Name: idg-sw3 cell culture in a three-dimensional extracellular matrix
Uploaded: 2023-11-13T14:10:00
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IDG-SW3細胞株を寄贈してくださったLynda F. Bonewald博士に感謝します。この研究は、中国国家自然科学基金会(82070902、82100935、81700778)と上海「科学技術革新」セーリングプロジェクト(21YF1442000)の支援を受けました。

このプロトコルは、24ウェルプレートの4ウェルで細胞を培養するのに適しています。複数のサンプルまたはプレートを調製する場合は、それに応じて試薬の量を増やす必要があります。
1.コラーゲンI混合物の調製
注:コラーゲンIと基底膜マトリックスは室温で迅速にゲル化します。したがって、コラーゲンは氷上(2°C〜8°C)で取り扱う必要...

<ol>
	<li>Bonewald, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+amazing+osteocyte.">The amazing osteocyte.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 26 (2), 229-238 (2011).</li><li>Dallas, S. L., Prideaux, M., Bonewald, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+osteocyte:+An+endocrine+cell+...+and+more.">The osteocyte: An endocrine cell ... and more.</a> Endocrine Reviews. 34 (5), 658-690 (2013).</li><li>Bonewald, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+the+osteocyte+in+bone+and+nonbone+disease.">The role of the osteocyte in bone and nonbone disease.</a> Endocrinology and Metabolism Clinics of North America. 46 (1), 1-18 (2017).</li><li>Woo, S. M., Rosser, J., Dusevich, V., Kalajzic, I., Bonewald, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+line+IDG-SW3+replicates+osteoblast-to-late-osteocyte+differentiation+in+vitro+and+accelerates+bone+formation+in+vivo.">Cell line IDG-SW3 replicates osteoblast-to-late-osteocyte differentiation in vitro and accelerates bone formation in vivo.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 26 (11), 2634-2646 (2011).</li><li>Wang, J. 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=Control+of+osteocyte+dendrite+formation+by+Sp7+and+its+target+gene+osteocrin.">Control of osteocyte dendrite formation by Sp7 and its target gene osteocrin.</a> Nature Communications. 12 (1), 6271 (2021).</li><li>Chicatun, F., 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=Osteoid-mimicking+dense+collagen/chitosan+hybrid+gels.">Osteoid-mimicking dense collagen/chitosan hybrid gels.</a> Biomacromolecules. 12 (8), 2946-2956 (2011).</li><li>Kawasaki, K., Buchanan, A. V., Weiss, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomineralization+in+humans:+making+the+hard+choices+in+life.">Biomineralization in humans: making the hard choices in life.</a> Annual Review of Genetics. 43, 119-142 (2009).</li><li>Bosman, F. T., Stamenkovic, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+structure+and+composition+of+the+extracellular+matrix.">Functional structure and composition of the extracellular matrix.</a> Journal of Pathology. 200 (4), 423-428 (2003).</li><li>Papadopoulos, N. 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=An+improved+fluorescence+assay+for+the+determination+of+lymphocyte-mediated+cytotoxicity+using+flow+cytometry.">An improved fluorescence assay for the determination of lymphocyte-mediated cytotoxicity using flow cytometry.</a> Journal of Immunological Methods. 177 (1-2), 101-111 (1994).</li><li>Staines, K. A., 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=Hypomorphic+conditional+deletion+of+E11/Podoplanin+reveals+a+role+in+osteocyte+dendrite+elongation.">Hypomorphic conditional deletion of E11/Podoplanin reveals a role in osteocyte dendrite elongation.</a> Journal of Cellular Physiology. 232 (11), 3006-3019 (2017).</li><li>Feng, J. Q., 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=Loss+of+DMP1+causes+rickets+and+osteomalacia+and+identifies+a+role+for+osteocytes+in+mineral+metabolism.">Loss of DMP1 causes rickets and osteomalacia and identifies a role for osteocytes in mineral metabolism.</a> Nature Genetics. 38 (11), 1310-1315 (2006).</li><li>Winkler, D. 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=Osteocyte+control+of+bone+formation+via+sclerostin,+a+novel+BMP+antagonist.">Osteocyte control of bone formation via sclerostin, a novel BMP antagonist.</a> EMBO Journal. 22 (23), 6267-6276 (2003).</li><li>Riminucci, 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=FGF-23+in+fibrous+dysplasia+of+bone+and+its+relationship+to+renal+phosphate+wasting.">FGF-23 in fibrous dysplasia of bone and its relationship to renal phosphate wasting.</a> Journal of Clinical Investigation. 112 (5), 683-692 (2003).</li><li>Dallas, S. L., Bonewald, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+the+transition+from+osteoblast+to+osteocyte.">Dynamics of the transition from osteoblast to osteocyte.</a> Annals of the New York Academy of Sciences. 1192, 437-443 (2010).</li><li>Robin, 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=Involvement+of+3D+osteoblast+migration+and+bone+apatite+during+in+vitro+early+osteocytogenesis.">Involvement of 3D osteoblast migration and bone apatite during in vitro early osteocytogenesis.</a> Bone. 88, 146-156 (2016).</li><li>Chen, 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=High+mineralization+capacity+of+IDG-SW3+cells+in+3D+collagen+hydrogel+for+bone+healing+in+estrogen-deficient+mice.">High mineralization capacity of IDG-SW3 cells in 3D collagen hydrogel for bone healing in estrogen-deficient mice.</a> Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 864 (2020).</li></ol>

このプロトコルの重要な点は、自然凝固を防ぐために、ステップ1とステップ2を氷上で実行する必要があることです。この方法では、コラーゲンIの最終濃度は1.2mg/mLであった。したがって、最適なddH2O体積は、さまざまなメーカーのさまざまなコラーゲンと一致するように計算する必要があります。
生体内では、骨細胞形成は、骨芽細胞の表面から海綿骨?...

骨細胞は、骨芽細胞に由来する末端分化細胞である1,2。骨芽細胞は、骨骨に埋もれると骨細胞形成を行い、骨前細胞を形成するPdpn遺伝子、骨を石灰化するDmp1遺伝子、骨組織において成熟骨細胞として機能するSost遺伝子とFgf23遺伝子を発現する3。ここでは、骨細胞形成プロセスにおける樹状突起の伸長とマーカー遺伝子発現を同定するために、3D培養システムを導入します。
IDG-SW3細胞は、トランスジェニックマウスに由来する不死化初代細胞株であり、異なる培地で培養すると、骨芽細胞を増殖または複製して骨細胞分化を遅らせることができます4。MLO-A5、MLO-Y4、および他の細胞株と比較して、IDG-SW3細胞における機能性タンパク質の発現プロファイル、カルシウム塩沈着を行う能力、および各種ホルモンに対する応答は、骨組織における初代骨細胞のそれと同じである可能性が高い4。
2Dシステムと比較して、3D培養システムは、栄養素の勾配、低い機械的剛性、周囲の機械的範囲など、in vivoの細胞増殖環境を模倣する能力が高くなります(表1)。3Dシステムで骨芽細胞を培養する以前の方法のほとんどは、コラーゲンI線維がカルシウムおよびリンの沈着部位として機能するため、製剤4,5,6の固有の成分としてコラーゲンIを使用していました。しかし、骨骨に不可欠な構成要素である細胞外マトリックスには、細胞の成長、接着、遊走を促進する細胞因子が多数含まれており7,8、透明で画像観察に便利です。従って、このプロトコルはosteocytogenesisの調査のための二次部品としてMatrigel (以下基底の膜のマトリックスと言われる)を使用する。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.25% Trypsin-ethylenediaminetetraacetic acid</td>
			<td>Hyclone</td>
			<td>SH30042.01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 mL tubes</td>
			<td>Corning, NY, USA</td>
			<td>430791</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7.5% (w/v) Sodium bicarbonate</td>
			<td>Sigma-Aldrich, MO, USA</td>
			<td>S8761</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ascorbic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich, MO, USA</td>
			<td>A4544</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collagen I</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A10483-01&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fetal bovine serum</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>10099141</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>homogenizer</td>
			<td>BiHeng&#160; Biotechnology, Shanghai, China</td>
			<td>SKSI</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>laser confocal fluorescence microscopy</td>
			<td>Carl&#160;Zeiss, Oberkochen, Germany</td>
			<td>LSM 800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Live/Dead Cell Imaging kit</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>R37601</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrigel matrix</td>
			<td>Corning, NY, USA</td>
			<td>356234</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MEM (10X), no glutamine</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>21430079</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>paraformaldehyde</td>
			<td>Sigma-Aldrich, MO, USA</td>
			<td>158127</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>phosphate buffered saline</td>
			<td>Hyclone</td>
			<td>SH30256.FS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>stereo microscope</td>
			<td>Carl&#160;Zeiss, Oberkochen, Germany</td>
			<td>Zeiss Axio ZOOM.V16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trizol</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>15596026</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray fluorescence</td>
			<td>EDAX, USA</td>
			<td>EAGLE III</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#946;-glycerophosphate</td>
			<td>Sigma-Aldrich, MO, USA</td>
			<td>G9422</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

idg-sw3 cell culture in a three-dimensional extracellular matrix

骨細胞は、骨芽細胞から末端分化している非増殖性細胞であると考えられています。骨細胞外マトリックス(骨骨)に埋め込まれた骨芽細胞は、 Pdpn 遺伝子を発現して細胞樹状突起を形成し、骨前細胞に変化します。その後、骨前細胞は Dmp1 遺伝子を発現してマトリックスの石灰化を促進し、それによって成熟した骨細胞に変化します。このプロセスは骨細胞形成と呼ばれます。IDG-SW3は、骨細胞形成の in vitro 研究でよく知られている細胞株です。以前の多くの方法では、コラーゲンIを培養マトリックスの主成分または唯一の成分として使用していました。しかし、オステオイドには、コラーゲンIに加えて、細胞の成長、接着、移動を促進する重要な成分である粉砕物質も含まれています。さらに、マトリックス物質は透明であるため、I型コラーゲンゲルの透明性が高まり、イメージング技術による樹状突起形成の探索に役立ちます。したがって、この論文では、IDG-SW3の生存のためにコラーゲンIとともに細胞外マトリックスを使用して3Dゲルを確立するためのプロトコルを詳述します。この研究では、骨細胞形成中の樹状突起の形成と遺伝子発現を分析しました。7日間の骨形成培養後、蛍光共焦点顕微鏡下で広範囲の樹状突起ネットワークが明瞭に観察されました。リアルタイムPCRでは、 Pdpn と Dmp1 のmRNAレベルが3週間連続的に上昇していることが示されました。4週目に、実体顕微鏡で鉱物粒子を充填した不透明なゲルが発見され、蛍光X線(XRF)アッセイと一致しました。これらの結果は、この培養マトリックスが骨芽細胞から成熟骨細胞への移行をうまく促進することを示しています。

生細胞/死細胞染色後、共焦点レーザー顕微鏡を用いて細胞を可視化した。すべての細胞がカルセインAM陽性(緑色)であり、圃場にはEthD-1陽性細胞(赤色)がほとんど存在せず、この方法で作製されたゲル系が骨細胞形成に非常に適していることが示されました(図1A、左)。細胞の空間分布をより適切に決定するために、ゲルのさまざまな深さで細胞樹状突起を表示するため?...

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IDG-SW3 Cell Culture in a Three-Dimensional Extracellular Matrix

ここでは、IDG-SW3細胞を3次元(3D)細胞外マトリックスで培養するためのプロトコルを紹介します。

3次元細胞外マトリックスでのIDG-SW3細胞培養

Osteocytes are considered to be nonproliferative cells that are terminally differentiated from osteoblasts. Osteoblasts embedded in the bone extracellular ...

我々は、骨形成による形成と遺伝子発現を解析するために、コラーゲン指標とともに細胞外指標を用いて3Dシステムを確立するためのプロトコルを詳述した。細胞外測定は、コラーゲン1体ゲルの透明性を高めることができ、イメージング技術のための樹状突起形成の探索に適しています。まず、0.9ミリリットルの基底膜マトリックスを氷上の新しい15ミリリットルの遠心分離チューブにゆっくりとピペットで移し、脇に置いておきます。次に、インターフェロンガンマ線を添加した4ミリリットルの完全培地中のIDG SW3培養細胞のT25フロスをインキュベーターから取り出します。培地を除去した後、PBS pH 7.4の細胞をピペットで洗浄します。次に、0.5ミリリットルの0.25%トリプシンEDTAで細胞を摂氏37度で30秒間トリプサン化します。3.5ミリリットルの完全培地を添加してトリプシンを不活化します。摂氏ペンションの4ミリリットルを15ミリリットルの遠心分離管に移します。細胞懸濁液を300 Gで摂氏4度で5分間スピンダウンします。上清を廃棄した後、細胞パレットを1ミリリットルの完全培地に氷上に再懸濁します。ヘモサイトメーターを用いて細胞をカウントし、完全な培地での最終細胞密度を10の4倍から1ミリリットルあたり5番目の細胞に調整します。調製した細胞懸濁液0.1ミリリットルを、氷上に保管した細胞外マトリックス0.9ミリリットルに加えます。ピペッティングで静かに上下させてよく混ぜます。1ミリリットルの細胞マトリックス混合物と1ミリリットルのコラーゲンを、氷の上でピペッティングして静かに混ぜます。最終混合物0.5ミリリットルを24ウェルプレートの各ウェルにピペットで移し、摂氏37度で1時間インキュベートして細胞ゲル混合物を形成します。インキュベーション後、各ウェルの細胞ゲル混合物に0.5ミリリットルの骨形成培地を添加します。摂氏37度で骨形成分化を開始するには、これをゼロ日目と見なします。2日ごとに、培地の半分を新鮮な骨形成培地と交換し、35日間培養を続けます。カルシウムAMおよびエチジウムワンストック溶液を冷凍庫から取り出し、室温まで温めます。2ミリリットルのDPBSに、2ミリモルのエチジウム1原液4マイクロリットルと4ミリモルカルシウムAM原液5マイクロリットルを加え、よく混合して、2マイクロモルのカルシウムAMと4マイクロモルのエチジウム1を作業溶液として得る。培養の1日目と7日目に細胞染色を行うには、0.5ミリリットルの作業溶液を24ウェルプレートのウェルにピペットで移し、室温で30〜45分間インキュベートして細胞ゲルマトリックスを染色します。約0.5ミリリットルの新鮮なDPBSを新しい35ミリメートルのガラス底培養皿に加え、サンプルの汚染や乾燥を防ぐために皿を覆います。肘の先端に鉗子を使用して、細胞ゲルマトリックスを傷つけたりせん断したりすることなく、染色した細胞ゲルマトリックスをDPBSを含む培養皿に慎重に移します。レーザー共焦点蛍光顕微鏡で標識された細胞を観察します。染色した細胞ゲルマトリックスの入った培養皿を顕微鏡ステージに置きます。10倍の対物レンズを使用して接眼レンズを通してスキャンする細胞ゲルマトリックスの領域を選択します。顕微鏡のスキャンを設定するには、光学フィルターを選択します。カルシウムを標準の蛍光バンドパスフィルターで緑色に、エチジウムをヨウ化プロピジウムまたはテキサスレッド色素のフィルターで赤色に表示します。スキャンするラインモードを選択し、取得モードをクリックしてエアリー単位を1auに設定します。8 ビットのデータ深度と 1024 x 1024 ピクセルの画像解像度を選択します。次に、ラインステップを選択し、スキャン速度を5に設定します。画像のZスタックを収集するには、グリーンチャンネル信号に従って連続的にスキャンしながらサンプルに焦点を合わせることにより、スキャンする細胞ゲルマトリックスの上部と下部の位置を定義します。サンプルの上下を指定したら、目的のスキャンフレームを選択してスキャンを開始します。サンプルは、選択した設定で上から下にスキャンされ、画像のギャラリーが生成されます。生細胞を特定するには、画像スライスを 1 つ選択します。緑と赤のチャンネルは、それぞれ生細胞と死細胞を示します。細胞樹状突起を同定するには、単一の緑色チャンネルを選択して画像取得ソフトウェアで3D再構成を生成し、一連の虹色の疑似カラー画像が深度情報を示します。下部の樹状突起は赤で表示され、上部の樹状突起は青で表示されます。培養日を変えて、培地を取り出し、プレート内のゲルをDPBSで2回洗浄します。0.5ミリリットルまたは4%パラホルムアルデヒド含有DPBSをウェルに添加し、細胞ゲルマトリックスをプレート内に室温で10分間固定します。ウェル内のパラホルムアルデヒドを除去し、前に示したようにプレート内のDPBSで細胞ゲルマトリックスをさらに2回洗浄し、イメージング用に各ウェルに0.5ミリリットルのDPBSを残します。プレートを実体顕微鏡ステージに置き、0.5倍の対物レンズを使用して接眼レンズを通して最適な位置を選択します。画像は、明視野下での自動露光を使用して、プレート内の細胞ゲルマトリックスの全視野図を個別に示しています。培養35日目に、液体窒素レベルを確認し、XRFシステムを起動します。サンプルルームを開き、肘の先端に鉗子を付けたゲルをプレートから装置のサンプルステージの中央に移します。サンプルルームを閉じ、30分間待ってから装置を冷ましてから使用してください。露光時間を 35 ミリ秒に設定します。スペクトル範囲はゼロから40キロ電子ボルト、電流は770マイクロアンペアまでです。サンプルステージを移動して、分析するスキャンサイトを3〜5つ選択します。カルシウムとリンの要素を選択します。検出を開始し、結果をエクスポートします。培養の異なる日。除去した細胞ゲルマトリックスを培養液を氷冷DPBSで2回洗浄します。フェノールクロロホルムイソアミルアルコール法を用いて、細胞ゲルマトリックスから全RNAを抽出します。次に、ランダム六量体プライマーを用いて、2マイクログラムのトータルRNAをCDNAに逆転写します。チューブをサーモサイクラーに置き、PCR増幅を行います。PCR後、2デルタCT法で倍数変化を分析します。共焦点レーザー顕微鏡で可視化した生死細胞染色では、すべての細胞がカルシウムAM陽性であり、エチジウム1陽性細胞はほとんどなく、ゲル系が骨細胞形成に非常に適していることが示されました。細胞樹状突起は、7日目までに骨形成培地中のネットワークに徐々に拡張しました。7日目の培養の疑似カラー画像には、ゲルの底部と上部で異なる深さの細胞アンドロイドが写っています。示された時間における24ウェルプレート内の細胞ありゲルおよび細胞なしゲルのフルフィールド画像が画像化されます。ゲルマトリックスの透明性は、無細胞ゲルマトリックスとは異なり、35日目に不透明になるまで低下し続けました。35日目の不透明ゲルのXRFスペクトルは、ゲルがカルシウムとリンの沈着物で完全に満たされていることを示しました。リアルタイムPCRで解析したいくつかのマーカー遺伝子の発現は、ポドプラニンと象牙質マトリックスタンパク質1のmRNAレベルが1日目から21日目まで継続的に増加し、21日目以降にmRNAレベルが低下することを示しました。線維芽細胞増殖因子23とスクレロスチンのmRNAレベルは、すべての段階で継続的に増加しました。コラーゲン1と基底膜メトリクスは、室温で素早くゲル化します。したがって、使用するすべてのチップとチューブは、特に明記されていない限り、事前に冷却する必要があります。画像技術により、骨形成中の興味深いイベントを観察できます。樹状突起の形成と伸長の間の分子作用を局在化することは容易です。

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