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

Denna forskning stöddes av Koreas nationella forskningsstiftelse (NRF) som finansierades av utbildningsministeriet (nr 2020R1A6A1A03047902 och NRF-2018H1A2A1062091) och Koreas regering (MSIT) (nr. NRF-2019R1C1C1009606 och NRF-2019R1A3A3005437).

1. Datorsimulering av syregradientbildning
<ol><li>
Generering av en 3D-geometrimodell för hypoxisk cancer-på-ett-chip-utskrift
	<ol>
<li>Kör en 3D CAD-programvara.</li>
		<li>Skissa geometrimodellen av hypoxisk cancer-på-ett-chip. Klicka på Skissa och välj önskat plan för att rita geometrin. Se ritningen (figur 2A) för detaljskalan för varje del.</li>
		<li>Ställ in geometrins tjocklek genom att klicka på Feature-Protrusion Boss/Base</...

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

I denna studie beskriver vi tillverkningsprocessen för en hypoxisk cancer-på-ett-chip baserad på 3D-celltrycksteknik. Bildandet av hypoxic gradienten i det utformade chipet förutspåddes genom datorsimuleringar. Miljön som kan inducera en heterogen hypoxic gradient reproducerades via en enkel strategi som kombinerar den 3D-printade gas-permeable barriären och glas locket. Hypoxi-relaterade patologiska funktioner i glioblastom, inklusive pseudopalisade och en liten population av cancer stamceller, recapitulated unde...

Cancermikromiljön är en kritisk faktor som driver cancerprogressionen. Flera komponenter, inklusive biokemiska, biofysiska och cellulära signaler, bestämmer de patologiska egenskaperna hos cancer. Bland dessa är hypoxi starkt förknippad med canceröverlevnad, spridning och invasion1. På grund av obegränsad tillväxt och uppdelning av cancerceller utarmas näringsämnen och syre kontinuerligt, och en hypoxisk gradient genereras. Under förhållanden med låg syrehalt aktiverar cellerna hypoxi-inducerbar transkriptionsfaktor (HIF)-associerad molekylär kaskad. Denna process inducerar en nekrotisk kärna, utlöser metaboliska förändringar och initierar blodkärlshyperplasi och metastasering2,3. Därefter orsakar hypoxi i cancerceller förstörelsen av närliggande normala vävnader. Hypoxi är dessutom starkt förknippat med terapeutisk resistens hos solida tumörer på multifaktoriellt sätt. Hypoxi kan allvarligt hämma strålbehandling, eftersom radiokänsligheten är begränsad på grund av reaktiva syrearter1,4. Dessutom minskar det pH-nivåerna av cancermikromiljö, vilket minskar läkemedelsackumuleringen1. Därför är reproducerning patologiska funktioner relaterade till hypoxi in vitro en lovande strategi för vetenskapliga och prekliniska resultat.
Modellering av en specifik mikromiljö av cancer är avgörande för att förstå cancerutveckling och utforska lämpliga behandlingar. Även om djurmodeller har använts i stor utsträckning på grund av deras starka fysiologiska relevans, finns det problem relaterade till artskillnader och etiska problem5. Även om konventionella 2D- och 3D-modeller möjliggör manipulering och realtidsavbildning av cancerceller för en djupgående analys, kan deras arkitektoniska och cellulära komplexitet inte helt rekapituleras. Till exempel har cancersfäroidmodeller använts i stor utsträckning, eftersom cancercellsaggregering i en sfäroid naturligt kan generera hypoxi i kärnan. Dessutom har ett stort antal cellulära sfäroider av enhetlig storlek producerats med hjälp av plast- eller silikonbaserade multibrunnssystem6,7. Den lägre flexibiliteten när det gäller att fånga den exakta heterogena strukturen hos cancervävnader med konventionella plattformar har dock krävt inrättandet av en avancerad biofabriceringsteknik för att bygga en mycket biomimetisk plattform för att förbättracancerforskningen 8.
3D-mikrofysiologiska system (MPS) är användbara verktyg för att rekapitulera den komplexa geometrin och patologiska progressionen av cancerceller9. Eftersom cancerceller känner av den biokemiska lutningen av tillväxtfaktorer och kemokiner och den mekaniska heterogenitet som reproduceras i systemet, kan viktiga egenskaper hos cancerutveckling undersökas in vitro. Till exempel har cancer livskraft, metastaserad malignitet och läkemedelsresistens beroende på de varierande syrekoncentrationerna studerats med hjälp av MPSs10,11. Trots de senaste framstegen, genererar hypoxiska förhållanden för in vitro-modeller förlitar sig på komplexa tillverkningsförfaranden, inklusive anslutning till fysiska gaspumpar. Därför behövs enkla och flexibla metoder för att bygga cancerspecifika mikromiljöer.
3D-celltrycksteknik har fått stor uppmärksamhet på grund av dess exakta kontroll av biomaterialens rumsliga arrangemang för att rekapitulera inhemska biologiska arkitekturer12. I synnerhet övervinner denna teknik de befintliga begränsningarna hos 3D-hypoximodeller på grund av dess höga kontrollerbarhet och genomförbarhet för att bygga upp de rumsliga egenskaperna hos cancermikromiljön. 3D-utskrift underlättar också datorstödd tillverkning genom en lager-för-lager-process, vilket ger en snabb, exakt och reproducerbar konstruktion av komplexa geometrier för att efterlikna faktiska vävnadsarkitekturer. Förutom fördelarna med befintliga tillverkningsstrategier för 3D MPSs kan de patofysiologiska egenskaperna hos cancerprogression reproduceras genom att mönstra de biokemiska, cellulära och biofysiskakomponenterna 13,14.
Häri presenterar vi en 3D-celltrycksstrategi för en hypoxisk cancer-på-ett-chip för att rekapitituera heterogeniteten hos en fast cancer (Figur 1)15. Tillverkningsparametrarna fastställdes via en beräkningssimulering av centrala hypoxi bildas i systemet. Cancer-stroma koncentriska ringar trycktes med kollagen bioinks som innehåller glioblastoma celler och endotel celler att efterlikna patofysiologi av glioblastom, en typ av fast cancer. Bildandet av en radiell syregradient förvärrade cancer malignitet, vilket indikerar förstärkt aggressivitet. Vidare anger vi framtida perspektiv för chipens tillämpningar på patientspecifika prekliniska modeller. Det föreslagna tillvägagångssättet för att skapa ett system med fast cancer-mimetisk mikrofysiologiskt system förväntas överbrygga klyftan mellan in vivo- och in vitro-modeller av cancer.

<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

Mikromiljön för cancer har en betydande inverkan på sjukdomsförloppet. I synnerhet är hypoxi den viktigaste drivkraften för canceröverlevnad, invasion och chemoresistance. Även om flera in vitro-modeller har utvecklats för att studera hypoxirelaterad cancerpatologi, har det komplexa samspelet mellan den cancermikromiljö som observerats in vivo ännu inte reproducerats på grund av bristen på exakt rumslig kontroll. I stället har 3D-biofabriceringsmetoder föreslagits för att skapa mikrofysiologiska system för bättre emulering av cancerekologi och noggrann utvärdering av cancerbehandling. Häri föreslår vi en 3D-cellutskriftsmetod för att tillverka en hypoxisk cancer-på-ett-chip. Hypoxiframkallande komponenter i chipet fastställdes baserat på en datorsimulering av syrefördelningen. Cancer-stroma koncentriska ringar trycktes med hjälp av bioinks som innehåller glioblastom celler och endotelceller att rekapitulera en typ av fast cancer. Det resulterande chipet realiserade centrala hypoxi och förvärrad malignitet i cancer med bildandet av representativa patofysiologiska markörer. Sammantaget förväntas det föreslagna tillvägagångssättet för att skapa ett system med fast cancer-mimetisk mikrofysiologisk strategi överbrygga klyftan mellan in vivo- och in vitro-modeller för cancerforskning.

Hypoxisk cancer-på-ett-chip utvecklades med hjälp av datorstödd 3D-cellutskriftsteknik för att rekapitulera hypoxi och cancerrelaterad patologi (Figur 1). Syretransport och konsumtion simulerades med hjälp av 3D-geometrimodellen. Chippet designades i form av koncentriska ringar för att efterlikna den radiella syrediffusionen och utarmningen i cancervävnader (figur 2A). Efter att ha definierat kontrollvolymen i ett utrymme ...

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

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

Hypoxi är ett kännetecken för tumörmikromiljö och spelar en avgörande roll i cancerprogressionen. Denna artikel beskriver tillverkningsprocessen av en hypoxic cancer-på-ett-chip baserat på 3D cell-utskrift teknik att rekapitulera en hypoxi-relaterade patologi av cancer.

3D-cellstryckt hypoxisk cancer-på-ett-chip för rekapitlatering av patologisk progression av fast cancer

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

Hypoxi är en viktig drivkraft för cancerutveckling som inducerar genomisk instabilitet och tumorigenesis. Vi demonstrerar en metod för att generera central hypoxi i en solid cancer in vitro baserat på 3D bioprinting teknik. Med denna metod kan en radiohyperxisk gradient reproduceras med hjälp av en enkel strategi som kombinerar en 3D-utskriven gaspermeabel barriär och ett glasskydd.Denna hypoxic cancer on-a-chip teknik kan användas för att förutsäga läkemedelseffektivitet för att underlätta patientspecifika läkemedel recept. Och det förväntas också möjliggöra en snabb diagnos av aggressiva cancerformer. För att hjälpa till vid beredning av en tre milliliter neutraliserad kollagen pre-gel lösning, skär 30 milligram kollagensvampar i en fem gånger fem millimeter kvadratiska bitar.Placera bitarna i en steril 10 milliliter glasflaska och tillsätt 2,4 milliliter 0,2 mikron spruta filter 0,1 normal saltsyra till injektionsflaskan för en tre dagars inkubation vid fyra grader Celsius och 15 varv per minut. Efter matsmältningen, spänna eventuella osmält kollagenpartiklar genom en 40 mikroncellssil och lagra den sura kollagenlösningen vid fyra grader Celsius i upp till sju dagar. För att justera pH-1%neutraliserade kollagenförgellösningen, Tillsätt 30 mikroliter fenolröd lösning till en slutlig koncentration på 1%och 300 mikroliter 10X PBS till en slutlig koncentration på 10%Efter blandning och centrifugering, använd ett normalt natriumhydroxid för att neutralisera pH till sju, kontrollera färgförändringen och tillsätt destillerat vatten för att erhålla en total volym på tre milliliter.Förvara sedan pH-justerat 1%neutraliserat kollagen före gellösning vid fyra grader Celsius för användning inom tre dagar. För att förkontrollera geleringen av den neutraliserade kollagenförgellösningen, använd en positiv deplacementpipett för att lägga till 50 mikroliter kollagendroppar i en liten maträtt och inkubera dropparna i en 37 grader Celsius inkubator i en timme. I slutet av inkubationen, kontrollera om kollagenet har förändrats från en transparent färg till en ogenomskinlig vit.Luta behållaren för att bekräfta att kollagenet klibbar fast i behållarens botten. Och häll PBS på droppen för att bekräfta att kollagenkonstruktionen inte bryts i lösningen. För 3D-utskrift av en offer PEVA-form klickar du på Arkiv och spara filtyp som STL för att konvertera 3D CAD-filen till en STL-fil och klicka på Alternativ och utdataformulär som ASCII för att generera G-koden.Om du vill importera den genererade STL-filen klickar du på Arkiv och öppnar STL-filen och väljer den sparade STL-filen. Om du automatiskt vill generera G-koden för den offer PEVA-formen väljer du segmentmodellen för STL-CAD-växlaren. För att sedan generera utskriftsvägar för spåntillverkningen, använd ett 50 gauge precisionsmunstycke vid ett pneumatiskt tryck på 500 kilopascals vid 110 grader Celsius för att skriva ut offer PEVA-formen på en steril självhäftande hydrofil histologirutschbana.För att gjuta PDMS-barriären, blandade sex milliliter PDMS-bas elastomer och 600 mikroliter härdningsmedel i fem minuter i en plastbehållare och ladda den homogent blandade lösningen i en engångsspruta på 10 milliliter. Utrustade sprutan med en 20 gauge plast avsmalnande dispensspets och fyll offer PEVA-formen med den blandade PDMS-lösningen. Den blandade PDMS kommer att fylla denna offer PEVA mögel med en konvex yta och barriären kommer att vara högre än formen.Efter härdning av PDMS-barriären i en 40 grader Celsius ugn i över 36 timmar för att undvika att smälta PEVA, använd ett par precisions pincett för att lossa offer PEVA mögel och sterilisera gasen genomsläpplig barriär vid 120 grader Celsius i en autoklav. För att blanda lösningen med cancerceller, återanvänd varje typ av insamlad cellpellet i 20 mikroliter odlingsmedium och tillsätt en milliliter 1%neutraliserad kollagenförgellösning i var och en av de återanvända cellupphängningar på våt is med mild blandning. Använd en pipett med positiv deplacement för att blanda varje cellupphängning.När homogena lösningar erhålls, använd en positiv engångspipett för att överföra cellinksulaterade kollagenbiobläck till enskilda tre milliliter engångssprutor och förvara sprutorna i fyra grader Celsius tills 3D-cellen skrivs ut. För 3D-utskrift av cancer-stroma koncentriska ringar, konvertera lämplig 3D CAD fil till en STL filformat och använd en STL-CAD exchanger för att generera en G-kod av cancer-stroma koncentriska ringar. Ladda cellen inkapslade kollagenbioinks i 3D-skrivarhuvudet och ställ in temperaturen på huvudet och plattan till 15 grader Celsius.Ladda den genererade utskriftsvägen på 3D-skrivarens styrprogramvara och klicka på Börja skriva ut kollagenbiobläcken på gaspermeabelbarriären enligt den laddade G-koden med en 18 gauge plastnål vid ett pneumatiskt tryck på cirka 20 kilopascals vid 15 grader Celsius. Placera manuellt ett steriliserat 22 x 50 millimeters glasskydd ovanpå gaspermeabelbarriären för att generera den hypoxiska lutningen. Efter att ha genererat tre hypoxic cancer-on-chips överföra chipsen till en 37 grader Celsius inkubator i en timme för att korsa länken kollagen biobläck.När alla hypoxiska cancer-på-en-chips har tryckts, gnuggade försiktigt täckglasen ovanpå gaspermeabla barriärer med en cellskrapa för snäv bindning. För att uppdatera cellkulturmediet till chipsen utan att lossa cancerkonstruktionen, luta chipsen och använd en pipett för att introducera 1,5 milliliter endotelcellstillväxtmedium på sidan av varje chip. Hypoxic cancer-on-a-chip utformades i form av koncentriska ringar för att efterlikna radiell syre diffusion och utarmning observeras i cancer vävnader.Efter att ha definierat kontrollvolymen för ett utrymme där syre sprids och konsumeras av celler, kan en lämplig cellulär densitet för central hypoxigenerering bestämmas genom beräkningsfinitelementanalys. Vid 3D-cellutskrift kan en fackindela cancer-stroma koncentrisk ringstruktur skapas för att reproducera de anatomiska egenskaperna hos den fasta cancern. Kvantitativt sett är cellens livskraft efter utskrift vanligtvis större än 96 %, vilket bekräftar att tillverkningsförhållandena är lämpliga för cancer och stromalceller.I denna representativa analys jämfördes två grupper beroende på förekomsten och frånvaron av syregradienten för att verifiera effekterna av en hypoxisk gradient på cancerprogression. Under båda förhållanden var mogna CD31 positiva endotel celler närvarande inom de perifera regionerna, vilket anger att rumsligt mönstrade levande konstruktioner producerades med hjälp av 3D bioprinting teknik. Jämfört med syregradient negativa villkoret visade det gradient positiva tillståndet en hypoxic gradient, som anger det gradvisa uttrycket av HIF1 alfa.SHMT2 positiva pseudopalisaded celler och SOX2 positiva pluripotenta celler observerades också, vägledande för förekomsten av aggressiva patofysiologiska funktioner i solid cancer. Hypoxic cancer-on-a-chip är ett användbart verktyg för att undersöka patofysiologiska egenskaper hos fasta cancerformer och den dynamiska crosstalk mellan cancerceller och tumorigenesis främja mikromiljö. Eftersom metoden kan anpassas för en patientspecifik läkemedelsdesign inom en rimlig tidsram förväntas detta tillvägagångssätt överbrygga klyftan mellan in vivo- och in vitro-modeller av cancer.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Tracking Hypoxic Signaling within Encapsulated Cell Aggregates

Spårning hypoxisk Signalering inom Inkapslade cellaggregat

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

Övervakning proteinadsorption med Solid-state nanopores

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

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

Provberedning Strategier för masspektrometri avbildning av 3D cellodlingsmodeller

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 Nanopartiklar (SLNs) för Intracellulär Targeting Tillämpningar

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

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

Selektiv Cell Eliminering från Mixed 3D kultur med hjälp av en Near Infrared Photoimmunotherapy Technique

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

Beredning av 3D koUagengeler och mikro för studien av 3D interaktioner<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 och montering av 3D mikrokärl

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

Modellering äggstockscancer flercelliga Sfäroid Beteende i en dynamisk 3D Peritoneal mikroanordning

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 av brosk och hud vävnad analoger utnyttja en roman passiv enhet blandningsteknik för 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

Styv inbäddning av fixeras och färgas, hela Millimeter-skala prover för avsnitt-gratis 3D histologi av mikro-datortomografi

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 ...