Name: propagation of dental and respiratory cells and organs in microgravity
Uploaded: 2021-05-25T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Propagation of Dental and Respiratory Cells and Organs in Microgravity at JoVE.com

Die Studien wurden großzügig durch Zuschüsse des National Institute of Dental and Craniofacial Research (UG3-DE028869 und R01-DE027930) unterstützt.

Es wurden alle erforderlichen institutionellen Genehmigungen eingeholt, um sicherzustellen, dass die Studie den TAMU-Richtlinien für die institutionelle Tierhaltung entspricht.
1. Aufbau und Sterilisation von Bioreaktoren
<ol><li>Sterilisieren Sie vier Gefäße mit hohem Aspektverhältnis (HARV) für den Bioreaktor in einem Autoklaven im Kunststoff-Instrumentenzyklus für 20 Minuten bei 121 °C, wie vom Hersteller empfohlen.</li>
	<li>Nach der Sterilisation montieren Sie die Gefäße in ein...

<ol>
	<li>Horneck, 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=Life+sciences:+microorganisms+in+the+space+environment.">Life sciences: microorganisms in the space environment.</a> Science. 225 (4658), 226-228 (1984).</li><li>Helmstetter, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravity+and+the+orientation+of+cell+division.">Gravity and the orientation of cell division.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 94 (19), 10195-10198 (1997).</li><li>Bizzarri, M., Monici, M., van Loon, J. J. W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+microgravity+affects+the+biology+of+living+systems.">How microgravity affects the biology of living systems.</a> BioMed Research International. 2015, 863075 (2015).</li><li>Freed, L. E., 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=Spaceflight+bioreactor+studies+of+cells+and+tissues.">Spaceflight bioreactor studies of cells and tissues.</a> Advances in Space Biology and Medicine. 8, 177-195 (2002).</li><li>Walther, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Space+bioreactors+and+their+applications.">Space bioreactors and their applications.</a> Advances in Space Biology and Medicine. 8, 197-213 (2002).</li><li>Morabito, C., 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=RCCS+bioreactor-based+modelled+microgravity+induces+significant+changes+on+in+vitro+3D+neuroglial+cell+cultures.">RCCS bioreactor-based modelled microgravity induces significant changes on in vitro 3D neuroglial cell cultures.</a> BioMed Research International. 2015, 754283 (2015).</li><li>Schwarz, R. P., Goodwin, T. J., Wolf, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+culture+for+three-dimensional+modeling+in+rotating-wall+vessels:+An+application+of+simulated+microgravity.">Cell culture for three-dimensional modeling in rotating-wall vessels: An application of simulated microgravity.</a> Journal of Tissue Culture Methods. 14 (2), 51-57 (1992).</li><li>Nokhbatolfoghahaei, H., 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=Computational+modeling+of+media+flow+through+perfusion-based+bioreactors+for+bone+tissue+engineering.">Computational modeling of media flow through perfusion-based bioreactors for bone tissue engineering.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H. 234 (12), 1397-1408 (2020).</li><li>Sun, F. -. y., Wang, X. -. m., Li, X. -. y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+innovative+membrane+bioreactor+(MBR)+system+for+simultaneous+nitrogen+and+phosphorus+removal.">An innovative membrane bioreactor (MBR) system for simultaneous nitrogen and phosphorus removal.</a> Process Biochemistry. 48 (11), 1749-1756 (2013).</li><li>Steimberg, N., 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=Advanced+3D+Models+Cultured+to+Investigate+Mesenchymal+Stromal+Cells+of+the+Human+Dental+Follicle.">Advanced 3D Models Cultured to Investigate Mesenchymal Stromal Cells of the Human Dental Follicle.</a> Tissue Engineering Methods (Part C). 24 (3), 187-196 (2018).</li><li>Li, P., 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=RCCS+enhances+EOE+cell+proliferation+and+their+differentiation+into+ameloblasts.">RCCS enhances EOE cell proliferation and their differentiation into ameloblasts.</a> Molecular Biology Reports. 39 (1), 309-317 (2012).</li><li>Grimm, D., 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=Tissue+engineering+under+microgravity+conditions-use+of+stem+cells+and+specialized+cells.">Tissue engineering under microgravity conditions-use of stem cells and specialized cells.</a> Stem Cells and Development. 27 (12), 787-804 (2018).</li><li>Tasoglu, S., 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=Magnetic+Levitational+Assembly+for+Living+Material+Fabrication.">Magnetic Levitational Assembly for Living Material Fabrication.</a> Advanced Healthcare Materials. 4 (10), 1469-1476 (2015).</li><li>Sarigil, O., 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=Scaffold-free+biofabrication+of+adipocyte+structures+with+magnetic+levitation.">Scaffold-free biofabrication of adipocyte structures with magnetic levitation.</a> Biotechnology and Bioengineering. 118 (3), 1127-1140 (2021).</li><li>Anil-Inevi, M., 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=Biofabrication+of+in+situ+Self+Assembled+3D+Cell+Cultures+in+a+Weightlessness+Environment+Generated+using+Magnetic+Levitation.">Biofabrication of in situ Self Assembled 3D Cell Cultures in a Weightlessness Environment Generated using Magnetic Levitation.</a> Scientific Reports. 8 (1), 7239 (2018).</li><li>Nishikawa, M., 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=The+effect+of+simulated+microgravity+by+three-dimensional+clinostat+on+bone+tissue+engineering.">The effect of simulated microgravity by three-dimensional clinostat on bone tissue engineering.</a> Cell Transplant. 14 (10), 829-835 (2005).</li><li>Pandya, M., Diekwisch, T. G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enamel+biomimetics-fiction+or+future+of+dentistry.">Enamel biomimetics-fiction or future of dentistry.</a> International Journal of Oral Science. 11 (1), 8 (2019).</li><li>Klein, O. D., 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=Meeting+report:+a+hard+look+at+the+state+of+enamel+research.">Meeting report: a hard look at the state of enamel research.</a> International Journal of Oral Science. 9 (11), 3 (2017).</li><li>Liu, H., Yan, X., Pandya, M., Luan, X., Diekwisch, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Daughters+of+the+Enamel+Organ:+Development,+Fate,+and+Function+of+the+Stratum+Intermedium,+Stellate+Reticulum,+and+Outer+Enamel+Epithelium.">Daughters of the Enamel Organ: Development, Fate, and Function of the Stratum Intermedium, Stellate Reticulum, and Outer Enamel Epithelium.</a> Stem Cells and Development. 25 (20), 1580-1590 (2016).</li><li>Chen, L. S., Couwenhoven, R. I., Hsu, D., Luo, W., Snead, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maintenance+of+amelogenin+gene+expression+by+transformed+epithelial+cells+of+mouse+enamel+organ.">Maintenance of amelogenin gene expression by transformed epithelial cells of mouse enamel organ.</a> Archives of Oral Biology. 37 (10), 771-778 (1992).</li><li>DenBesten, P. K., Gao, C., Li, W., Mathews, C. H., Gruenert, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+characterization+of+an+SV40+immortalized+porcine+ameloblast-like+cell+line.">Development and characterization of an SV40 immortalized porcine ameloblast-like cell line.</a> European Journal of Oral Sciences. 107 (4), 276-281 (1999).</li><li>Arakaki, M., 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+epithelial-stem+cell+interactions+during+dental+cell+differentiation.">Role of epithelial-stem cell interactions during dental cell differentiation.</a> Journal of Biological Chemistry. 287 (13), 10590-10601 (2012).</li><li>Au - Chavez, M. 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=Isolation+and+Culture+of+Dental+Epithelial+Stem+Cells+from+the+Adult+Mouse+Incisor.">Isolation and Culture of Dental Epithelial Stem Cells from the Adult Mouse Incisor.</a> Journal of Visualized Experiments. (87), e51266 (2014).</li><li>Pandya, M., 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=Posttranslational+Amelogenin+Processing+and+Changes+in+Matrix+Assembly+during+Enamel+Development.">Posttranslational Amelogenin Processing and Changes in Matrix Assembly during Enamel Development.</a> Frontiers in Physiology. 8, 790 (2017).</li><li>Dangaria, S. J., Ito, Y., Luan, X., Diekwisch, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differentiation+of+neural-crest-derived+intermediate+pluripotent+progenitors+into+committed+periodontal+populations+involves+unique+molecular+signature+changes,+cohort+shifts,+and+epigenetic+modifications.">Differentiation of neural-crest-derived intermediate pluripotent progenitors into committed periodontal populations involves unique molecular signature changes, cohort shifts, and epigenetic modifications.</a> Stem Cells and Development. 20 (1), 39-52 (2011).</li><li>Ahadian, S., 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=Electrical+stimulation+as+a+biomimicry+tool+for+regulating+muscle+cell+behavior.">Electrical stimulation as a biomimicry tool for regulating muscle cell behavior.</a> Organogenesis. 9 (2), 87-92 (2013).</li><li>Smith, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+and+chemical+events+during+enamel+maturation.">Cellular and chemical events during enamel maturation.</a> Critical Reviews in Oral Biology &amp; Medicine. 9 (2), 128-161 (1998).</li><li>Pei, M., 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=Bioreactors+mediate+the+effectiveness+of+tissue+engineering+scaffolds.">Bioreactors mediate the effectiveness of tissue engineering scaffolds.</a> The FASEB Journal. 16 (12), 1691-1694 (2002).</li><li>Ahmed, S., Chauhan, V. M., Ghaemmaghami, A. M., Aylott, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+generation+of+bioreactors+that+advance+extracellular+matrix+modelling+and+tissue+engineering.">New generation of bioreactors that advance extracellular matrix modelling and tissue engineering.</a> Biotechnology Letters. 41 (1), 1-25 (2019).</li><li>Seidel, K., 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=Resolving+stem+and+progenitor+cells+in+the+adult+mouse+incisor+through+gene+co-expression+analysis.">Resolving stem and progenitor cells in the adult mouse incisor through gene co-expression analysis.</a> Elife. 6, (2017).</li><li>Green, H., Rheinwald, J. G., Sun, T. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Properties+of+an+epithelial+cell+type+in+culture:+the+epidermal+keratinocyte+and+its+dependence+on+products+of+the+fibroblast.">Properties of an epithelial cell type in culture: the epidermal keratinocyte and its dependence on products of the fibroblast.</a> Progress in Clinical and Biological Research. 17, 493-500 (1977).</li><li>Green, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+birth+of+therapy+with+cultured+cells.">The birth of therapy with cultured cells.</a> Bioessays. 30 (9), 897-903 (2008).</li><li>Zeichner-David, M., 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=Control+of+ameloblast+differentiation.">Control of ameloblast differentiation.</a> International Journal of Developmental Biology. 39 (1), 69-92 (1995).</li><li>Bei, M., Stowell, S., Maas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Msx2+controls+ameloblast+terminal+differentiation.">Msx2 controls ameloblast terminal differentiation.</a> Developmental Dynamics. 231 (4), 758-765 (2004).</li><li>Dangaria, S. J., Ito, Y., Luan, X., Diekwisch, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Successful+periodontal+ligament+regeneration+by+periodontal+progenitor+preseeding+on+natural+tooth+root+surfaces.">Successful periodontal ligament regeneration by periodontal progenitor preseeding on natural tooth root surfaces.</a> Stem Cells and Development. 20 (10), 1659-1668 (2011).</li><li>Del Moral, P. M., Warburton, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explant+culture+of+mouse+embryonic+whole+lung,+isolated+epithelium,+or+mesenchyme+under+chemically+defined+conditions+as+a+system+to+evaluate+the+molecular+mechanism+of+branching+morphogenesis+and+cellular+differentiation.">Explant culture of mouse embryonic whole lung, isolated epithelium, or mesenchyme under chemically defined conditions as a system to evaluate the molecular mechanism of branching morphogenesis and cellular differentiation.</a> Methods in Molecular Biology. 633, 71-79 (2010).</li><li>Hermanns, M. I., Unger, R. E., Kehe, K., Peters, K., Kirkpatrick, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lung+epithelial+cell+lines+in+coculture+with+human+pulmonary+microvascular+endothelial+cells:+development+of+an+alveolo-capillary+barrier+in+vitro.">Lung epithelial cell lines in coculture with human pulmonary microvascular endothelial cells: development of an alveolo-capillary barrier in vitro.</a> Laboratory Investigation. 84 (6), 736-752 (2004).</li><li>Duell, B. L., Cripps, A. W., Schembri, M. A., Ulett, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epithelial+cell+coculture+models+for+studying+infectious+diseases:+benefits+and+limitations.">Epithelial cell coculture models for studying infectious diseases: benefits and limitations.</a> Journal of Biomedicine and Biotechnolog. 2011, 852419 (2011).</li><li>Kuppan, P., Sethuraman, S., Krishnan, U. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+co-culture+of+epithelial+cells+and+smooth+muscle+cells+on+aligned+nanofibrous+scaffolds.">In vitro co-culture of epithelial cells and smooth muscle cells on aligned nanofibrous scaffolds.</a> Materials Science and Engineering: C. 81, 191-205 (2017).</li><li>Navran, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+low+shear+modeled+microgravity+to+3-D+cell+biology+and+tissue+engineering.">The application of low shear modeled microgravity to 3-D cell biology and tissue engineering.</a> Biotechnology Annual Review. 14, 275-296 (2008).</li></ol>

Kritische Schritte des Protokolls für das Wachstum von Zellen in Schwerelosigkeit umfassen den Bioreaktor, das Gerüst, die für die 3D-Kultur verwendeten Zellen und die Gerüstbeschichtung als Mittel zur Induktion der Zelldifferenzierung. Der in unseren Studien verwendete Bioreaktortyp umfasst den RCCS-4-Bioreaktor, eine neue Modifikation des ursprünglichen rotierenden zylindrischen Gewebekulturgeräts Rotary Cell Culture System (RCCS), das von der NASA entwickelt wurde, um Zellen in simulierter Schwerelosigkeit zu z?...

Die Schwerkraft beeinflusst alle Aspekte des Lebens auf der Erde, einschließlich der Biologie einzelner Zellen und ihrer Funktion innerhalb von Organismen. Zellen spüren die Schwerkraft durch Mechanorezeptoren und reagieren auf Änderungen der Schwerkraft, indem sie Zytoskelettarchitekturen neu konfigurieren und die Zellteilungverändern 1,2,3. Weitere Effekte der Schwerelosigkeit sind der hydrostatische Druck in flüssigkeitsgefüllten Vesikel, die Sedimentation von Organellen und die auftriebsgetriebene Konvektion von Strömung und Wärme4. Studien über die Auswirkungen des Gewichtsverlusts auf menschliche Zellen und Organe wurden ursprünglich durchgeführt, um die schwerelose Umgebung des Weltraums auf Astronauten während Raumflugmissionen zu simulieren5. In den letzten Jahren werden diese ursprünglich von der NASA entwickelten 3D-Bioreaktortechnologien zur Simulation der Schwerelosigkeit jedoch als neuartige Ansätze für die Kultur von Zellpopulationen, die sonst nicht für 2D-Kultursysteme zugänglich sind, immer relevanter.
3D-Bioreaktoren simulieren die Schwerelosigkeit, indem sie Zellen in Suspension züchten und so einen konstanten "Freifall"-Effekt erzeugen. Weitere Vorteile der rotierenden Bioreaktoren sind die fehlende Luftexposition in Organkultursystemen, eine Verringerung von Scherspannungen und Turbulenzen sowie eine kontinuierliche Exposition gegenüber einer sich ändernden Nährstoffversorgung. Diese dynamischen Bedingungen, die von einem Rotary Cell Culture System (RCCS) Bioreaktor bereitgestellt werden, begünstigen die räumliche Kolokalisierung und dreidimensionale Assemblierung einzelner Zellen zu Aggregaten 6,7.
Frühere Studien haben die Vorteile eines rotierenden Bioreaktors für die Knochenregeneration8, Zahnkeimkultur9 und für die Kultur menschlicher Zahnfollikelzellen10 gezeigt. Es gibt auch einen Bericht, der darauf hindeutet, dass RCCS die Proliferation und Differenzierung von EOE-Zellen in Ameloblasten verbessert11. Differenzierte Zellen wurden jedoch als Ameloblasten betrachtet, die auf Ameloblastin-Immunfluoreszenz und/oder Amelogenin-Expression allein11 basierten, ohne ihre längliche Morphologie oder polarisierte Zellform zu berücksichtigen.
Neben dem von der NASA entwickelten Bioreaktor Rotating Wall Vessels (RWV) gehören zu den weiteren Technologien zur Erzeugung von 3D-Aggregaten aus Zellen die Magnetschwebebahn, die Zufallspositioniermaschine (RPM) und der Klinostat12. Um eine Magnetschwebebahn zu erreichen, werden Zellen, die mit magnetischen Nanopartikeln markiert sind, mit einer externen Magnetkraft schweben, was zur Bildung von gerüstfreien 3D-Strukturen führt, die für die Biofabrikation von Adipozytenstrukturen verwendet wurden13,14,15. Ein weiterer Ansatz zur Simulation der Schwerelosigkeit ist die Erzeugung multidirektionaler G-Kräfte durch Steuerung der gleichzeitigen Rotation um zwei Achsen, was zu einer Aufhebung des kumulativen Schwerevektors im Zentrum eines Geräts namens Clinostat16 führt. Wenn Knochenmarkstammzellen in einem Klinostat kultiviert wurden, wurde die Knochenneubildung durch die Unterdrückung der Osteoblastendifferenzierung gehemmt, was eine der dedifferenzierenden Effekte der Mikrogravitation veranschaulicht16.
In-vitro-Systeme, die die getreue Kultur von Ameloblasten erleichtern, würden einen großen Schritt in Richtung Zahnschmelz-Tissue Engineering darstellen17. Leider war die Kultur der Ameloblasten bis heute ein herausforderndes Unterfangen18,19. Bisher wurden fünf verschiedene Ameloblasten-ähnliche Zelllinien beschrieben, darunter die Maus-Ameloblasten-Linien-Zelllinie (ALC), die Ratten-Zahnepithelzelllinie (HAT-7), die Maus-LS8-Zelllinie20, die porcine PABSo-E-Zelllinie 21 und die Ratten-SF2-24-Zelllinie22. Die Mehrheit dieser Zellen hat jedoch ihre charakteristische polarisierte Zellform in 2D-Kultur verloren.
In der vorliegenden Studie haben wir uns einem Rotary Cell Culture Bioreactor System (RCCS) zugewandt, um das Wachstum von Ameloblasten-ähnlichen Zellen aus zervikalen Schleifenepithelien zu erleichtern, die mit mesenchymalen Vorläuferzellen kokultiviert wurden, und um die Herausforderungen von 2D-Kultursystemen zu überwinden, einschließlich reduziertem Nährstofffluss und zytoskelettalen Veränderungen aufgrund der Schwerkraft. Darüber hinaus hat das RCCS neue Wege für die Untersuchung von Zell-Gerüst-Interaktionen im Zusammenhang mit parodontalen Tissue Engineering und zur Untersuchung der Auswirkungen von Entzündungsmediatoren auf Lungenalveolargewebe in vitro eröffnet. Zusammen unterstreichen die Ergebnisse dieser Studien die Vorteile von Mikrogravitations-basierten rotatorischen Kultursystemen für die Ausbreitung differenzierter Epithelien und für die Bewertung von Umweltauswirkungen auf in vitro gezüchtete Zellen, einschließlich Zell-Gerüst-Interaktionen und der Gewebereaktion auf entzündliche Zustände.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>Antibiotic-antimycotic</td>
			<td>ThermoFisher Scientfic</td>
			<td>15240096</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ascorbic Acid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A4544</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BGJb Fitton-Jackson Modification media</td>
			<td>ThermoFisher Scientfic</td>
			<td>12591</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BIOST PGA scaffold</td>
			<td>Synthecon</td>
			<td>Custom</td>
			<td>Available from the company through a custom order</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BMP-2</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>355-BM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BMP-4</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>314-BP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM Media</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D6429-500mL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBS</td>
			<td>ThermoFisher Scientfic</td>
			<td>16140071</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibricol</td>
			<td>Advanced Biomatrix</td>
			<td>5133-20mL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibronectin</td>
			<td>Corning</td>
			<td>354008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galanin</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>G-0278</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gelatin disc</td>
			<td>Advanced Biomatrix</td>
			<td>CytoForm 500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphene sheets</td>
			<td>Advanced Biomatrix</td>
			<td>CytoForm 300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>hEGF</td>
			<td>Peprotech</td>
			<td>AF-100-15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>hFGF</td>
			<td>ThermoFisher Scientfic</td>
			<td>AA1-155</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydroxyapatite disc</td>
			<td>Advanced Biomatrix</td>
			<td>CytoForm 200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Il-6 protein</td>
			<td>PeproTech</td>
			<td>200-06</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Keratinocyte SFM media (1X)</td>
			<td>ThermoFisher Scientfic</td>
			<td>17005042</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laminin</td>
			<td>Corning</td>
			<td>354259</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LRAP peptide</td>
			<td>Peptide 2.0</td>
			<td>Custom made sequence: MPLPPHPGSPGYINLSYEVLT 
			PLKWYQSMIRQPPLSPILPEL 
			PLEAWPATDKTKREEVD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrigel</td>
			<td>Corning</td>
			<td>354234</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Millipore Nitrocellulose membrane</td>
			<td>Merck Millipore</td>
			<td>AABP04700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RCCS Bioreactor</td>
			<td>Synthecon</td>
			<td>RCCS 4HD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SpongeCol</td>
			<td>Advanced Biomatrix</td>
			<td>5135-25EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syring valve one way stopcock w/swivel male luer lock</td>
			<td>Smiths Medical</td>
			<td>MX5-61L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringes with needle 3cc</td>
			<td>McKESSON</td>
			<td>16-SN3C211</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin EDTA (0.25%)</td>
			<td>ThermoFisher Scientfic</td>
			<td>25200056</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

propagation of dental and respiratory cells and organs in microgravity

Die Schwerkraft ist eine der Schlüsseldeterminanten der menschlichen Zellfunktion, Proliferation, Zytoskelettarchitektur und Orientierung. Rotationsbioreaktorsysteme (RCCSs) ahmen den Verlust der Schwerkraft nach, wie er im Weltraum auftritt, und bieten stattdessen eine Mikrogravitationsumgebung durch kontinuierliche Rotation von kultivierten Zellen oder Geweben. Diese RCCSs gewährleisten eine ununterbrochene Versorgung mit Nährstoffen, Wachstums- und Transkriptionsfaktoren sowie Sauerstoff und beheben einige der Mängel der Gravitationskräfte in bewegungslosen 2D-Zell- oder Organkulturschalen. In der vorliegenden Studie haben wir RCCSs verwendet, um zervikale Schleifenzellen und Zahnpulpazellen zu Ameloblasten zu kokulturieren, parodontale Vorläufer-Gerüst-Interaktionen zu charakterisieren und die Wirkung von Entzündungen auf Lungenbläschen zu bestimmen. Die RCCS-Umgebungen erleichterten das Wachstum von Ameloblasten-ähnlichen Zellen, förderten die parodontale Vorläuferproliferation als Reaktion auf Gerüstbeschichtungen und ermöglichten eine Bewertung der Auswirkungen entzündlicher Veränderungen auf kultivierte Lungenbläschen. Dieses Manuskript fasst die Umweltbedingungen, Materialien und Schritte auf dem Weg zusammen und hebt kritische Aspekte und experimentelle Details hervor. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass RCCSs innovative Werkzeuge sind, um die Kultur und das (dreidimensionale) 3D-Wachstum von Zellen in vitro zu beherrschen und die Untersuchung zellulärer Systeme oder Interaktionen zu ermöglichen, die klassischen 2D-Kulturumgebungen nicht zugänglich sind.

Die innere Kammer des Bioreaktors bietet eine Umgebung für die Zellen, um sich zu vermehren und zu differenzieren, sich an einem Gerüst zu befestigen oder sich zu versammeln, um gewebeähnliche Anordnungen zu bilden. Jedes HALV-Gefäß fasst bis zu 10 ml Medium und ermöglicht eine konstante Zirkulation von Nährstoffen, so dass jede Zelle eine ausgezeichnete Überlebenschance hat. Abbildung 1A zeigt die Befestigung der Spritzenöffnungen an der Frontplatte des Behälters, an der sterile E...

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Propagation of Dental and Respiratory Cells and Organs in Microgravity

Dieses Protokoll stellt eine Methode für die Kultur und das 3D-Wachstum von Ameloblasten-ähnlichen Zellen in Schwerelosigkeit vor, um ihre längliche und polarisierte Form sowie die schmelzspezifische Proteinexpression zu erhalten. Auch Kulturbedingungen für die Kultur von parodontalen Engineering-Konstrukten und Lungenorganen in Schwerelosigkeit werden beschrieben.

Vermehrung von Zahn- und Atmungszellen und -organen in Schwerelosigkeit

Gravity is one of the key determinants of human cell function, proliferation, cytoskeletal architecture and orientation. Rotary bioreactor systems (RCCSs) ...

Länglich und polarisiert der Amelogenin-sezernierende Ameloblast in Kultur. Dies ist auch das erste Protokoll für das Züchten von Ameloblastenzellen in Schwerelosigkeit. Das Wachstum von Ameloblasten in der Kultur war eine der größten Herausforderungen im Emailbereich.Und für uns ist es das erste Mal, dass wir dieses Markenzeichen in der Emailforschung erreicht haben. Dieses Modell kann verwendet werden, um die Biologie von Ameloblastenzellen zu verstehen. Dieses Modell wird von Dr. Mirali Pandya vorgeführt.Beginnen Sie, indem Sie das gesammelte Gewebe von sechstägigen postnatalen Mäusen unter das Dissektionsmikroskop und die sezierten Zervixschleifen legen. Richten Sie einen Bioreaktor ein, indem Sie die sterilen Ventile an den Spritzenöffnungen befestigen. Fügen Sie beide Zellen, die Zervixschleife und die Zahnpulpa, zusammen mit einem beschichteten Gerüst in den Bioreaktor und füllen Sie das Bioreaktorgefäß mit 10 Milliliter Keratinozyten-SFM-Medien, ergänzt mit Wachstumsfaktoren und extrazellulären Matrixproteinen.Schließen und straffen Sie die Kappe des Füllanschlusses des Bioreaktorbehälters und öffnen Sie dann die sterilen Ventile. Verwenden Sie zwei sterile Drei-Milliliter-Spritzen für einen Medienwechsel. Füllen Sie dazu eine Spritze mit dem frischen Medium und lassen Sie die andere Spritze leer.Öffnen Sie beide Spritzenventile und manövrieren Sie die Blasen vorsichtig in Richtung der leeren Spritzenöffnung. Sobald das frische Medium aus der vollen Spritze vorsichtig in das Gefäß injiziert wurde, entfernen Sie alle Blasen durch den leeren Spritzenanschluss. Schließen Sie die Spritzenöffnungen mit Kappen.Befestigen Sie jedes Gefäß an der Rotatorenbasis. Schalten Sie das Gerät ein und stellen Sie die Geschwindigkeit auf 10,1 Umdrehungen pro Minute ein. Stellen Sie die Geschwindigkeit ein, um sicherzustellen, dass die Gerüste aufgehängt sind und die Behälterwand nicht berühren.Für den Medienwechsel alle 24 Stunden stellen Sie die Gefäße aufrecht, um sicherzustellen, dass sich die Zellen am Boden absetzen. Öffnen Sie die Spritzenöffnungen, um die sterilen Spritzen an die Anschlüsse anzuschließen. Saugen Sie 75% des nährstoffarmen Mediums ab und injizieren Sie das frische Medium durch den anderen Port, wie zuvor gezeigt.Die Makrographen von Graphengerüst und Kollagengerüst sind hier dargestellt. Das Graphengerüst hatte eine parallele Anordnung von Oberflächenprägungen, während das Kollagengerüst die poröse Struktur aufwies. Ein skelettierter Mausunterkiefer wurde seziert und der distale größte Teil des unteren Mausschneidezahns wurde freigelegt.Die genaue Position der resezierten zervikalen Schleife ist im sechstägigen postnatalen Mausschneidezahn abgegrenzt, während eine ähnliche Region in einem erwachsenen skelettierten Mausunterkiefer als Referenz angegeben wird. Die Hämimandibeln bestanden aus drei Unterkiefermolaren und einem ständig wachsenden Schneidezahn, während die zervikale Schleifenzellnische eine vielfältige Zellpopulation enthielt, die für die Schmelzbildung notwendig war. Die erfolgreiche Differenzierung der Zervixschleifenzellen in einer maßgeschneiderten Mikroumgebung führte zur Bildung von Ameloblasten mit einer typischen Eigenschaft polarisierter Zellen mit dem Kern an einem Ende und langen zellulären Prozessen am anderen Ende.Die Kultur von Zellen in Medien allein ohne Wachstumsfaktoren und Gerüstbeschichtung führte zu zervikalen Schleifenzellen, die wichtige Schmelzproteine absonderten, sich aber nicht verlängerten oder polarisierten. Die Galanin-beschichtete Gerüstgruppe zeigte eine signifikant höhere Proliferationsrate im Vergleich zur Kontrollgruppe mit unbeschichteten Gerüsten. Die von E15-Mäusen geernteten Lungengewebesegmente wurden erfolgreich für 10 Tage in einer 3D-Mikrogravitationsumgebung im Bioreaktor kultiviert.Die Zugabe von Interleukin-6 zum Kulturmedium führte zu entzündungsassoziierten Veränderungen in der Alveolarmorphologie, ähnlich denen, die in vivo beobachtet wurden. In der Einleitung habe ich Ihnen erzählt, wie schwierig es für das Emaille-Team war, ein Ameloblasten-Zellkulturmodell zu entwickeln. Nun haben wir uns dieser Herausforderung mit einem hochinnovativen Verfahren gestellt, das sich auf zwei Aspekte konzentriert: Schwamm-Kollagengerüst und auch die Verwendung von Matrix zur Differenzierung der Ameloblastenzellen.Zusammen führten diese beiden Innovationen zur Polarisation und zum Wachstum von Ameloblasten-ähnlichen Zellen in 3D-Kultur. Diese 3D-kultivierten Zellen sind ein wunderbares Modell, um die Ameloblastenbiologie zu verstehen. Und um diese Biologie zu verstehen, können wir eine Vielzahl von Techniken verwenden, darunter Elektronenmikroskopie, Proteomik und Genomik.Ameloblasten sind fantastische Zellen. Ja, sie haben die Fähigkeit, prismatischen Zahnschmelz abzusondern. Dieses Bioreaktormodell versetzt uns nun in die Lage zu verstehen, wie Ameloblasten Matrix absondern und Apatitmineralien absondern, um prismatischen Zahnschmelz zu züchten.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Use of Human Perivascular Stem Cells for Bone Regeneration

Verwenden Sie für Menschenrechte Perivaskuläre Stammzellen für die Knochenregeneration

Human perivascular stem cells (PSCs) can be isolated in sufficient numbers from multiple tissues for purposes of skeletal tissue engineering1-3. PSCs are ...

Forschung

Biotechnik

Alginate Microcapsule as a 3D Platform for Propagation and Differentiation of Human Embryonic Stem Cells (hESC) to Different Lineages

Alginate Microcapsule as a 3D Platform for Propagation and Differentiation of Human Embryonic Stem Cells hESC to Different Lineages

Alginat-Mikrokapseln als 3D-Plattform für die Vermehrung und Differenzierung von humanen embryonalen Stammzellen (hES) auf verschiedenen Linien

Human embryonic stem cells (hESC) are emerging as an attractive alternative source for cell replacement therapy since they can be expanded in culture ...

Micropipette Aspiration of Substrate-attached Cells to Estimate Cell Stiffness

Mikropipette Aspiration von Substrat-attached Cells zu schätzen Zelle Stiffness

Growing number of studies show that biomechanical properties of individual cells play major roles in multiple cellular functions, including cell ...

Transplantation of Induced Pluripotent Stem Cell-derived Mesoangioblast-like Myogenic Progenitors in Mouse Models of Muscle Regeneration

Transplantation von induzierten pluripotenten Stammzellen-abgeleiteten mesoangioblast-ähnlichen myogenen Vorläufern in Mausmodellen der Muskelregeneration

Patient-derived iPSCs could be an invaluable source of cells for future autologous cell therapy protocols. iPSC-derived myogenic stem/progenitor cells ...

Ordering Single Cells and Single Embryos in 3D Confinement: A New Device for High Content Screening

Bestellen Einzelzellen und Einzel Embryos in 3D Confinement: Ein neues Gerät für High Content Screening

Biological cells are usually observed on flat (2D) surfaces. This condition is not physiological, and phenotypes and shapes are highly variable. Screening ...

Adapting the Electrospinning Process to Provide Three Unique Environments for a Tri-layered In Vitro Model of the Airway Wall

Adapting the Electrospinning Process to Provide Three Unique Environments for a Tri-layered In Vitro Model of the Airway Wall

Anpassung der Elektrospinnverfahren für einen Dreischicht stellen drei einzigartige Umgebungen<em&gt; In-vitro-</em&gt; Modell der Atemwegswand

Electrospinning is a highly adaptable method producing porous 3D fibrous scaffolds that can be exploited in in vitro cell culture. Alterations to ...

Development of a Multicellular Three-dimensional Organotypic Model of the Human Intestinal Mucosa Grown Under Microgravity

Entwicklung eines unter Schwerelosigkeits Vielzellige Dreidimensionale Organotypischen Modell des menschlichen Darmschleimhaut Grown

Because cells growing in a three-dimensional (3-D) environment have the potential to bridge many gaps of cell cultivation in 2-D environments (e.g., ...

Interfacing Microfluidics with Microelectrode Arrays for Studying Neuronal Communication and Axonal Signal Propagation

Interfacing Mikrofluidik mit Mikroelektrode Arrays für das Studium neuronale Kommunikation und axonalen Signalausbreitung

Microelectrode arrays (MEAs) are widely used to study neuronal function in vitro. These devices allow concurrent non-invasive recording/stimulation of ...

Calvarial Model of Bone Augmentation in Rabbit for Assessment of Bone Growth and Neovascularization in Bone Substitution Materials

Calvarial-Modell der Knochenvergrößerung bei Kaninchen zur Beurteilung des Knochenwachstums und der Neovaskularisation in Knochensubstitutionsmaterialien

The basic principle of the rabbit calvarial model is to grow new bone tissue vertically on top of the cortical part of the skull. This model allows ...

In vitro Induction of Human Dental Pulp Stem Cells Toward Pancreatic Lineages

In vitro Induction of Human Dental Pulp Stem Cells Toward Pancreatic Lineages

In vitro Induktion von menschlichen Zellpulpa-Stammzellen in Pankreaslinien

As of 2000, the success of pancreatic islet transplantation using the Edmonton protocol to treat type I diabetes mellitus still faced some obstacles. ...