我们介绍一种在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上微流控沉积图案化京尼平和纤连蛋白的方法,可延长富含血管平滑肌细胞组织的存活时间。该组织制备方法与先前的血管肌肉薄膜技术相结合,用于在与疾病相关的时程内测量血管收缩力。
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我们介绍一种在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上微流控沉积图案化京尼平和纤连蛋白的方法,可延长富含血管平滑肌细胞组织的存活时间。该组织制备方法与先前的血管肌肉薄膜技术相结合,用于在与疾病相关的时程内测量血管收缩力。
血管疾病进展的慢性特征需要开发能够在与疾病相关的时间尺度上模拟生理和病理血管行为的实验技术。此前,微接触印刷技术已被用于通过细胞外基质蛋白的图案化作为组织排列的引导信号,来构建二维功能性动脉模拟结构。血管肌肉薄膜利用这些模拟结构来评估功能性收缩能力。然而,通常使用的微接触印刷制备技术会引入疏水性的PDMS基底。当组织更新其下方的细胞外基质时,新合成的蛋白质必须发生构象改变或变性,以暴露疏水性氨基酸残基,从而与疏水性PDMS表面结合附着,这会导致基质蛋白生物活性的改变、基质剥离以及组织死亡。
本文介绍了一种用于图案化交联剂化合物京尼平(genipin)的微流控沉积技术。京尼平作为图案化组织与聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底之间的中介,可使细胞在更具亲水性的表面沉积新合成的细胞外基质蛋白,并保持与PDMS基底的附着。我们还证明,细胞外基质蛋白可直接图案化沉积在京尼平涂层上,从而调控工程化组织的结构。利用该技术制备的组织在血管肌肉薄膜模型中表现出高度保真的结构排列和血管平滑肌组织的收缩功能。该技术可拓展应用于其他细胞类型,为未来研究慢性组织和器官水平的功能提供了技术框架。
血管疾病,例如脑血管痉挛1,2,高血压3,以及动脉粥样硬化4,进展缓慢,通常具有慢性特征,并涉及血管平滑肌细胞(VSMCs)产生功能障碍性的收缩力。我们旨在利用这些缓慢进展的血管功能障碍进行研究 体外 比以往更精细地控制实验条件的方法 体内 模型。我们此前已开发出血管肌层薄膜(vMTFs),用于测量功能性收缩力 体外 工程化心血管组织5但该方法仅限于相对较短时间的研究。在此,我们介绍一种基底修饰技术,可扩展我们先前的vMTF技术,以实现长期测量。
尽管内皮在整体血管功能中也至关重要,工程化的动脉层片为评估疾病进展过程中血管收缩功能的变化提供了一个有用的模型系统。为了构建一个功能性的血管疾病组织模型,必须高度保真地重现动脉层片的结构和功能,即血管的基本收缩单位。动脉层片是由弹性蛋白层分隔的、同心且周向排列的收缩型血管平滑肌细胞(VSMC)片层6。以往研究中,已通过将细胞外基质(ECM)蛋白微接触印刷到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上来提供组织排列的引导信号,以模拟有序的心血管组织5,7-10。然而,采用微接触印刷技术构建的组织在培养3至4天后可能失去完整性,限制了其在慢性研究中的应用。本实验方案通过采用一种新型微流控沉积技术替代传统的微接触印刷方法,解决了这一问题。
Genchi et al. 使用京尼平对 PDMS 基底进行修饰,发现心肌细胞在培养中存活时间可延长至一个月11。本文采用类似方法,以延长在 PDMS 上图案化的血管平滑肌细胞的培养时间。京尼平是一种源自栀子果实的天然水解产物,与其他交联剂相比具有较低的毒性,并且在组织修复12,13和细胞外基质(ECM)修饰14,15领域作为生物材料的应用日益广泛,因此是基底修饰的理想候选分子。在本实验方案中,纤连蛋白被用作细胞导向信号,与以往的微接触印刷方法一致;然而,在纤连蛋白图案化之前,先将京尼平沉积到 PDMS 基底上。因此,当细胞降解图案化的基质时,贴壁的血管平滑肌细胞新合成的细胞外基质能够与京尼平修饰的 PDMS 基底结合。
本方案利用一种微流控递送装置实现二步法京尼平和细胞外基质的沉积。该微流控装置的设计模仿了先前研究中用于构建动脉层状结构的微接触印刷图案。16因此,我们预期该方案将获得成功模拟高度有序排列的动脉层状结构的仿生材料 体内 动脉层片的结构与收缩功能。我们还评估了组织的收缩性,以证实京尼平是一种适用于长期培养的合适基质修饰化合物 体外 血管疾病模型
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注意:本方案的目标是构建并使用具有图1所示结构的血管肌性薄膜(vMTF),以评估血管平滑肌细胞(VSMCs)在PDMS基底上长期培养过程中的收缩功能。为了延长VSMCs的存活时间,我们采用交联剂化合物京尼平(genipin)。这些vMTF所用的基底设计基于Grosberg 等8提出的用于分析组织收缩力的方法。其他vMTF方法5也可使用,仅需对本文所述的基底制备方案进行细微调整。
1. 底物制备
2. 用于组织工程的微流控图案化技术

图1. 微流控蛋白质递送装置。(A) 用于PIPAAm包被的胶带覆盖盖玻片。红色虚线圆:切割路径,用于释放盖玻片。 (B) 组织微流控掩模图案的典型 AutoCAD 设计图。插图:交替二进制分支的细节 10 µm x 10 µm 组织模式 (C) 微流控装置置于盖玻片基底上,进样口和出样口已标明。 (D) 微流控蛋白质图案化与递送示意图。从左至右:微流控通道的扫描电子显微镜图像(比例尺: 50 µm);蛋白质沉积方法的详细示意图;免疫组织化学染色显示纤连蛋白(比例尺: 50 µm细胞接种血管平滑肌细胞 (E) 所制备组织的示意图。1st 插图:分层结构的细节。2nd 插图:微流控沉积后京尼平修饰PDMS基底的细节。© IOP Publishing。经许可 reproduced 和/或修改。版权所有。19 请点击此处以查看此图的放大版本。
3. 使用vMTF收缩力测定法进行组织功能分析
注意:此处介绍的 MTF 收缩力测定方法参考了 Grosberg et al.8 所建立的技术。
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本研究的主要目标是延长微图形化血管平滑肌细胞在疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上的存活时间。通过整合微流控递送系统,在PDMS上沉积图案化的京尼平和纤连蛋白,实现了这一目标。 (图1)采用微流控递送方式沉积ECM蛋白,可实现基因素与纤连蛋白条带之间裸露PDMS区域的高保真通道图案转移 (图1D)贴壁细胞 (图1E) 形成融合的单层,模拟 体内 动脉薄片结构(图2),类似于以往的微接触印刷方法5,10,16这些组织产生了具有响应性和收缩性的构建物,其应力通过vMTF技术进行测量 (图3).
在为期两周的过程中对组织活力进行的定性评估显示,经京尼平修饰的基底上组织退化程度最小(图 2A)。组织的汇合度与细胞排列在两周内均得以维持(图 2B、2C 和 2D)。针对每个 vMTF 计算了两个关键的应力值:1)基础...
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本文介绍了一种在先前开发的vMTF技术基础上改进的实验方案,可实现更长的实验时间,更符合慢性血管疾病通路的研究需求1,23,24。为实现这一目标,我们采用微流控沉积技术对京尼平进行微图案化处理,该物质此前已被证明可实现PDMS基底的长期功能化11,从而制备出具有改善血管组织存活率的工程化动脉层片,用于MTF收缩力实验。McCain et al. 在相关的MTF模型中,开发了一种替代性的微模制明胶水凝胶基底,可用于工程化心肌组织的长期培养,持续数周25。
该方案成功获得了能够模拟动脉层片结构的vMTF (图2) 和功能 (图3) 为期两周。成功完成本方案可实现疾病相关时间进程的延长培养时间,从而获得预期结果。例如, 持续长达14天的脑血管痉挛的病理效应26),会出现一些常见问题。PDMS微流控装置的重复使用会导致有害损伤,可能引起装置内分支部分或完全堵塞,因此每次实验必须使用新的装置。另一个问题...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢美国心脏协会科学家发展奖(13SDG14670062,PWA)和明尼苏达大学博士论文奖学金(ESH)提供的经费支持。同时感谢明尼苏达大学的明尼苏达纳米中心(MNC)提供的微加工资源,以及大学影像中心(UIC)提供的图像处理资源。本研究的部分工作在明尼苏达大学表征中心完成,该中心通过美国国家科学基金会(NSF)的材料研究科学项目获得部分支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 盖玻片染色架 | Electron Microscopy Sciences | www.emsdiasum.com/ | 72239-04 |
| 显微镜盖玻片 - 25 mm | Fisher Scientific, Inc. | www.fishersci.com | 12-545-102 |
| 聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PIPAAm) | Polysciences, Inc. | www.polysciences.com/ | #21458 |
| 1-丁醇 | Sigma-Aldrich | www.sigmaaldrich.com | 360465 |
| 旋涂仪 | Specialty Coating Systems, Inc. | www.scscoatings.com | |
| 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) | Ellsworth Adhesives (Dow Corning) | www.ellsworth.com | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG |
| 荧光微球 | Polysciences, Inc. | www.polysciences.com/ | 17151 |
| 硅晶圆 | Wafer World, Inc. | www.waferworld.com | 2398 |
| 光刻胶 | MicroChem Corp. | www.microchem.com | |
| 接触式掩模对准器 | Suss MicroTec | www.suss.com | |
| 显影液 | MicroChem Corp. | www.microchem.com | |
| 十三氟三氯硅烷 | UCT Specialties, Inc. | www.unitedchem.com | T2492 |
| 外科活检打孔器 | Integra LifeSciences Corp. | www.miltex.com | 33-31AA-P/25 |
| 京尼平 | Cayman Chemical | www.caymanchem.com | 10010622 |
| 1× 磷酸盐缓冲液 | Mediatech, Inc. | www.cellgro.com | 21-031-CV |
| 纤连蛋白 | Corning, Inc. | www.corning.com | 356008 |
| 青霉素/链霉素 | Life Technologies, Inc. | www.lifetechnologies.com | 15140-122 |
| 脐动脉平滑肌细胞 | Lonza | www.lonza.com | CC-2579 |
| Tyrode's 溶液组分 | Sigma-Aldrich | www.sigmaaldrich.com | 各种 |
| 体视显微镜 | Zeiss | www.zeiss.com | 4350020000000000 |
| 温控平台 | Warner Instruments | www.warneronline.com | 641659; 640352; 641922 |
| 内皮素-1 | Sigma-Aldrich | www.sigmaaldrich.com | E7764-50UG |
| HA-1077 | Sigma-Aldrich | www.sigmaaldrich.com | H139-10MG |
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