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

Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal Ministero dell'Istruzione (n. 2020R1A6A1A03047902 e NRF-2018H1A2A1062091) e dal governo coreano (MSIT) (n. NRF-2019R1C1C1009606 e NRF-2019R1A3A3005437).

1. Simulazione al computer della formazione di gradienti di ossigeno
<ol><li>
Generazione di un modello di geometria 3D per la stampa ipossica cancro su chip
	<ol>
<li>Eseguire un software CAD 3D.</li>
		<li>Tracciate il modello geometrico del cancro ipossico su chip. Fate clic su Sketch e selezionate il piano desiderato per disegnare la geometria. Fare riferimento al disegno (Figura 2A) per la scala di dettaglio di ciascuna parte.</li>
		<li>Impostate lo ...

<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 questo studio, descriviamo il processo di fabbricazione di un cancro ipossico su chip basato sulla tecnologia di stampa cellulare 3D. La formazione del gradiente ipossia nel chip progettato è stata prevista attraverso simulazioni al computer. L'ambiente in grado di indurre un gradiente ipossia eterogeneo è stato riprodotto attraverso una semplice strategia che combina la barriera permeabile al gas stampata in 3D e la copertura in vetro. Le caratteristiche patologiche correlate all'ipossia del glioblastoma, tra cui l...

Il microambiente oncologico è un fattore critico che guida la progressione del cancro. Più componenti, inclusi segnali biochimici, biofisici e cellulari, determinano le caratteristiche patologiche del cancro. Tra questi, l'ipossia è fortemente associata alla sopravvivenza, alla proliferazione e all'invasionedel cancro 1. A causa della crescita e della divisione illimitate di cellule tumorali, i nutrienti e l'ossigeno sono continuamente esauriti e viene generato un gradiente ipossia. In condizioni di basso ossigeno, le cellule attivano la cascata molecolare associata al fattore di trascrizione ipossia-inducibile (HIF). Questo processo induce un nucleo necrotico, innesca cambiamenti metabolici e avvia l'iperplasia e la metastasi dei vasisanguigni 2,3. Successivamente, l'ipossia nelle cellule tumorali causa la distruzione dei tessuti normali vicini. Inoltre, l'ipossia è fortemente associata alla resistenza terapeutica dei tumori solidi in modi multifattoriali. L'ipossia può ostacolare gravemente la radioterapia, in quanto la radiosensibilità è limitata a causa della speciereattiva dell'ossigeno 1,4. Inoltre, diminuisce i livelli di pH dei microambientati tumorali, il che diminuisce l'accumulo difarmaci 1. Pertanto, la riproduzione di caratteristiche patologiche legate all'ipossia in vitro è una strategia promettente per i risultati scientifici e precli clinici.
La modellazione di un microambiente specifico del cancro è essenziale per comprendere lo sviluppo del cancro ed esplorare trattamenti appropriati. Sebbene i modelli animali siano stati ampiamente utilizzati a causa della loro forte rilevanza fisiologica, esistono problemi relativi alle differenze di specie e ai problemietici 5. Inoltre, sebbene i modelli 2D e 3D convenzionali consentano la manipolazione e l'imaging in tempo reale delle cellule tumorali per un'analisi approfondita, la loro complessità architettonica e cellulare non può essere completamente riepilogata. Ad esempio, i modelli di sferoidi tumorali sono stati ampiamente utilizzati, poiché l'aggregazione delle cellule tumorali in uno sferoide può generare naturalmente ipossia nel nucleo. Inoltre, un gran numero di sferoidi cellulari di dimensioni uniformi sono stati prodotti utilizzando sistemi multi-pozzo a base di plastica o silicone6,7. Tuttavia, la minore flessibilità per quanto riguarda la cattura dell'esatta struttura eterogenea dei tessuti cancerosi con piattaforme convenzionali ha richiesto la creazione di una tecnologia avanzata di biofabbricazione per costruire una piattaforma altamente biomimetica per migliorare la ricerca sulcancro 8.
I sistemi microfisiologici 3D (MPS) sono strumenti utili per ricapitolare la complessa geometria e progressione patologica delle cellule tumorali9. Poiché le cellule tumorali percepisce il gradiente biochimico dei fattori di crescita e delle chemiochine e l'eterogeneità meccanica riprodotta sul sistema, importanti caratteristiche dello sviluppo del cancro possono essere studiate in vitro. Ad esempio, la vitalità del cancro, la malignità metastatica e la resistenza ai farmaci a seconda delle diverse concentrazioni di ossigeno sono state studiate utilizzando MPS10,11. Nonostante i recenti progressi, la generazione di condizioni ipossiche di modelli in vitro si basa su complesse procedure di fabbricazione, incluso il collegamento con pompe di gas fisiche. Pertanto, sono necessari metodi semplici e flessibili per costruire microambientati specifici per il cancro.
La tecnologia di stampa cellulare 3D ha attirato notevole attenzione grazie al suo preciso controllo della disposizione spaziale dei biomateriali per ricapitolare architetture biologiche native12. In particolare, questa tecnologia supera i limiti esistenti dei modelli di ipossia 3D grazie alla sua elevata controllabilità e fattibilità per costruire le caratteristiche spaziali del microambiente tumorali. La stampa 3D facilita anche la produzione computer-aided attraverso un processo strato per strato, fornendo così una costruzione rapida, accurata e riproducibile di geometrie complesse per imitare le architetture tissutali reali. Oltre ai vantaggi delle strategie di produzione esistenti per gli MPS 3D, le caratteristiche fisiopatiche della progressione del cancro possono essere riprodotte modellando i componenti biochimici, cellulari e biofisici13,14.
Nel presente documento, presentiamo una strategia di stampa cellulare 3D per un cancro ipossico su chip per ricapitolare l'eterogeneità di un cancro solido (Figura 1)15. I parametri di fabbricazione sono stati determinati attraverso una simulazione computazionale della formazione centrale di ipossia nel sistema. Gli anelli concentrici dello stroma tumorale sono stati stampati utilizzando bioinchiostri di collagene contenenti cellule di glioblastoma e cellule endoteliali per emulare la fisiopatologia del glioblastoma, un tipo di cancro solido. La formazione di un gradiente radiale di ossigeno aggravava la malignità del cancro, indicando una maggiore aggressività. Inoltre, indichiamo prospettive future per le applicazioni del chip a modelli preclinici specifici del paziente. L'approccio proposto per la creazione di un sistema microfisiologico solido-cancero-mimetico dovrebbe colmare il divario tra modelli di cancro in vivo e in vitro.

<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

Il microambiente tumorale ha un impatto significativo sulla progressione della malattia. In particolare, l'ipossia è il principale motore della sopravvivenza, dell'invasione e della chemoresistance del cancro. Sebbene siano stati sviluppati diversi modelli in vitro per studiare la patologia del cancro legata all'ipossia, la complessa interazione del microambiente tumorale osservato in vivo non è stata ancora riprodotta a causa della mancanza di un preciso controllo spaziale. Invece, sono stati proposti approcci di biofabbricazione 3D per creare sistemi microfisiologici per una migliore emulazione dell'ecologia del cancro e un'accurata valutazione del trattamento antitumorali. Qui, proponiamo un approccio di stampa cellulare 3D per fabbricare un cancro ipossico su un chip. I componenti ipossia-inducenti nel chip sono stati determinati sulla base di una simulazione al computer della distribuzione dell'ossigeno. Gli anelli concentrici dello stroma tumorale sono stati stampati utilizzando bioinchiostri contenenti cellule di glioblastoma e cellule endoteliali per ricapitolare un tipo di cancro solido. Il chip risultante ha realizzato ipossia centrale e malignità aggravata nel cancro con la formazione di marcatori fisiopatologici rappresentativi. Nel complesso, l'approccio proposto per la creazione di un sistema microfisiologico solido-cancero-mimetico dovrebbe colmare il divario tra modelli in vivo e in vitro per la ricerca sul cancro.

L'ipossico cancer-on-a-chip è stato sviluppato utilizzando la tecnologia di stampa cellulare 3D aiutata dal computer per ricapitolare l'ipossia e la patologia correlata al cancro (Figura 1). Il trasporto e il consumo di ossigeno sono stati simulati utilizzando il modello di geometria 3D. Il chip è stato progettato sotto forma di anelli concentrici per imitare la diffusione e l'esaurimento radiale dell'ossigeno nei tessuti tumorali (Figu...

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

L'ipossia è un segno distintivo del microambiente tumorale e svolge un ruolo cruciale nella progressione del cancro. Questo articolo descrive il processo di fabbricazione di un cancro ipossico su chip basato sulla tecnologia di stampa cellulare 3D per ricapitolare una patologia del cancro correlata all'ipossia.

Cancro ipossia stampato in cellule 3D su chip per ricapitolare la progressione patologica del cancro solido

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

L'ipossia è un fattore chiave dello sviluppo del cancro che induce instabilità genomica e tumorigenesi. Dimostriamo un metodo per generare ipossia centrale in un cancro solido in vitro basato sulla tecnologia di biostampa 3D. Utilizzando questo metodo, un gradiente ipossico radio può essere riprodotto utilizzando una semplice strategia che combina una barriera permeabile al gas stampata in 3D e una copertura in vetro.Questa tecnologia on-a-chip per il cancro ipossico può essere utilizzata per prevedere l'efficacia del farmaco per facilitare la prescrizione di farmaci antitumorali specifici del paziente. E ci si aspetta anche che consenta una diagnosi rapida dei tumori aggressivi. Per aiutare nella preparazione di una soluzione pre-gel di collagene neutralizzata da tre millilitri, tagliare spugne di collagene da 30 milligrammi in pezzi quadrati di cinque per cinque millimetri.Mettere i pezzi in una fiala sterile di vetro da 10 millilitro e aggiungere 2,4 millilitri di filtro siringa da 0,2 micron 0,1 normale acido cloridrico al flaconcino per un'incubazione di tre giorni a quattro gradi Celsius e 15 giri al minuto. Dopo la digestione, filtrare eventuali particelle di collagene non digerite attraverso un colino cellulare da 40 micron e conservare la soluzione acida di collagene a quattro gradi Celsius per un massimo di sette giorni. Per regolare il pH della soluzione pre-gel di collagene neutralizzata all'1%, aggiungere 30 microlitri di soluzione rosso fenolo a una concentrazione finale di 1% e 300 microlitri di 10X PBS a una concentrazione finale del 10%Dopo la miscelazione e la centrifugazione, utilizzare un normale idrossido di sodio per neutralizzare il pH a sette, verificando il cambiamento di colore e aggiungere acqua distillata per ottenere un volume totale di tre millilitri.Quindi conservare la soluzione pre-gel di collagene regolata all'1% regolata all'1% a quattro gradi Celsius per l'uso entro tre giorni. Per precontrollare la gelazione della soluzione pre-gel di collagene neutralizzata, utilizzare una pipetta di spostamento positiva per aggiungere 50 microlitri di goccioline di collagene a un piccolo piatto e incubare le goccioline in un'incubatrice di 37 gradi Celsius per un'ora. Alla fine dell'incubazione, controlla se il collagene è cambiato da un colore trasparente a un bianco opaco.Inclinare il contenitore per confermare che il collagene aderisce al fondo del contenitore. E versare PBS sulla goccia per confermare che il costrutto di collagene non si rompe in soluzione. Per la stampa 3D di uno stampo PEVA sacrificale, fate clic su File e salvate il tipo di file come STL per convertire il file CAD 3D in un file STL e fate clic su Opzione (Option) e forma di output (Option and output form) come ASCII per generare il codice G.Per importare il file STL generato, fare clic su File e aprire il file STL e selezionare il file STL salvato. Per generare automaticamente il codice G dello stampo PEVA sacrificale, selezionate il modello slice dello scambiatore STL-CAD. Quindi, per generare percorsi di stampa per la fabbricazione del truciolo, utilizzare un ugello di precisione calibro 50 a una pressione pneumatica di 500 kilopascal a 110 gradi Celsius per stampare lo stampo PEVA sacrificale su uno scivolo istologico idrofilo adesivo sterile.Per lanciare la barriera PDMS, mescolato sei millilitri di elastomero di base PDMS e 600 microlitri di agente polimerizzante per cinque minuti in un serbatoio di plastica e caricare la soluzione miscelata in modo omogeneo in una siringa monouso da 10 millilitri. Dotato la siringa di una punta di erogazione affusolata in plastica calibro 20 e riempire lo stampo PEVA sacrificale con la soluzione PDMS miscelata. Il PDMS miscelato riempirà questo stampo PEVA sacrificale con una superficie convessa e la barriera sarà superiore a quella dello stampo.Dopo aver curato la barriera PDMS in un forno a 40 gradi Celsius per oltre 36 ore per evitare di fondere il PEVA, utilizzare un paio di pinzette di precisione per staccare lo stampo PEVA sacrificale e sterilizzare la barriera permeabile al gas a 120 gradi Celsius in autoclave. Per mescolare la soluzione con le cellule tumorali, rimorsi di ogni tipo di pellet cellulare raccolto in 20 microlitri di terreno di coltura e aggiungere un millilitro di soluzione pre-gel di collagene neutralizzata all'1% in ciascuna delle sospensioni cellulari rimonite su ghiaccio umido con miscelazione delicata. Utilizzare una pipetta di spostamento positiva per mescolare ogni sospensione cellulare.Quando si ottengono soluzioni omogenee, utilizzare una pipetta monouso positiva per trasferire i bioinchiostri di collagene incapsulati cellulari in singole siringhe monouso da tre millilitri e conservare le siringhe a quattro gradi Celsius fino alla stampa di cellule 3D. Per la stampa 3D di anelli concentrici cancero-stroma, convertire il file CAD 3D appropriato in un formato di file STL e utilizzare uno scambiatore STL-CAD per generare un codice G degli anelli concentrici cancro-stroma. Caricare i bioinchiostri di collagene incapsulati nella testa della stampante 3D e impostare la temperatura della testa e della piastra a 15 gradi Celsius.Caricare il percorso di stampa generato sul software di controllo della stampante 3D e fare clic su Avvia per stampare i bioinchiostri di collagene sulla barriera permeabile al gas in base al codice G caricato con un ago di plastica calibro 18 a una pressione pneumatica di circa 20 kilopascal a 15 gradi Celsius. Al termine di ogni operazione di stampa, posizionare manualmente una copertura di vetro sterilizzata da 22 per 50 millimetri sopra la barriera permeabile al gas per generare il gradiente ipossia. Dopo aver generato tre cancerosi ipossici sui chip, trasferisci i chip in un'incubatrice di 37 gradi Celsius per un'ora per incrociare i bioinchiostri di collagene.Quando tutti i cancerosi ipossici su chip sono stati stampati, strofinare delicatamente gli occhiali di copertura sopra le barriere permeabili al gas con un raschietto cellulare per un incollaggio stretto. Per aggiornare il mezzo di coltura cellulare ai trucioli senza staccare il costrutto del cancro, inclinare i trucioli e utilizzare una pipetta per introdurre 1,5 millilitri di mezzo di crescita cellulare endoteliale sul lato di ogni chip. L'ipossico cancer-on-a-chip è stato progettato sotto forma di anelli concentrici per imitare la diffusione radiale dell'ossigeno e l'esaurimento osservati nei tessuti tumorali.Dopo aver definito il volume di controllo di uno spazio in cui l'ossigeno viene diffuso e consumato dalle cellule, una densità cellulare appropriata per la generazione centrale di ipossia può essere determinata attraverso l'analisi computazionale degli elementi finiti. Dopo la stampa cellulare 3D, è possibile creare una struttura ad anello concentrica cancro-stroma compartimentata per riprodurre le caratteristiche anatomiche del cancro solido. Quantitativamente, la vitalità delle cellule post-stampa è in genere superiore al 96% confermando che le condizioni di produzione sono appropriate per il cancro e le cellule stromali.In questa analisi rappresentativa, due gruppi sono stati confrontati in base alla presenza e all'assenza del gradiente di ossigeno per verificare gli effetti di un gradiente ipossia sulla progressione del cancro. In entrambe le condizioni erano presenti cellule endoteliali positive CD31 mature all'interno delle regioni periferiche, indicando che i costrutti viventi a motivi spaziali sono stati prodotti utilizzando la tecnologia di biostampia 3D. Rispetto alla condizione negativa del gradiente di ossigeno, la condizione positiva gradiente ha dimostrato un gradiente ipossia, indicando l'espressione graduale di HIF1 alpha.Sono state osservate anche cellule pseudopalisaded positive SHMT2 e cellule pluripotenti positive SOX2, indicative della presenza di caratteristiche fisiopatiche aggressive del cancro solido. Il cancero-on-a-chip ipossia è uno strumento utile per studiare le caratteristiche fisiopatiche dei tumori solidi e il crosstalk dinamico tra cellule tumorali e tumorigenesi che promuovono il microambiente. Poiché la metodologia può essere adattata per una progettazione di farmaci specifica per il paziente in un lasso di tempo ragionevole, questo approccio dovrebbe colmare il divario tra modelli di cancro in vivo e in vitro.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Tracking Hypoxic Signaling within Encapsulated Cell Aggregates

Tracciamento di segnalazione all&#39;interno di aggregati di cellule ipossiche Encapsulated

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

Ricerca

Bioingegneria

Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Monitoraggio delle proteine ​​con a stato solido Nanopori

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

Campione strategie di preparazione per la Spettrometria di Massa Imaging di 3D Models Cultura cellulare

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 Lipid nanoparticelle (linfonodi sentinella) Applicazioni per intracellulare targeting

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

Selective cellulare eliminazione dalla misto Cultura 3D utilizzando una tecnica Near Infrared 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

Preparazione del 3D collagene Gel e microcanali per lo studio delle interazioni 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 e montaggio dei microvasi 3D

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

Modellazione Comportamento Ovarian Cancer multicellulare Spheroid in un Microdevice dinamica 3D peritoneale

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

Multimateriali di cartilagine e pelle tessuto analoghi utilizzando un romanzo passivo unità tecnica di miscelazione per 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

Rigida incorporamento di fisso e macchiato, complesso, scala millimetrata esemplari per l'istologia privo di sezione 3D da Micro-tomografia computerizzata

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 ...