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

Это исследование было поддержано Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF), финансируемым Министерством образования (No 2020R1A6A1A03047902 и NRF-2018H1A2A1062091) и правительством Кореи (MSIT) (No. NRF-2019R1C1C1009606 и NRF-2019R1A3A3005437).

1. Компьютерное моделирование образования градиента кислорода
<ol><li>
Генерация 3D-геометрической модели для гипоксической печати рака на чипе
	<ol>
<li>Запустите программное обеспечение 3D CAD.</li>
		<li>Набросок геометрической модели гипоксического рака на чипе. Нажмите на Sketch </stron...

<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>

В этом исследовании мы описываем процесс изготовления гипоксического рака на чипе на основе технологии 3D-печати клеток. Формирование гипоксического градиента в проектируемом чипе было предсказато с помощью компьютерного моделирования. Среда, которая может индуцировать гетерогенный...

Микроокружение рака является критическим фактором, стимулирующим прогрессирование рака. Множественные компоненты, включая биохимические, биофизические и клеточные сигналы, определяют патологические особенности рака. Среди них гипоксия тесно связана с выживаемостью при раке, пролифрацией и инвазией1. Из-за неограниченного роста и деления раковых клеток питательные вещества и кислород непрерывно истощаются, и генерируется гипоксический градиент. В условиях низкого содержания кислорода клетки активируют молекулярный каскад, связанный с гипоксией индуцируемым транскрипционным фактором (HIF). Этот процесс индуцирует некротическое ядро, запускает метаболические изменения и инициирует гиперплазию кровеносных сосудов и метастазирование2,3. Впоследствии гипоксия в раковых клетках вызывает разрушение соседних нормальных тканей. Кроме того, гипоксия тесно связана с терапевтической устойчивостью солидных опухолей многофакторными способами. Гипоксия может сильно препятствовать лучевой терапии, так как радиочувствительность ограничена из-за активных форм кислорода1,4. Кроме того, снижается уровень рН раковых микросред, что уменьшает накопление препарата1. Поэтому воспроизведение патологических особенностей, связанных с гипоксией in vitro, является перспективной стратегией для научных и доклинических результатов.
Моделирование конкретной микросреды рака имеет важное значение для понимания развития рака и изучения соответствующих методов лечения. Хотя животные модели широко используются из-за их сильной физиологической значимости, существуют вопросы, связанные с видовых различиями и этическими проблемами5. Кроме того, хотя обычные 2D- и 3D-модели позволяют манипулировать раковыми клетками в режиме реального времени для углубленного анализа, их архитектурная и клеточная сложность не может быть полностью повторена. Например, модели раковых сфероидов широко используются, так как агрегация раковых клеток в сфероиде может естественным образом генерировать гипоксию в ядре. Кроме того, большое количество клеточных сфероидов однородного размера было получено с использованием многоязычных систем6, 7наосновепластика или силикона. Однако более низкая гибкость в отношении захвата точной гетерогенной структуры раковых тканей с помощью обычных платформ потребовала создания передовой технологии биофабрикации для создания высокобиомиметической платформы для улучшения исследований рака8.
3D микрофизиологические системы (MPS) являются полезными инструментами для рекапитуляции сложной геометрии и патологического прогрессирования раковых клеток9. Поскольку раковые клетки ощущают биохимический градиент факторов роста и хемокиных веществ и механическую гетерогенность, воспроизводимую в системе, важные особенности развития рака могут быть исследованы in vitro. Например, жизнеспособность рака, метастатическая злокачественность и лекарственная устойчивость в зависимости от изменяющихся концентраций кислорода были изучены с использованием MPSs10,11. Несмотря на последние достижения, создание гипоксических состояний моделей in vitro зависит от сложных процедур изготовления, включая соединение с физическими газовыми насосами. Поэтому необходимы простые и гибкие методы построения специфических для рака микросред.
Технология 3D-печати клеток привлекла значительное внимание из-за ее точного контроля пространственного расположения биоматериалов для рекапитуляции нативных биологических архитектур12. В частности, эта технология преодолевает существующие ограничения моделей 3D-гипоксии благодаря своей высокой управляемости и возможности построения пространственных особенностей микроокружения рака. 3D-печать также облегчает автоматизированное производство с помощью послойного процесса, тем самым обеспечивая быстрое, точное и воспроизводимое построение сложных геометрий для имитации фактических архитектур тканей. В дополнение к преимуществам существующих стратегий производства 3D MPS, патофизиологические особенности прогрессирования рака могут быть воспроизведены путем паттернов биохимических, клеточных и биофизических компонентов13,14.
Здесь мы представляем стратегию 3D-печати клеток для гипоксического рака на чипе для рекапитуляции гетерогенности твердого рака(рисунок 1)15. Параметры изготовления были определены с помощью вычислительного моделирования образования центральной гипоксии в системе. Концентрические кольца Рака-Стромы были напечатаны с использованием коллагеновых биоинков, содержащих клетки глиобластомы и эндотелиальные клетки, чтобы имитировать патофизиологию глиобластомы, типа солидного рака. Образование радиального градиента кислорода усугубляет злокачественность рака, что свидетельствует об усилении агрессивности. Кроме того, мы указываем будущие перспективы применения чипа к доклиническим моделям, специфичным для пациента. Ожидается, что предлагаемый подход к созданию твердой миметической микрофизиологической системы рака преодолеет разрыв между моделями рака in vivo и 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

Рак микроокружения оказывает значительное влияние на прогрессирование заболевания. В частности, гипоксия является ключевым фактором выживания при раке, инвазии и хеморазистанции. Хотя для изучения патологии рака, связанной с гипоксией, было разработано несколько моделей in vitro, сложное взаимодействие микроокружения рака, наблюдаемое in vivo, еще не было воспроизведено из-за отсутствия точного пространственного контроля. Вместо этого были предложены подходы к 3D-биофабрикации для создания микрофизиологических систем для лучшей эмуляции экологии рака и точной оценки противоопухолевого лечения. Здесь мы предлагаем подход к 3D-клеточной печати для изготовления гипоксического рака на чипе. Вызывающие гипоксию компоненты в чипе были определены на основе компьютерного моделирования распределения кислорода. Концентрические кольца Рак-строма были напечатаны с использованием биолинь, содержащих клетки глиобластомы и эндотелиальные клетки, для рекапитуляции типа солидного рака. Полученный чип реализовал центральную гипоксию и усугубил злокачественность при раке с образованием репрезентативных патофизиологических маркеров. В целом, ожидается, что предлагаемый подход к созданию микрофизиологической системы с твердым раком и миметикой преодолеет разрыв между моделями in vivo и in vitro для исследований рака.

Гипоксический рак на чипе был разработан с использованием автоматизированной технологии 3D-печати клеток для повторения гипоксии и патологии, связанной с раком(рисунок 1). Транспортировка и потребление кислорода моделировались с использованием 3D-геом...

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

Гипоксия является отличительной чертой микроокружения опухоли и играет решающую роль в прогрессировании рака. В этой статье описывается процесс изготовления гипоксического рака на чипе на основе технологии 3D-печати клеток для повторения патологии рака, связанной с гипоксией.

3D-клеточная печать гипоксического рака на чипе для рекапитуляции патологической прогрессии солидного рака

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

Гипоксия является ключевым фактором развития рака, который вызывает геномную нестабильность и опухолевый генез. Мы демонстрируем метод генерации центральной гипоксии при солидном раке in vitro на основе технологии 3D-биопечати. Используя этот метод, радио гипоксический градиент может быть воспроизведен с использованием простой стратегии, которая сочетает в себе 3D-печатный газопроницаемый барьер и стеклянную крышку.Эта технология гипоксического рака на чипе может быть использована для прогнозирования эффективности лекарств для облегчения назначения пациентом специфических противоопухолевых препаратов. И ожидается, что это также позволит быстро диагностировать агрессивный рак. Чтобы помочь в приготовлении трехмиллилитрового нейтрализованного раствора коллагена предварительного геля, нарежьте 30 миллиграммовых коллагеновых губок на квадратные кусочки пять на пять миллиметров.Поместите кусочки в стерильный стеклянный флакон размером 10 миллилитров и добавьте 2,4 миллилитра 0,2 микрона шприцевого фильтра 0,1 обычной соляной кислоты во флакон для трехдневной инкубации при четырех градусах Цельсия и 15 оборотах в минуту. После пищеварения процедите любые непереваренные частицы коллагена через 40-микронный клеточный ситечко и храните раствор кислого коллагена при четырех градусах Цельсия в течение семи дней. Чтобы отрегулировать рН 1% нейтрализованного раствора коллагена предварительного геля, добавьте 30 микролитров раствора фенол-красного до конечной концентрации 1% и 300 микролитров 10X PBS до конечной концентрации 10% После смешивания и центрифугирования используйте один нормальный гидроксид натрия для нейтрализации рН до семи, проверяя изменение цвета и добавляя дистиллированную воду для получения общего объема трех миллилитров.Затем храните скорректированный pH 1% нейтрализованный раствор коллагена предварительного геля при четырех градусах Цельсия для использования в течение трех дней. Чтобы предварительно проверить гелеобразование нейтрализованного раствора коллагена предварительного геля, используйте пипетку с положительным смещением, чтобы добавить 50 микролитров капель коллагена в небольшую посуду и высиживают капли в инкубаторе с 37 градусами Цельсия в течение одного часа. В конце инкубации проверьте, изменился ли коллаген с прозрачного цвета на непрозрачный белый.Наклоните контейнер, чтобы убедиться, что коллаген прилип к дну контейнера. И вылейте PBS на каплю, чтобы подтвердить, что конструкция коллагена не ломается в растворе. Для 3D-печати жертвенной формы PEVA щелкните Файл и сохраните тип файла как STL, чтобы преобразовать файл 3D CAD в файл STL, и нажмите Опция и выведите форму как ASCII для генерации G-кода.Чтобы импортировать созданный STL-файл, щелкните Файл, откройте STL-файл и выберите сохраненный STL-файл. Для автоматической генерации G-кода жертвенной формы PEVA выберите срезовую модель обменника STL-CAD. Затем, чтобы сгенерировать пути печати для изготовления чипа, используйте сопло точности 50 калибра при пневматическом давлении 500 килопаскалей при 110 градусах Цельсия, чтобы напечатать жертвенную форму PEVA на стерильном клейком гидрофильном гистологическом слайде.Чтобы отлить барьер PDMS, смешайте шесть миллилитров базового эластомера PDMS и 600 микролитров отверждающего агента в течение пяти минут в пластиковом резервуаре и загрузите однородно смешанный раствор в одноразовый шприц объемом 10 миллилитров. Шприц оснащен пластиковым коническим дозизатором 20 калибра и наполните жертвенную форму PEVA смешанным раствором PDMS. Смешанный PDMS наполнит эту жертвенную форму PEVA выпуклой поверхностью, и барьер будет выше, чем у формы.После отверждения барьера PDMS в печи с температурой 40 градусов Цельсия в течение более 36 часов, чтобы избежать плавления PEVA, используйте пару прецизионных пинцетов для отсоединения жертвенной формы PEVA и стерилизуйте газопроницаемый барьер при 120 градусах Цельсия в автоклаве. Чтобы смешать раствор с раковыми клетками, повторно суспендируют каждый тип собранной клеточной гранулы в 20 микролитрах питательной среды и добавляют один миллилитр 1% нейтрализованного раствора коллагена предварительного геля в каждую из повторно суспендированных клеточных суспензий на влажном льду с мягким перемешиванием. Используйте пипетку с положительным смещением, чтобы смешать каждую клеточную суспензию.При получении однородных растворов используйте положительную одноразовую пипетку для переноса инкапсулированных коллагеновых биочернил ячеек в отдельные одноразовые шприцы с тремя миллилитрами и храните шприцы при четырех градусах Цельсия до 3D-печати клеток. Для 3D-печати концентрических колец рак-строма преобразуйте соответствующий файл 3D CAD в формат файла STL и используйте обменник STL-CAD для генерации G-кода концентрических колец рака-стромы. Загрузите ячейку инкапсулированных коллагеновых биолитков в головку 3D-принтера и установите температуру головки и пластины на 15 градусов Цельсия.Загрузите сгенерированный путь печати на управляющая программу 3D-принтера и нажмите кнопку Пуск, чтобы напечатать коллагеновые биочернила на газопроницаемом барьере в соответствии с загруженным G-кодом с пластиковой иглой 18 калибра при пневматическом давлении около 20 килопаскалей при 15 градусах Цельсия. В конце каждой операции печати вручную поместите стерилизованную стеклянную крышку 22 на 50 миллиметров поверх газопроницаемого барьера для создания гипоксического градиента. После генерации трех гипоксических раковых опухолей на чипах перенесите чипы в инкубатор с 37 градусами Цельсия в течение одного часа, чтобы сшить коллагеновые биочернила.Когда все гипоксические раковые чипы будут напечатаны, аккуратно потрите крышку стекла поверх газопроницаемых барьеров с помощью скребка для плотного склеивания. Чтобы освежить среду культивирования клеток до чипов без отсоединения раковой конструкции, наклоните чипы и используйте пипетку, чтобы ввести 1,5 миллилитра среды роста эндотелиальных клеток в сторону каждого чипа. Гипоксический рак на чипе был разработан в виде концентрических колец, чтобы имитировать радиальную диффузию кислорода и истощение, наблюдаемые в раковых тканях.После определения контрольного объема пространства, в котором кислород рассеивается и потребляется клетками, соответствующая клеточная плотность для генерации центральной гипоксии может быть определена с помощью вычислительного анализа конечных элементов. При 3D-печати клеток может быть создана разделенная концентрическая кольцевая структура рака-стромы для воспроизведения анатомических особенностей твердого рака. Количественно жизнеспособность клеток после печати обычно превышает 96%, подтверждая, что производственные условия подходят для раковых и стромальных клеток.В этом репрезентативном анализе две группы сравнивали в соответствии с наличием и отсутствием градиента кислорода, чтобы проверить влияние гипоксического градиента на прогрессирование рака. В обоих условиях зрелые CD31 положительные эндотелиальные клетки присутствовали в периферических областях, что указывает на то, что пространственно узорчатые живые конструкции были получены с использованием технологии 3D-биопечати. По сравнению с отрицательным состоянием градиента кислорода градиентное положительное состояние продемонстрировало гипоксический градиент, указывающий на постепенную экспрессию HIF1 альфа.Также наблюдались SHMT2-положительные псевдопализованные клетки и SOX2-положительные плюрипотентные клетки, свидетельствующие о наличии агрессивных патофизиологических особенностей солидного рака. Гипоксический рак на чипе является полезным инструментом для исследования патофизиологических характеристик солидных раковых заболеваний и динамических перекрестных помех между раковыми клетками и опухолевым генезом, способствующим микроокружению. Поскольку методология может быть адаптирована для разработки лекарственного средства для конкретного пациента в разумные сроки, ожидается, что этот подход преодолеет разрыв между моделями рака in vivo и in vitro.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Tracking Hypoxic Signaling within Encapsulated Cell Aggregates

Отслеживание Гипоксическая сигнализации в Encapsulated Агрегаты сотовый

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

Мониторинг белка адсорбция с помощью полупроводниковых нанопор

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

Пробоподготовки Стратегии масс-спектрометрии изображений 3D-клеточной культуре Модели

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

Твердые липидов Наночастицы (SLNS) для внутриклеточного Ориентация Приложения

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

Селективный Cell Исключение из смешанной 3D культуры Использование ближней инфракрасной области Photoimmunotherapy Техника

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

Подготовка 3D Коллаген Гели и микроканалов для изучения 3D взаимодействий<em&gt; В 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 и сборка 3D микрососудов

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

Моделирование рака яичников Многоклеточная Сфероид Поведение в микроустройство Dynamic 3D перитонеального

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

Подложке хряща и аналогов ткани кожи, используя Роман пассивного смешивания единицы техники для 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

Жесткая встраивание фиксированной и витражи, в целом, миллиметр масштаб образцов для секции Бесплатные 3D гистологии, Микро Компьютерная томография

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 ...