便于操作的体系结构基于蛋白质的凝胶中为单元格文化应用程序

摘要

不同的方法来操作基于蛋白质的凝胶中的三维结构对材料性能在这里评价。大孔网络一种细胞粘附肽，羧基化，它们在细胞培养的可行性评估使用两种不同的模型细胞株。

摘要

水凝胶被公认的有前途的材料，因为它们能够提供高度水合的细胞环境细胞文化申请。领域的 3D 模板正上升由于潜在的相似之处的那些材料到天然细胞外基质。基于蛋白质的凝胶是特别有前途，因为他们很容易能官能化，可以实现定义的结构可调的理化性质。然而，大孔 3D 模板单元格文化应用程序使用天然材料的生产，常常受到其较弱的力学性能相比，这些合成材料。在这里，不同的方法进行计算以产生大孔牛血清白蛋白 (BSA)-基于水凝胶系统，与在半径 10 至 70 微米范围内可调的孔径大小。此外，建立了一种方法来生成渠道在这几个几百微米长的蛋白质基础材料。不同的方法来产生毛孔，以及孔隙大小对材料的性能如膨胀比、 ph 值、 温度稳定性和酶降解行为的影响进行分析。利用共焦激光扫描显微镜对凝胶本机、 肿州考察了孔径大小。细胞培养应用的可行性进行了评价使用蛋白系统和两个模型细胞株的细胞粘附 RGD 多肽修饰: 人类乳腺癌细胞 (A549) 和 adenocarcinomic 肺泡基底上皮细胞 (MCF7)。

引言

水凝胶是水的形成不溶性的 3D 网络能够结合大量的材料。这种材料可以提供优良的环境条件，活细胞。目前，那里越来越感兴趣，在三维水凝胶结构的生成和发展的过程来定制他们的化学和物理特性。一旦完成，该细胞的生长和操纵细胞行为的模板可以生成的^{1，2，，34}。这些 3D 结构不仅创造一个更为自然和现实的环境，比传统的二维方法，但他们也揭示新的可能性，为干细胞的生长或肿瘤模型⁵。不同的材料拥有一系列的特性主要取决于孔隙大小的凝胶⁶。毛孔发挥关键作用，细胞培养应用程序、 组织工程和干细胞的定向的生长。例如，通过矩阵，弥漫的氧气和营养物质和适当数额必须能够达到细胞⁷。另一方面，必须尽快，去除有害代谢物和足够的空间用于细胞生长必须可用⁷。因此，材料特性和，因此孔隙大小，严重影响矩阵的潜在利益和可能的应用程序。取决于材料的性能，不同的细胞生长过程可以发生在三维细胞培养，包括形成的神经元结构;生长和分化的皮肤或骨细胞;和特殊的干细胞，如肝细胞或成纤维细胞^{2，3，8，9，，1011}定向的生长。影响材料的可能应用的另一个关键点是对外部刺激¹²其稳定性。例如，水凝胶必须保持其在细胞培养基或人体的机械完整性。

近年来，研究三维单元文化水凝胶加剧，并进行了许多研究解决系统¹³的 3D 建筑。由化学合成的成分组成的水凝胶最常用因为他们可以很容易合成和化学改性和他们表现出较高的稳定性进行了研究 （见朱等人，2011 年为审查）⁵。然而，蛋白质有许多有益的特性: 如所谓的"精密聚合物"，他们都是生物相容性;他们有一个已定义的长度;它们是相对容易的修改;和他们有大量的目标站点^14，15。在这方面，特异性高、 创新结构可以生成在许多领域中的应用。在此研究中，基于蛋白质的凝胶¹⁶用于演示的既定方法影响材料的 3D 架构的能力。此外，还研究了适用于孔隙水的产生和能力。

有许多的不同技术，可用来修改三维结构，包括方法简单、 复杂、 高度专业化的技术，从不同科学领域的材料。广泛的技术是利用静电纺丝技术来生成定义良好的结构¹⁷。带电的纤维由电场拉扯从解决方案，然后凝固暴露在氧气。这种方式，可以产生几个纳米到几个微米范围内的纤维。额外的技术调整大小、 结构和分布的毛孔内矩阵是软光刻技术、 光刻、 水动力聚焦、 电喷涂、 和生物印刷^18，，1920。这些技术的一个重大缺点是他们对具体的、 昂贵的设备和特殊的化学物质或材料的依赖。此外，这些技术的经验往往不是直接转移到蛋白质为基础的材料，和许多的化学品和方法不是兼容的单元格。

另一方面，许多技术不要依赖特殊的设备，使他们更容易和便宜适用，并重现。结构操作的普遍做法是溶液浇铸^21，，2223。粒子在聚合反应之前添加和均匀分布，饱和溶液。在聚合反应后, 变化的条件，如稀释或 ph 值的变化，导致溶剂化物的粒子，而毛孔留在材料内。在这些技术，如盐、 糖、 石蜡、 明胶和粉笔，所使用的化学品是廉价和容易获得。在冷冻干燥，肿水凝胶被冻结。真空条件下液相的后续升华是然后执行^23，，2425。从网络的水升华是足够温和，保持材料的特定三维结构。在气体发泡，解决方案是用气体分流聚合反应发生，留下毛孔内凝胶²¹时。取决于气体流可以调整的大小和分布的毛孔。

形成蛋白质凝胶，与四羟甲基氯化磷 (THPC) 在曼尼希反应，以便形成共价键伯胺和链接器四武装分子²⁶的羟基之间的反应是牛血清白蛋白。反应发生后通过过度清洗的材料移除可能有害的中间体。

这项研究表明治疗不同的技术来操纵和裁缝毛孔的大小基于 BSA 的材料的可能性。每个技术可以用作在任何实验室全世界，没有特别的设备是必要的。此外，不同的参数，如溶胀率、 酶促降解性、 pH 稳定性和温度敏感性、 被检测，并比较彼此，尤其是尊重对不同技术的影响上的 3D 架构生成。最后，材料是羧基与细胞粘附肽调查材料对细胞培养中的可能应用。使用了两种不同的模型细胞系: A549 和 MCF7。

方案

1.水凝胶制备

1. 用去离子 H₂O 打造 20%(w/v) BSA 股票 （股票解决方案 A） 1 毫升混合 200 毫克的牛血清白蛋白。
2. 用去离子水，创建 THPC 4.835 毫升混合 165 微升 THPC 解决方案 （134 毫克/毫升） 的股票 （股票解决方案 B） 解。
3. 体重 1 毫克的 KCSSGKSRGDS (1,111.1 g/mol) 肽 （或等效的细胞粘附肽） 和稀释在 100 μ L 的无菌 H₂O 获得 10 毫克/毫升的解决方案 （股票 C）。
   注: 此步骤是可选的只需要包括如果水凝胶是基于细胞培养中的应用。
4. 底部的 96 孔板中删除并替换可移动的塑料包装。
   注意: 对于板用在这里，底部可以很容易被删除所到的每口井; 底部施加压力薄塑料底只会掉出来。
5. 牛血清白蛋白原液的混合 100 微升 （A） 和 100 μ L THPC 的股票解 (B) (可选: 4 微升股票解 C 官能化、 细胞粘附凝胶的) 在 96 孔板获得 200 微升的水凝胶。吹打向上和向下至少 5 次，保证均匀的凝胶聚合后混合组件。
6. 96 孔板置于室温 (RT) 约 10 分钟，直到所有水凝胶进行了正确的聚合。
7. 仔细地，慢慢地从板的底部去除塑料包装。
8. 按出使用一张小邮票 96 孔板水凝胶并将它们转移到无菌的 PBS，pH 7.4 1.5 毫升管。
   注: 水凝胶具有圆柱状，直径约 4 毫米和 8 毫米的高度。
9. 存储在磷酸盐缓冲液 (PBS) 在 4 ° C 到几个月的水凝胶。

2.冷冻水凝胶

1. 1.5 毫升管装满 500 µ L 的无菌去离子 H₂O 和取消上限。将水凝胶转移到 1.5 毫升反应管使用一把铲子。
2. 包好 1.5 毫升管与石蜡膜在至少三种层的每个小瓶紧密相关。使用一根针穿透小孔的膜，使管中的气体释放。
3. 请继续执行以下步骤之一:
   1. 将小瓶转移到液态氮解决方案 5 分钟，以保证水和水凝胶完全冻结。从液氮中取出后立即, 将小瓶转移到冷冻干燥机，防止材料解冻。
      注意: 此过程导致毛孔大约 10-15 微米的半径。
   2. 把玻璃瓶放在-20 ° C 隔夜慢慢冻结的水凝胶。立即删除后从-20 ° C，将小瓶转移到冷冻干燥机，防止材料解冻。
      注意: 此过程导致毛孔大约半径 50-60 微米。
4. 后 24 小时 （和完全蒸发的水和周围的水凝胶），解冻材料由从冷冻干燥机中移除它。
   注: 孔隙大小可以用共焦激光扫描显微镜 （步骤 5，"水凝胶可视化"） 分析。

3.颗粒浸出

1. 准备水凝胶在 1.1-1.5 的步骤中所述。
2. 直接混合组件后, 添加 NaCl 直到饱和发生 （36 毫克/毫升）。添加盐，直到盐的晶体可以看作在溶液中是白色沉淀。
3. 转移到振动筛的 96 孔板，摇动直到聚合发生 （约 10 分钟）。水凝胶从删除板，1.7-1.8 步骤中所述。
4. 孵育水凝胶在室温 (20 rpm) 钻井液振动筛的无菌水中洗脱所有盐从水凝胶模板至少 24 小时。直到几个月在 PBS 为存储在 4 ° C 的水凝胶。

4.通道形成

1. 在步骤 1 中所述制备水凝胶。使用一把钳子的解决方案中移除水凝胶、 删除多余的水与高度吸水纸，和放在一块干冰。
2. 冻结的水凝胶为 30 s 和仔细地从块中删除它。不损坏水凝胶;仔细地用一把铲子刮掉块。转移到 1.5 毫升管中的水凝胶和干它一夜之间在 37 ° c。

5.水凝胶可视化

1. 备罗丹明 B 原液稀释 1 毫克的罗丹明 B 在 10 毫升的 PBS。直到达到 0.001 毫克/毫升浓度稀释在 PBS 中的罗丹明原液法制备连续稀释 (稀释因子: 100)
2. 从存储解决方案 （例如，从步骤 2.4.） 中移除水凝胶和转移到 1.5 毫升管与 1 毫升的 0.01 毫克/毫升罗丹明 B 解决方案。染色水凝胶一夜之间在罗丹明 B 溶液在室温下。
3. 第二天，转移至 10 毫升的 PBS (pH 7.4) 和至少 3 小时洗要可视化的水凝胶。
4. 好转移到 µ 幻灯片 8 水凝胶和用 PBS 盖住它。
5. 小切出的水凝胶，并在使用刀片 （约 0.5 毫米的高度）。
6. 使用激光共聚焦显微镜，可视化的水凝胶在波长为 514 nm (目的: 教统会计划-Neofluar 40 x / 1.30 油 DIC M27，平面扫描模式: 514 nm 和缩放: 1 X)。

6.细胞文化可行性

1. 无菌过滤所有股票解决方案 （A、 B 和 C） 0.45 微米的过滤层。
2. 制备水凝胶在 1.1-1.4，包括细胞粘附肽在水凝胶聚合之前的步骤中所述。
3. 上述各组分混合后立即移液器混合物 µ 幻灯片 8 成很顺利，直到底部完全覆盖。
   注: 此步骤必须执行快速、 直接混合组件后, 作为聚合在幻灯片中的几分钟内发生。
4. 粘附细胞培养及通道获得单个细胞悬浮液中的标准细胞培养技术。转移细胞提前预热、 无菌 DMEM 细胞培养液中辅以胎牛血清 (FBS，10%(w/v))、 青霉素-链霉素 （1%(w/v)) 和非必需氨基酸溶液 (MEM，1%(w/v))。
5. 与 Neubauer 计数室和仔细吸管 200 微升细胞 (2 x 10⁵细胞/厘米²) 水凝胶表面所需数目的单元格进行计数。
6. 涵盖 µ 幻灯片 8 井盖，把它转移到孵化器 （37 ° C，5%CO₂）。孵育至少 4 h 在 37 ° c。
7. 后的细胞附着至少 4 小时，洗两次带 200 µ L 无菌细胞培养 PBS 的单元格。
8. 与 200 微升的 3.7%(v/v) 在室温下 10 分钟的甲醛固定的细胞和两次用 PBS 洗 （~ 200 μ）。
   注: 穿适当的个人防护设备时处理甲醛。
9. 通透细胞带 200 微升 0.1%Triton X 5 分钟洗两次用 PBS 的单元格。
10. 与鬼笔罗丹细胞染色由 195 µ L 的 PBS 混合 5 µ L 的甲醇股票并将其添加到单元格在室温染色细胞 20 分钟在黑暗中。两次用 PBS 洗涤。
11. 探讨细胞粘附特性利用共聚焦显微镜在 514 nm (目的: 教统会计划-Neofluar 40 x / 1.30 油 DIC M27，平面扫描模式: 514 nm 和缩放: 1 X)。使用适当的软件图像进行分析 （见表的材料）。

7.水凝胶性质

1. 膨胀率。
   1. 至少一天完全干凝胶在 37 ° C。
   2. 衡量每个水凝胶，并注意确切的重量。
   3. 2 毫升反应管装满 1.5 毫升的 PBS。
   4. 转移到此 2 毫升反应管的水凝胶，并让它完全沉浸在 PBS。
   5. 在 PBS 在室温下达到平衡与 PBS 中至少两天离开水凝胶。
   6. 三天后，从解决方案中移除水凝胶和干燥用纸巾要从水凝胶表面除去多余的水分。
   7. 权衡的水凝胶。
   8. 计算的溶胀比使用下面的公式:
      
      干凝胶 （第 7.1.2 步。） 重量和 W_s W_d在哪里是湿凝胶 （步骤 7.1.7） 的重量。乘以 100 要膨胀的比率 %。
2. ph 值和温度稳定性。
   1. 转移到 15 毫升反应管中 5 毫升的 PBS。
   2. 用氢氧化钠和盐酸.带至适当的温度 （例如， RT，37 ° C 或 80 ° C） 解决方案调整到适当的 ph 值 (例如， pH 2，7 或 10) 解决方案。
   3. 转让是要追究到适当的解决方案及其稳定性的水凝胶。如有必要，请调整 ph 值。
      注: 所有水凝胶应该完全肿起来了在这一点 （见的溶胀比），防止由于肿胀的材料重量的正确解释。
   4. 在特定的时间间隔后, 从解决方案 （例如，每个小时至 2 天） 中移除水凝胶，用高吸水的纸巾，除去多余的水分，并权衡它干。
3. 酶促降解。
   1. 准备股票酶溶液 300 U 胰蛋白酶、 胃蛋白酶，按照制造商的说明。
   2. 转移到适当的解决方案 （例如，从步骤 1.8） 水凝胶。
      注: 所有水凝胶应该完全肿起来了在这一点上，防止体重的不正确解释。
   3. 经过一定的时间间隔，从解决方案 （例如，每个小时） 中移除水凝胶，用高吸水的纸巾，除去多余的水分，并权衡它干。

结果

水凝胶开发已成为材料研究相关生物学研究中最突出的领域之一，在科学研究档案中索引了数千个条目。尽管许多系统的行为都得到了很好的研究，但 3D 网络的纵，尤其是敏感的蛋白质基材料的纵，通常是材料科学中的一个主要问题。另一个通常被低估的挑战是使用冷冻电子显微镜正确测量材料的天然结构。这是因为样品制备（即干燥）过程通常会改变水凝胶的特性。为了克服这个问题，使用共聚焦显微镜分析了这里的材料样品，这种方法可以表征处于天然水溶胀状态的材料。罗丹明 B 可以通过静电相互作用与水凝胶骨架结合，并促进材料的可视化。为了研究冷冻干燥方法修饰这种基于蛋白质的系统的有效性，随后将水凝胶聚合并在 196 °C 的液氮和 -20 °C 下冷冻。结果表明，凝固温度对所得孔径有明显影响。在 -196 °C 时，产生了半径约为 10 μm 且尺寸分布较窄的小孔。另一方面，在较高温度下冻结会导致产生具有更大孔隙的材料，其半径在 50 到 70 μm 之间，如 图 1 所示。缓慢的冻结过程导致形成更大的冰晶，这导致冰升华后材料内的孔隙更大。

讨论

大孔基质的生产可以有益于许多不同的领域。由于水凝胶的定义结构以及控制和调整特定材料特性的能力，它具有很高的技术和经济潜力。然而，在 3D 模板中引入超分子结构元素（例如孔隙或通道）可能会影响材料的整体性能，例如膨胀率或刚度。这可能导致网络的意外分解、退化或破坏，从而使材料无用或根本不适用于所需的应用¹²。蛋白质具有在水凝胶中的应用潜力，因为它们具有明确的结构、固有的生物相容性（因为它们源自天然来源）以及许多可用的修饰位点（例如， 反应性氨基、羟基或羧基）。然而，与合成水凝胶相比，许多基于蛋白质的水凝胶缺乏足够的机械稳定性¹⁶。由于大型 3D 结构的引入可能导致水凝胶的完全结构崩解，因此必须严格评估调整 3D 结构的方法的可行性，以获得所需的材料特性并充分发挥蛋白质材料的潜力。这是评估冷冻干燥和颗粒浸出过程以及这些程序对本研究中蛋白质水凝胶最终特性的影响的原因之一。

使用水凝胶时的一个关键点是宏观尺度上材料的可视化。很多时候，基于电子显微镜的方法用于检查水凝胶的3D结构<...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
磷酸盐缓冲盐水 （PBS）	Thermo Fisher Scientific	10010023
Dulbecco's 修改后的鹰's 中（高葡萄糖）	Life Technologies / Thermo Fisher	11140-050
胎牛血清 （FBS）	Life Technologies / Thermo Fisher	10270-106
青霉素-链霉素	Life Technologies / Thermo Fisher
MEM 非必需氨基酸溶液	Sigma Aldrich	M7145-100ML
胰蛋白酶 EDTA 0.05% 酚红	Thermo Fisher Scientific	25300062
乙醇 99.8%， vergällt	Ölfabrik Schmidt	2133
氯化钠	卡尔·罗斯	9265.1
白蛋白组分 V	Carl Roth	3854.2
THPC	Sigma Aldrich	404861-100ML	有毒
0.1% Triton X-100	Sigma Aldrich	X100-100ML	微毒
鬼笔环肽-罗丹明	Life Technologies / 赛默飞世尔	R415
3.7% 甲醛	Life Technologies / 赛默飞世尔	F8775-25ML	有毒
罗丹明 B	Sigma Aldrich	81-88-9
Filtropur S 0.2	Sarsted Ag und Co.	2 83.1826.001
µ slide 8 well	Ibidi GmbH	80826
KCSSGKSRGDS peptide	UPEP Ulm	Custom sysnthesis
Ethanol 99.8%， vergällt	卡尔·罗斯	K928.5
Falcon 5 ml 聚甾烯圆底管	Sarsted Ag und Co.	62.547.254
试管 50 ml	Sarsted Ag und Co.	62.547.254
试管 1.5 ml	Sarsted Ag und Co.	72,690,001
管 2 ml	Sarsted Ag und Co.	72,691
细胞培养微孔板，96 孔，PS，F 底	Greiner	655073
冷冻干燥机 Epsilon 1-6D，	Christ， Osterode am Harz， 德国
共聚焦激光扫描显微镜	Carl Zeiss AG，Oberkochen，德国
Zen 软件版本 2012 Sp1，黑色版，407 版本 8,1,0,484	Carl Zeiss AG，Oberkochen，德国
GSA Imaga 分析仪软件，GSA 图像分析仪，GSA，版本 419 3.8.7	GSA GmbH