים ב 15 מעלות צלזיוס. בסוף כל פעולת הדפסה, למקם באופן ידני כיסוי זכוכית מעוקר 22 על ידי 50 מילימטר על גבי מחסום חדיר הגז כדי ליצור את השיפוע היפוקסי. לאחר יצירת שלושה סרטן היפוקסי על שבבים להעביר את השבבים לחממה 37 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת לחצות את bioinks קולגן.כאשר כל סרטן היפוקסי על שבבים הודפסו, בעדינות שפשף את משקפי הכיסוי על גבי מחסומי גז חדירים עם מגרד תאים עבור מליטה הדוקה. כדי לרענן את המדיום של תרבות התאים לשבבים מבלי לנתק את מבנה הסרטן, הטה את השבבים והשתמש בפיפט כדי להציג 1.5 מיליליטר של מדיום צמיחת תאי אנדותל לצד כל שבב. סרטן היפוקסי על שבב תוכנן בצורה של טבעות קונצנטריות לחקות את דיפוזיה חמצן רדיאלי דלדול נצפתה ברקמות סרטן.לאחר הגדרת נפח הבקרה של מרחב שבו חמצן מפוזר ונצרך על ידי תאים, ניתן לקבוע צפיפות תאית מתאימה ליצירת היפוקסיה מרכזית באמצעות ניתוח אלמנט סופי חישובי. עם הדפסת תאים 3D, מבנה טבעת קונצנטרי סרטן סטרומה ממודר יכול להיווצר כדי לשחזר את התכונות האנטומיות של סרטן מוצק. מבחינה כמותית, הכדאיות של התאים לאחר ההדפסה היא בדרך כלל גדולה מ-96%, מה שמאשר שתנאי הייצור מתאימים לסרטן ולתאי סטרומה.בניתוח מייצג זה, שתי קבוצות הושוו על פי נוכחות והיעדר שיפוע החמצן כדי לאמת את ההשפעות של שיפוע היפוקסי על התקדמות הסרטן. בשני התנאים היו בתאי אנדותל CD31 חיוביים בתוך האזורים ההיקפיים, מה שמצביע על כך שמבנים חיים בעלי תבנית מרחבית יוצרו באמצעות טכנולוגיית הדפסה ביולוגית תלת-ממדית. בהשוואה למצב שלילי שיפוע חמצן המצב החיובי שיפוע הפגין שיפוע היפוקסי, המציין את הביטוי ההדרגתי של אלפא HIF1.SHMT2 תאים פסאודופליסד חיוביים SOX2 תאים פלוריפוטנטיים חיוביים נצפו גם, המעיד על נוכחות של תכונות פתופיזיולוגיות אגרסיביות של סרטן מוצק. סרטן היפוקסי על שבב הוא כלי שימושי לחקירת המאפיינים הפתופיזיולוגיים של סרטן מוצק ואת crosstalk דינמי בין תאים סרטניים tumorigenesis קידום microenvironment. מכיוון שניתן להתאים את המתודולוגיה לעיצוב תרופה ספציפית לחולה בפרק זמן סביר, גישה זו צפויה לגשר על הפער בין מודלים של סרטן vivo ו- in vitro.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Tracking Hypoxic Signaling within Encapsulated Cell Aggregates

איתות hypoxic מעקב בתוך תא מצרפי Encapsulated

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

חלבון ניטור ספיחה עם מצב מוצק 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

לדוגמא הכנת אסטרטגיות להדמית ספקטרומטריית המסה של מודלי תרבית תאי 3D

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

מוצקים שומנים חלקיקים (SLNs) אפליקציות לתאיות מיקוד

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

ביעור Cell סלקטיבי מן תרבות 3D מעורבת באמצעות טכניקה האדומה קרוב Photoimmunotherapy

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

הכנת ג&#39;לי 3D קולגן microchannels לחקר אינטראקציות 3D<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 והרכבת 3D microvessels

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

דוגמנות התנהגות אליפטית סרטן השחלות תאיים בתוך Microdevice הצפק 3D דינמי

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 של הסחוס, תחליפי רקמת העור ניצול פסיבים הרומן ערבוב טכניקה יחידה עבור 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

נוקשה ההטמעה של קבוע, צבעונית, ככלל, דגימות מילימטר-סולם עבור היסטולוגיה ללא סעיף תלת-ממד על-ידי מיקרו-שחושב טומוגרפיה

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 ...