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Biomedical Engineering, Tulane University
Curley, J. L., Jennings, S. R., Moore, M. J. Fabrication of Micropatterned Hydrogels for Neural Culture Systems using Dynamic Mask Projection Photolithography. J. Vis. Exp. (48), e2636, doi:10.3791/2636 (2011).
1. DMD सेटअप
2. ऊतक Explant संस्कृतियों के लिए दोहरी Hydrogel constructs
ए DRG explant आसंजन
बी गतिशील मुखौटा photopolymerization
एक डिजिटल micromirror डिवाइस (डीएमडी) व्यक्तिगत दर्पण, प्रक्षेपण टीवी में है कि करने के लिए इसी तरह की है, जो चुनिंदा दर्पण की स्थिति के आधार पर प्रकाश को दर्शाता है एक 1024 x 768 सरणी है. हमारे प्रयोजनों के लिए, DMD पैटर्न पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश photocrosslinkable hydrogels पर प्रयोग किया जाता है, एक सरल और तेजी से तरीके में निर्दिष्ट hydrogel geometries बनाने. चित्रा 1 DMD और यूवी प्रकाश पथ की स्थापना दर्शाया गया है. हालांकि हमारे DMD एक स्वसंपूर्ण इकाई है, युक्ति भी कई मौजूदा सूक्ष्मदर्शी के साथ उपयोग के लिए एकीकृत किया जा सकता है.
सी. माध्यमिक hydrogel
Puramatrix
Agarose
3. दोहरी Hydrogel 3D सेल इनकैप्सुलेशन
दोहरी hydrogel encapsulation के उपयुक्त है जब किसी भी स्वयं कोडांतरण जेल का उपयोग कर. photocrosslinkable जेल, इस मामले में खूंटी में, Puramatrix या agarose उदाहरण के लिए स्वयं कोडांतरण जेल के ज्यामितीय प्रस्तुति के लिए एक संरचनात्मक समर्थन के रूप में कार्य करता है. कुछ तरीकों की, विशेष रूप से जेल और photomask पसंद के प्रकार, विशेष रूप से वांछित आवेदन पर निर्भर करेगा.
4. सिंगल Hydrogel 3D सेल इनकैप्सुलेशन
एक एकल hydrogel encapsulation जहां कोशिकाओं को एक photocrosslinkable hydrogel के अंदर जांच कर सकते हैं किसी भी स्थिति के लिए उपयुक्त होगा.
5. पतला फिल्मी Hydrogel polymerization
6. प्रतिनिधि परिणाम
दोहरी hydrogel के उदाहरण constructs DRG explants युक्त चित्रा 2 में दिखाया जाता है. सूचना है कि सेलुलर प्रवास और neurite विस्तार दोहरी hydrogel के सेल अनुमोदक क्षेत्र का निर्माण करने के लिए सीमित है. चित्रा 3 dissociated दोहरी hydrogel constructs अंदर इसी तरह समझाया कोशिकाओं दर्शाया गया है. DMD photomask के गतिशील स्वभाव के कारण, encapsulation के लिए उपलब्ध ज्यामिति और प्रकाशिकी के आयामों और संकल्प के द्वारा ही सीमित है. सेल encapsulation के एक एकल photopolymerizable hydrogel, खूंटी के अंदर भी संभव था, और एक व्यवहार्यता / रहते मृत परीक्षण प्रदर्शन किया गया था के रूप में चित्रा 4 में evidenced. खूंटी में इनकैप्सुलेशन एक उदाहरण के रूप में ही मतलब है, के रूप में खूंटी तंत्रिका कोशिकाओं के लिए एक आदर्श वातावरण का प्रतिनिधित्व नहीं करता है. इसलिए, सेल व्यवहार्यता हमारे खूंटी constructs में एहसास जाहिर है कम है. अंत में, सेल संस्कृति आवेषण पर एक नमूनों कोशिका आसंजन के लिए प्रतिबंधात्मक परत के रूप में पतली खूंटी फिल्मों का उपयोग करने के उदाहरण चित्रा 5 में दिखाया गया है. इसके अतिरिक्त, संभव है "" बुरा परिणाम के उदाहरण चित्रा 6 में की पेशकश कर रहे हैं.
परिणाम केवल हमारी प्रयोगशाला में विकसित की विधियों की संभव का उपयोग करता है की एक छोटा सा अंश का प्रतिनिधित्व करते हैं. वे आसानी बहुमुखी प्रतिभा, और हमारे दृष्टिकोण की व्यवहार्यता का प्रदर्शन करने के लिए होती हैं, और "सिद्धांत का सबूत" के रूप में इलाज किया जा सकता है और शोधकर्ताओं के लिए विकसित करने के लिए अपने खुद के संभव रूपांतरों.

चित्रा 1 प्रकाश photolithography के लिए इस्तेमाल किया पथ के योजनाबद्ध चित्रण. इनसेट: यूवी प्रकाश 45 °, और दर्पण सरणी के विमान से नीचे 24 ° का एक कोण पर DMD illuminates.

चित्रा 2. लेबल दोहरी hydrogel constructs युक्त DRG में विकास और प्रसार . ई.) polymerized खूंटी constructs (ग्रे) बीटा III (हरा) ट्यूबिलिन, DAPI दाग सेल नाभिक (नीला) के साथ लेबल neurites के साथ चित्रित छवियाँ. DRG explants Puramatrix में समाहित कर रहे हैं और विभाजन (ओं) की ओर बढ़ रहा है neurites के साथ पैटर्न के परिपत्र क्षेत्रों में स्थित है.

चित्रा 3 दोहरी hydrogel मध्यम विकास में 48 घंटे के बाद calcein AM, एक जीवित सेल मार्कर के साथ लेबल की कोशिकाओं से युक्त constructs. ई.) विभिन्न खूंटी आकार, अलग DRG न्यूरॉन्स (~ 5x10 3 कोशिकाओं / एमएल) से युक्त Puramatrix के साथ भरा.

चित्रा 4 सिंगल hydrogel Calcein (हरा) AM और मृत कोशिकाओं मध्यम विकास में 24 घंटे के बाद ethidium homodimer 1-(लाल) के साथ लेबल (5x10 3 कोशिकाओं / एमएल) के साथ लेबल रहते कोशिकाओं से युक्त निर्माण.

चित्रा 5 सेल प्रतिबंधात्मक खूंटी "परीक्षा पैटर्न" करने के लिए चुनिंदा पारगम्य का समर्थन करता है कोलेजन लेपित झिल्ली को dissociated कोशिकाओं पालन का उपयोग कर एक पतली फिल्म के रूप में polymerized. ए, बी) लाइव कोशिकाओं Calcein AM (हरा) के साथ 48 घंटे के बाद चिह्नित कर रहे हैं, जबकि मृत कोशिकाओं ethidium homodimer 1-(लाल) के साथ लेबल रहे हैं. न्यूनतम कोशिका आसंजन के क्षेत्र में पतली खूंटी फिल्म युक्त होता है.

चित्रा 6 अवांछनीय परिणामों के प्रतिनिधि छवियाँ. ए) खूंटी की आंशिक polymerization, एक व्यर्थ खूंटी करने के लिए अग्रणी का निर्माण. अनुचित polymerization के पूर्व बहुलक मध्यम, polymerization के माध्यम से अपर्याप्त मात्रा अपर्याप्त यूवी जोखिम या प्रकाशिकी के अनुचित ध्यान में एक meniscus की उपस्थिति के कारण हो सकता है. बी) बीटा III (हरा) ट्यूबिलिन, DAPI दाग सेल नाभिक (नीला) के साथ लेबल neurites के साथ चित्रित छवि polymerized खूंटी constructs (ग्रे). neurites नमूनों खूंटी चैनलों के बाहर विकसित करने में सक्षम थे. इस बार हालत में होता है कि इंजेक्शन के दौरान खूंटी भाग के शीर्ष पर Puramatrix overflows.
इस के साथ साथ वर्णित विधि किसी भी सरल और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य सेल संस्कृति प्रणालियों की मांग अन्वेषक द्वारा इस्तेमाल किया जा सकता है. सिद्धांततः, photopolymerizable उपलब्ध hydrogels के विस्तृत विविधता के कारण, पर्यावरण के लिए किसी भी सेल सहित पूरे ऊतक explants प्रकार, के साथ प्रयोग के लिए अनुमति देने के लिए सिलवाया किया जा सकता है. इसके अलावा, दोहरी hydrogel प्रणाली स्वयं polymerizing hydrogels, जो अपने दम पर अनाकार आकार के रूप में करते हैं की प्रस्तुति में सुधार स्थानिक नियंत्रण के लिए अनुमति देता है. जिसके परिणामस्वरूप "2.5D" micropatterned hydrogel constructs तंत्रिका विकास के लिए एक 2d विन्यास है कि सक्षम बनाता है सुविधाजनक सूक्ष्म मूल्यांकन में प्रस्तुत एक 3 डी मैट्रिक्स प्रदान करते हैं. सब्सट्रेट जिस पर जैल polymerized हैं भी, विविध किया जा सकता है प्रयोगात्मक डिजाइन में अधिक से अधिक नियंत्रण के लिए अनुमति देता है. हमारे तरीकों सेल संस्कृति पारगम्य समर्थन के साथ प्रयोग के लिए अनुकूलित कर रहे हैं, के रूप में हम गिलास स्लाइड (नहीं दिखाया डेटा है) पर polymerization की तुलना में सुधार व्यवहार्यता (चित्रा 4) के रूप में देखा है. हालांकि, अन्य polymerization सतहों और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए लागू किया जा सकता है: कांच पर निर्माण स्लाइड microfluidics प्रयोगों या उदाहरण के लिए सेल कुल फार्मेशनों, में प्रयोग किया जाता है.
इन संस्कृति प्रणालियों के साथ हमारा अनुभव कठिनाई के संभावित क्षेत्रों की पहचान करने के लिए नेतृत्व किया गया है. सबसे पहले, सावधान तकनीक constructs के बाँझपन बनाए रखने के लिए आवश्यक हैं. DMD सेटअप के भारी प्रकृति के कारण, यह मुश्किल है polymerization के चरणों बाँझ शर्तों के तहत संचालित है. इस मुद्दे का मुकाबला करने के लिए, कुल्ला तरीकों में वर्णित कदम मददगार है, और एंटीबायोटिक दवाओं सभी मीडिया में इस्तेमाल किया जाना चाहिए. इसके अतिरिक्त, अंतिम मोटाई और polymerized निर्माण के आकार के अत्यधिक पूर्व बहुलक मिश्रण के तरल पदार्थ के व्यवहार पर निर्भर है, और एक meniscus के उपस्थिति जेल constructs कि बहुत पतले या अधूरे polymerized (चित्रा 6) में परिणाम कर सकते हैं. दो कदम सेल संस्कृति आवेषण के अंदर एक meniscus के गठन को कम करने के लिए लिया जा सकता है है. मोटी hydrogels (> 200 सुक्ष्ममापी), डालने के अंदर दीवार के आसपास वर्षा एक्स के एक सरल कोटिंग पर्याप्त है. हालांकि, के रूप में संक्षेप में ऊपर पतली constructs (<200 सुक्ष्ममापी) के लिए में वर्णित है, एक तेल की परत करने के लिए दोनों meniscus को कम करने और मुक्त कट्टरपंथी polymerization के ऑक्सीजन शमन नकारना की आवश्यकता है. संकल्प सुविधा आकार में कमी के साथ तेजी से मोटा जैल एहसास के साथ, मोटाई पर निर्भर हो पाया था. संकल्प भी पर निर्भर करता है कि सुविधा hydrogel में एक सकारात्मक या नकारात्मक राहत का प्रतिनिधित्व विविध. हालांकि, हम ~ 100 केवल माइक्रोस्कोप उद्देश्यों का उपयोग कर के रूप में प्रकाशिकी ध्यान केंद्रित सुक्ष्ममापी पैमाने पर न्यूनतम सुविधा आकार के साथ constructs के लिए पर्याप्त संकल्प हासिल की.
हमारे प्रयोगों से पता चला है कि दोहरी hydrogel यहाँ वर्णित constructs neurite विकास और मार्गदर्शन के बुनियादी मॉडल में इन विट्रो के गठन के लिए एक उत्कृष्ट आधार का प्रतिनिधित्व करते हैं. micropatterning कार्यरत तकनीक मौजूदा 18,19 तरीकों की एक रूपांतर है, लेकिन हमारे सेट अप एक सरल डिजाइन को लागू करने के लिए पर बल दिया और सेल संस्कृति आवेषण पर दोहरी hydrogel constructs के उत्पादन के लिए अनुकूलित किया गया था, सेल संस्कृति आवेषण सेल व्यवहार्यता के रूप में अच्छी तरह से सुधार के लिए महत्वपूर्ण थे के रूप में पहले से पक्षपाती ऊतक explants आसपास crosslinking. दिखाए गए परिणामों के दायरे हमारी प्रयोगशाला के हितों के द्वारा सीमित है, तथापि, हम विश्वास है कि इस प्रकाशन में वर्णित विधि एक अपेक्षाकृत सस्ते, 3 डी सेल संस्कृति के निर्माण के लिए जल्दी और उपयोग करने के लिए आसान विधि के लिए खोज रहे शोधकर्ताओं के लिए उपयोगी साबित होगा मॉडल.
ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.
लेखकों के लिए प्रो एंथोनी Windebank की प्रयोगशाला DRG विच्छेदन और संस्कृति पर उनकी विशेषज्ञता का साझा करने के लिए शुक्रिया अदा करना, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से DMD सेटअप के बारे में उपयोगी विचार विमर्श के लिए प्रो Shaochen चेन. इस अनुसंधान में भाग Tulane विश्वविद्यालय और रीजेण्ट के लुइसियाना बोर्ड से अनुदान द्वारा वित्त पोषित किया गया था (LEQSF [2009-10] - आरडी - ए 18) और NIH (NS065374).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Digital Micromirror Device | Texas Instruments | DLPD4X00KIT | |
| Collagen Coated Transwell Permeable Support | Corning | 3491 | Also referred to as Cell Culture Insert in manuscript |
| Polyester Transwell Permable Support | Corning | 3412 | Also referred to as Cell Culture Insert in manuscript |
| Neurobasal Medium | Invitrogen | 21103-049 | |
| Fetal Bovine Serum | Invitrogen | 16000-036 | |
| L-glutamine | Invitrogen | 25030-164 | |
| Nerve Growth Factor | Invitrogen | 13257-019 | |
| Pen/Strep | Invitrogen | 15140-122 | |
| B-27 Supplement | Invitrogen | 17504-044 | |
| DPBS | Invitrogen | 14190-250 | |
| Puramatrix | BD Biosciences | 354250 | |
| PEG 1000 | Polysciences, Inc. | 15178 | |
| Irgacure 2959 | Ciba Specialty Chemicals | 0298913AB | |
| Oil | Have used both canola oil and silicon oil | Needs to be UV transparent, and minimize +/- meniscus formation | |
| OmniCure Series 1000 | EXFO | ||
| Rain-X |