The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
Basic Medical Sciences, University of Arizona College of Medicine - Phoenix
This article is a part of JoVE General. If you think this article would be useful for your research, please recommend JoVE to your institution's librarian.
Recommend JoVE to Your LibrarianCurrent Access Through Your IP Address
Current Access Through Your Registered Email Address
Radtke, A. L., Herbst-Kralovetz, M. M. Culturing and Applications of Rotating Wall Vessel Bioreactor Derived 3D Epithelial Cell Models. J. Vis. Exp. (62), e3868, doi:10.3791/3868 (2012).
Celler och vävnader i miljö kroppen-upplevelse förhållanden som påverkar deras arkitektur, intercellulära kommunikation och övergripande funktioner. För in vitro-modeller cellodling att exakt efterlikna vävnaden av intresse, är tillväxten miljö kulturen en viktig aspekt att beakta. Vanligen använda konventionella cellodlingssystem utbreder epitelceller på plana tvådimensionella (2-D) ogenomträngliga ytor. Även om mycket har lärt sig från konventionella system för cellodling, många fynd inte reproducerbara i humana kliniska prövningar eller vävnadsdelar vävnad, eventuellt till följd av bristen på ett fysiologiskt relevant mikromiljö.
Här beskriver vi en kultur system som övervinner många av gränserna kultur skick 2-D cellkulturer, genom att använda den innovativa roterande väggen kärl (RWV) bioreaktor teknik. Vi och andra har visat att organotypiska RWV-härledda modeller kan rekapitulera struktue, funktion och autentiska mänskliga reaktioner på yttre stimuli på liknande sätt som mänskliga explantation vävnader 1-6. Den RWV bioreaktor är en suspensionsodling system som möjliggör tillväxt av epitelceller under låga fysiologiska betingelser fluidumskjuvkraft. De bioreaktorer finns i två olika format, en hög del roterande kärl (HARV) eller en långsamt vrida i sidled (STLV) fartyg, där de skiljer sig åt genom sin luftning källa. Epitelceller sättes till bioreaktorn för val i kombination med porösa, kollagen-överdragna mikrobärarkulor (figur 1A). Cellerna utnyttjar de pärlor som en tillväxt byggnadsställning under konstant fritt fall i bioreaktorn (figur 1B). Mikromiljön som tillhandahålls av bioreaktorn tillåter cellerna att bilda tredimensionella (3-D) aggregat uppvisar in vivo-liknande egenskaper ofta inte observeras vid standardtemperatur 2-D odlingsbetingelser (Figur 1D). Dessa egenskaper omfattar tight junctions, MUCoss produktion, apikal / basal orientering, in vivo protein lokalisering, och ytterligare epiteliala cell-typspecifika egenskaper.
Progressionen från ett monolager av epitelceller till en fullt differentierad 3-D aggregat varierar beroende på cell typ 1, 7-13. Periodisk provtagning från bioreaktorn medger övervakning av epitelial aggregatbildning, cellulära markörer differentiering och livsduglighet (figur 1D). Gång cellulär differentiering och aggregatbildning etableras, cellerna skördas från bioreaktorn och liknande analyser utfördes på 2-D-celler kan appliceras på de 3-D aggregat med några överväganden (figur 1E-G). I detta arbete beskriver vi detaljerade stegen av hur kultur 3-D epitelcellsystem aggregat i RWV bioreaktorsystem och en mängd potentiella analyser och analyser som kan utföras med 3-D-aggregat. Dessa analyser innefattar, men är inte begränsade till, strukturella / morphological analys (konfokal, skanning och transmissionselektronmikroskopi), cytokin / kemokin sekretion och signalsystem cell (cytometrisk pärla array och Western blot-analys), genuttrycksanalys (real-time PCR), toxikologisk / drug analys och värd-patogen interaktioner. Utnyttjandet av dessa analyser lägga grunden för mer djupgående och expansiva studier som metabolomik, transkriptomik, proteomik och andra array-baserade applikationer. Vårt mål är att presentera en icke-konventionella medel för odling av humana epitelceller att producera organotypiska 3-D modeller som rekapitulera den mänskliga in vivo vävnad, i en enkel och robust system som ska användas av forskare med olika vetenskapliga intressen.
Alla steg bör utföras under BSL-2 förhållanden i ett laminärt flöde.
1. Förbereda STLV Bioreaktor
2. Förbereda mikrobärarpärlor
3. Sådd Epitelceller och pärlor i STLV Bioreaktor
4. Odling, Provtagning och Foto Dokumentation av kulturer
5. Överföra och skörd Ballast
6. Potentiell analys, program och analyser genomförts med Ballast

7. Representativa resultat
Ett exempel påen differentierad human epitelial aggregat odlas i STLV bioreaktorsystem kan ses i figur 2. SEM och TEM bilder är hämtade från humana vaginala celler odlas i STLV under 39 dagar, där microridges och invaginationer och intracellulära vesiklar sekretoriska och mikrovilli på apikala ytan kan observeras. Ytterligare demonstration av in vivo-liknande egenskaper epitelceller odlade i bioreaktorn kan observeras genom konfokala immunofluorescensmikroskopi bilder (figur 3) av 3D-vaginala celler som uttrycker mucin (MUC1) och markörer som är specifika för epitelceller (ESA) och terminal differentiering (Involucrin; INV).
Som framgår, 3-D aggregat visa ultrastrukturella egenskaper liknande vävnader, men deras mer fysiologiskt relevanta fenotyper också fungera som en utmärkt plattform för att utvärdera toxiciteten av föreningar. MTT-analysen, en vanligen använd analys för att mäta cellernas livsduglighet, metabolism eller proliferaning, kan användas för att mäta toxiciteten mot olika kemikalier och föreningar (figur 4). Triton X-100, en detergent som förstör cellmembran, användes som en positiv kontroll för validering av MTT-analysen. En ytterligare metod för att mäta toxiciteten efter behandling med testföreningar är trypanblåttuteslutning (figur 5). Efter behandling med den nonoxynol-9 (N-9), visade de vaginala aggregat en toxicitet som svar liknande det i cervikala explantation modeller, utan en annan profil jämfört med monoskikt 2, 16.
Ytterligare studier som visar förmågan hos epitelceller, odlas i bioreaktorn för att fungera och signalera på liknande sätt som vävnad in vivo, kan observeras i Figur 6. Vid stimulering med molekyler som härrör från mikrober som känns igen av Toll-liknande receptorer (TLR), aggregaten reagera och utsöndra proinflammatoriska cytokiner, inklusive IL-6 1.Expression av progesteronreceptor (PR), en receptor som svarar på hormoner stimulering, kan också observeras i de vaginala celler både vid RNA-och proteinnivåer (Figur 7 och figur 8, respektive). 3-D-aggregaten inte bara har möjlighet att svara på patogen och hormon molekyler, men kan också funktionellt stödja ett herpes simplex virus typ 2 (HSV-2) infektion. En konfokalmikroskopi bild av HSV-2 infekterade 3-D vaginala aggregat (Figur 9) visar infektion. Parallella 2-D vaginala epiteliala cellodlingar visas inte som ett resultat av den svåra celldöd orsakad av HSV-2 infektion. RWV-härledda 3-D-aggregat har också använts för att kvantifiera bakteriell och viral replikation genom intracellulära tillväxt-kurvor och analyser plack, respektive 8, 9. Slutligen kan de fysikaliska och funktionella egenskaper hos enskilda celler i aggregat också kvantifieras genom flödescytometri. Säljas från lagretle, använde vi en analys flödescytometri för att mäta MUC1 ytan uttryck på enskilda vaginala celler (Figur 10). Vaginal 3-D aggregat uttryckte en lägre andel MUC1 (27,7%) jämfört med monolager (67,2%). Den lägre procentandel av MUC1 på 3-D-aggregat yta jämfört med monoskikt kan vara en följd av de flesta MUC1 utsöndras från cellerna som observeras i vaginan 17, 18.

Figur 1. Schema för odling av humana epitelceller i RWV och potentiella tillämpningar som använder RWV-de aggregat. A) Epitelceller initialt växa såsom monoskikt i en vävnadskulturkolv. Gång sammanflytande, avlägsnas cellerna från kolv och kombinerades med mikrobärarpärlor i STLV bioreaktorn. Skala bar: 80 m B) STLV roterar på en plattform för att skapa ett konstant fritt fall miljö med låg fluid skjuvning, vilket gör att cellerna att fästa och växa på pärlor och därmed bildar synliga cellulära aggregat. c) Efter 96 h, media i STLV måste ändras för att rymma för cellulär metabolism. Mediet hälls ut på en sidoport är färskt medium ersatt genom en ansluten 10 ml spruta (kolv avlägsnats), och sprutan kolvarna är ersatta och användes för att strängspruta bubblor.) D Efter ~ 5 dagar (d) de aggregat börjar bildas . Aggregaten samplas var 7 dagar och avbildas med ljus mikroskopi för att följa upp deras utvecklande progression (20x förstoring av 3-D humana epitelceller vaginala celler). E) När du är klar aggregat bildas och cellulär differentiering har skett, är aggregaten skördas från bioreaktorn och överförs till en 50 ml koniskt rör. F) aggregat kan ympas in i ett 1,5 ml rör eller en platta med flera brunnar format för att utföra experimentell analys och tester.) G Sammanfattning av pote ntial analyser och analyser som kan genomföras på aggregat. Denna representativ lista av analyser är inte avsedd att vara en uttömmande katalog över alla potentiella tillämpningar i efterföljande led.

Figur 2. Undersöker morfologiska och strukturella egenskaper hos 3-D epiteliala cellaggregat med hjälp av elektronmikroskopi. (A) Svepelektronmikroskopi (SEM) bild av en 3-D-human epitelial vaginala cellaggregat. Skalstrecken: 200 nm (100x), 100 | im (200x), 50 ^ M (500x). Transmissionselektronmikroskopi (TEM) bild av en 3-D human epitelial vaginal cellen aggregat med pilar som pekar till (B) intracellulära sekretoriska vesiklar och mikrovilli eller (c) cytoplasmiska processer ". Skala staplar: 2 m (modifierad från Hjelm et al 2010). 2.
g3.jpg "/>
Figur 3. Konfokal immunofluorescens-mikroskopi användes för att identifiera junktional differentiering och markörer protein i 3-D-epiteliala cellaggregat. Human 3-D-vaginala celler skördade från bioreaktorn efter 32 dagar, fixerades och färgades med (A) mucin antikropp MUC1, (B) antikroppar specifika för epitelceller, ESA, eller (c) Anti-Involucrin (INV) antikroppar som känner igen terminalt differentierade epitelceller. Aggregaten indirekt märkt med Alexa 488 sekundär antikropp (grönt). Skala bar: 60 m (modifierad från Hjelm et al 2010). 2.

Figur 4. MTT-analysen användes för att mäta cellulär viabilitet. Ympades i en 24 brunnsplatta och behandlades med medium enbart (obehandlad) eller 0,01%, 0,1% eller 1,0% Triton X-100 detergent under 1 h vid 37 Human 3-D-vaginala aggregat ° C. Followin g behandlingen, avlägsnades mediet och MTT-analysen utfördes för att mäta cellulär viabilitet. ** Betecknar p <0,001; en-svansat Students t-test jämför Triton X-100-behandlade celler med obehandlad kontroll.

Figur 5. Användning av 3-D epiteliala cellaggregat för att screena förening toxicitet. (A) Nonoxynol-9 (N-9) dosberoende livsduglighet kurva 24 h efter behandling av 3-D humant vaginala epitelceller modell (röd linje / staplar) jämfört med samma celltyp odlades såsom monoskikt (svart linje / staplar). (B) N-9 TC 50 nivåer av vaginala epitelceller cellkulturer i (A) vid 1,5 timmar, 4 timmar, 8 timmar, och 24 h efter behandling. * Representerar p <0,05, ensidigt Students t-test jämför monolager till 3-D-celler vid varje exponeringstid. (Modifierad från Hjelm et al. 2010) 2.
/ Files/ftp_upload/3868/3868fig6.jpg "/>
Figur 6. Analys av cytokin-produktion i 3-D-epitelceller som svar på Toll-liknande receptor (TLR) agoniststimulering. Tre-D humana vaginala celler stimulerades med FSL-1 (TLR2 / 6), PIC (TLR3), FLAG (TLR5) , och CL097 (TLR7 / 8) i 24 h och utsöndrade cytokiner mättes genom cytometrisk vulst matris. IL-6 är visad som en representativ proinflammatorisk cytokin som produceras och mättes. * Representerar p <0,05, ensidigt Students t-test jämför stimulerade prover som PBS grupp. (Modifierad från Hjelm et al. 2010) 2.

Figur 7. Övervakning av genuttryck i 3-D-epitelceller. Semi-kvantitativ RT-PCR-analys av progesteronreceptor (PR)-uttryck i monoskikt (ML) eller 3-D-humana vaginala epitelceller. GAPDH visas som en laddningskontroll. Amplifieringsproduktersom visas är en följd av transkript uttryck uppträder efter 30 PCR-cykler. pilhuvuden punkt till PR band enda som inträffar i 3-D-samplet.

Figur 8. Proteinuttryck analys av 3D-epitelceller. Western blot-analys av monoskikt och 3-D humana vaginala epitelceller hela cellysat (30 ^) sonderades med en anti-progesteronreceptorn (PR)-antikropp. β-tubulin användes som en prob för lastning kontroll.

Figur 9. Tre-D human epitelcell modell stöder en produktiv virusinfektion. Konfokal immunofluorescensmikroskopi bild av 3-D human vaginal epitelcell sammanlagda infekterad med HSV-2. Celler infekterades vid ett MOI av 1,0 i två timmar, tvättades, fast 24 h efter infektion (4% PFA), och färgades med en HSV-2-specifik VP5 capsid antikropp (grön) och den nukleära fläcken DAPI (blå). Skala bar: 50 nm.

Figur 10. Individuell cell analys i 3-D-human epitelcellinje modell med flödescytometri. (A) monoskikt eller (b) 3-D humana vaginala epitelceller aggregat dissocierades med EDTA, märkt med en FITC-konjugerad antikropp MUC1 (blå), en isotypkontroll (grön), eller PBS (röd) och FITC-expression kvantifierades genom flödescytometri. Siffrorna representerar procentandelen celler som färgades positivt för mucin antikropp som fanns kvar efter grindning ut bakgrundsfluorescens från de färgade isotypkontroll-celler. Icke-likformiga toppar är en följd av de många glycosolation mönster och ett ojämnt MUC1 på ytan av dessa celler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Utnyttjande av RWV bioreaktorn tekniken presenteras här kan ge forskare möjlighet att öka sin nuvarande systemet cellkultur till en mer fysiologiskt relevant organotypisk cellodling modell. Den RWV bioreaktor cellodlingssystem tillhandahåller en lågskjuvande mikromiljö som möjliggör cellerna att bilda 3-D cellulära aggregat med in vivo-liknande egenskaper, inklusive tight junctions mucinproduktion och extracellulära processer (dvs. mikrovilli) och cellulär polaritet. Majoriteten av de uppgifter och exempel som presenteras här använder vaginala epitelceller som odlas i RWV systemet, men den RWV systemet också har använts för att kultur andra epiteliala celltyper, inklusive tunntarm och tjocktarm, lunga, urinblåsa, lever och tonsill epitelceller för att bilda 3-D organotypiska modeller 1, 7-13, 18. Dessutom har detta system använts för att typerna kultur cell annan än epitelceller, och för närvarande utvecklingen av komplexa, multicellular organotypiska odlingsmodeller pågår 2, 18.
Protokollen som beskrivs här är tänkt att fungera som en guide, och kan behöva ändras baserat på celltypen av intresse. De vanligaste modifieringar av protokoll för att odla epitelceller i RWV systemet innefattar den tid cellerna odlas i STLV, beslut och timing av stenmaterial överföring från STLV till HARV, och cellen / pärla förhållandet för den initiala sådd i STLV. En mera specialiserad modifiering som kan övervägas för framgångsrik aggregatbildning är egenskaperna hos den mikrobärare pärla eller byggnadsställning, såsom ytarea, diameter, form, ytbeläggningar, densitet, laddning, kärnmaterialet, och porositet. Dessutom kan justering av basen odlingsmediet, formulering, eller tillägg, vara nödvändigt för att optimera de odlingsbetingelser och maximera aggregatbildning. Justeringar kan också göras till bioreaktorn systemet och dess komponenter, isive storlek bioreaktorn kärlet och rotationshastigheten. För en förbättrad bedömning av mikromiljö i bioreaktom är en perfunderade kultur system också tillgänglig som möjliggör kontinuerlig övervakning av pH, syre och glukos nivåer inom odlingskärlet säkerställa en produktiv miljö för aggregatbildning. Den potentiellt lång tid för att optimera Odlingsbetingelserna aggregatbildning, cellulär differentiering och för att karakterisera varje ny modell systemet, såväl som den initiala kostnaden för bioreaktorsystem, är anmärkningsvärda nackdelar med detta system. Men kommer varje ny kultur som är implementerat i ett laboratorium har liknande nackdelar.
Vi och andra har visat att RWV-härledda modellerna använder mänskliga celler kan vara ett värdefullt verktyg för att förutsäga effekten, toxicitet och farmakokinetik av vacciner, mikrobicider, biologiska och läkemedel på ett sätt som är relevant för människa 1, 2, 18. Med framgången av eär bioreaktor kulturen för att producera autentiska mänskliga reaktioner i kombination med dess flexibilitet, är tillämpningar av RWV bioreaktorn systemet för närvarande byggs ut till sådana områden som tumören modellering, regenerativ medicin, och tissue engineering 2, 18-23. Att främja våra RWV-genererade slemhinnor modeller vi arbetar för att skapa en mer komplex flercellig system som replikerar både struktur och funktion av människans slemhinnevävnaden. Men författarna erkänner att det kan vara nödvändigt att använda eller integrera flera modellsystem för att reproducera de komplexa interaktioner som läkemedel eller vaccin har med mänskliga fysiologiska system. Totalt sett är vårt mål att använda RWV bioreaktorn och dess experimentella tillämpningar för att bättre förstå slemhinnevävnad biologi och de cellulära svaren miljö förolämpningar i mänskliga organotypiska modeller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Författarna har ingenting att lämna ut.
Författarna vill tacka Brooke Hjelm för hennes teknisk expertis och Andrew Larsen för hans proteinanalys. Detta arbete har finansierats delvis av Alternativ Research Development Foundation (MMHK) Grant och NIH NIAID sexuellt överförbara infektioner och utvärtes mikrobicider kooperativa Research Center IU19 AI062150-01 (MMHK). Vi erkänner tacksamt Biology of Reproduction för återanvändning av siffror.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A21131 | Used at 1:500 dilution |
| FACSDiva | BD Biosciences | Flow cytometer | |
| β-tublin antibody | Calbiochem | 654162 | Used at 1:5000 dilution |
| Bio-Plex 2000 | Bio-Rad | 171-000205 | v5 software |
| Bioreactor and components | Synthecon | RCCS-4 | |
| Cell strainer | BD Biosciences | 352340 | 40μm pore size |
| Conical tube (50mL) | Corning | 5-538-60 | |
| Coverslips | VWR international | 48366067 | |
| Cytokine bead array kits | Bio-Rad | Custom human kit | |
| Cytodex beads | Sigma-Aldrich | C3275 | |
| DPBS | GIBCO, by Life Technologies | 14190 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | ED-500G | Ethylenediaminetetraacetic acid |
| Epithelial specific antibody (ESA) | Chemicon International | CBL251 | Used at 1:50 dilution |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | GIBCO, by Life Technologies | 10438 | Heat inactivated |
| HARV (Disposable) | Synthecon | D-405 | |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | 37% |
| Involucrin antibody | Sigma-Aldrich | I 9018 | |
| Microscope slides | VWR international | 16004-368 | |
| MTT reagent | MP Biomedicals | 194592 | 3-(4,5-Dimethylthiazolyl 1-2)-2,5-Diphenyl Tetrazolium Bromide |
| MUC1 antibody (microscopy) | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | Sc-7313 | Used at 1:50 dilution |
| MUC1 antibody (flow cytometry) | BD Biosciences | 559774 | Also called CD227, use 20μL per test |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Diluted to 4% in DPBS |
| Petri dish (small) | BD Biosciences | 353002 | |
| Polystyrene tube with filter | BD Biosciences | 352235 | |
| Polystyrene flow tube | BD Biosciences | 352058 | |
| PR antibody | Dako | M3569 | Used at 1:100 dilution |
| ProLong Gold | Invitrogen | P36931 | Mounting media with DAPI |
| RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74903 | |
| Sodium dodecyl sulfate | Sigma-Aldrich | 71725 | |
| Sterilization pouch | VWR international | 11213-035 | |
| Stopcocks (one-way) | MedexSupply | MX5061L | |
| Syringe (10mL) | BD Biosciences | 309604 | Luer-lock tip |
| Syringe (5mL) | BD Biosciences | 309603 | Luer-lock tip |
| Trypan Blue | Invitrogen | T10282 | |
| Vp5 antibody | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | sc-13525 | HSV-2 antibody Clone 6F10; used at 1:5000 dilution |