我们提出了一种在大孔微载体上进行细胞扩增的方案,并将其作为递送系统用于灌注式生物反应器中,以接种脱细胞组织基质。我们还介绍了多种用于测定在微载体上培养的细胞增殖和活力的技术。此外,我们验证了细胞在生物反应器培养后的功能活性。
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我们提出了一种在大孔微载体上进行细胞扩增的方案,并将其作为递送系统用于灌注式生物反应器中,以接种脱细胞组织基质。我们还介绍了多种用于测定在微载体上培养的细胞增殖和活力的技术。此外,我们验证了细胞在生物反应器培养后的功能活性。
组织工程是一个前景广阔的领域,致力于应对因移植需求日益增长而带来的组织和器官短缺问题。生成此类组织的过程十分复杂,需要将特定类型的细胞、支架材料以及物理或生化刺激进行恰当组合,以引导细胞的生长与分化。微载体作为一种颇具吸引力的工具,可在三维(3D)微环境中扩增细胞,因其具有更高的比表面积,并且相较于传统的二维培养方法,更接近体内(in vivo)的生理环境。血管系统为细胞提供氧气和营养物质,并确保代谢废物的清除,在构建工程化组织时是一个关键组成部分。事实上,大多数组织构建物在植入后因缺乏有效的血管支持而失败。本研究中,我们介绍了一种在动态条件下(使用旋转烧瓶和生物反应器)于重组胶原蛋白基微载体上扩增内皮细胞的实验方案,并阐述了在此体系中如何评估细胞的存活率与功能特性。此外,我们提出了一种无需额外解离步骤即可实现细胞递送以促进血管化的方法。同时,我们还提供了一种在去细胞化 生物基质上,利用灌注式生物反应器评估细胞血管化潜能的策略。我们认为,采用本研究所展示的方法,有望推动一系列基于细胞的新型疗法在临床组织工程应用中的发展。
组织工程应用中的一个普遍问题是,在需要的部位获得具有正确分化表型的高细胞量。自1967年以来,微载体的应用逐渐发展,并在骨科组织工程领域日益重要,用于大规模生成皮肤、骨骼、软骨和肌腱1。通过在微尺度三维(3D)基质上扩增细胞,微载体使得贴壁细胞的培养操作方式类似于悬浮培养2。由此,细胞可获得均匀的营养供应以及细胞-基质相互作用,从而更好地维持in vivo3,4的分化状态,而这种状态在二维(2D)培养中常随时间推移而丧失5。更高的比表面积——最终可实现更高的细胞产量6,7,相较于静态系统更高效的气体和营养物质交换速率8,可调控并施加物理刺激于培养环境的可能性9,以及扩增过程易于放大的潜力7,是其进一步的优势。多种特性,如直径、密度、孔隙率、表面电荷及黏附性能10,11,决定了市面上不同微载体和大载体之间的差异。然而,其主要优势之一在于可作为微组织递送至缺损部位或需求区域。
在骨组织工程中应用微载体技术时,我们曾在先前的报告中12描述了一种新型微载体的制备方法,该微载体由重组胶原蛋白I肽(RCP,商品名为Cellnest)构成。这种新型微载体可实现符合GMP标准的支架和细胞生产的放大,满足临床应用中细胞递送的需求。在此背景下,通过选择合适的交联策略,调节支架的稳定性、降解速率和表面特性,可使该技术适应特定的应用需求、目标细胞类型或靶组织13。特别是,该微载体作为可注射细胞递送系统用于治疗用途的潜在应用14,使其在临床环境中具有重要意义。
本文中,我们因此阐述了在基于胶原蛋白-I的重组肽微载体上分离和扩增人骨髓来源的间充质基质细胞(hBMSCs)和人真皮微血管内皮细胞(HDMECs)的培养方法,以及这些细胞在临床应用中的递送制备流程。此外,我们还描述了若干有助于维持细胞在植入后存活率的附加实验方案。
移植后细胞的存活率实际上在很大程度上依赖于血管化15,16,17,可确保氧气和营养物质的交换,并促进代谢废物的清除。生物反应器是解决组织工程中血管化难题并维持细胞活性的一种方法,通过灌注培养基为细胞提供氧气和营养物质18在这里,我们展示了一种 体外 评估微血管内皮细胞从RCP微载体迁移至生物基质的能力及其参与形成新血管的能力的方法 从头合成 血管化与血管生成。该生物基质是一种脱细胞的猪空肠节段,称为BioVaSc(生物血管化支架),富含胶原蛋白和弹性蛋白,并保留了包括供血动脉和引流静脉在内的血管结构19 已应用于植入相关问题20.
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骨关节炎患者在接受股骨头置换手术时,从其股骨头中分离出人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)。该操作经维尔茨堡大学当地伦理委员会批准,并获得患者的知情同意。原代微血管内皮细胞从青少年供体的包皮活检组织中分离获得,其法定监护人已书面签署完全知情同意书。本研究已获得维尔茨堡大学当地伦理委员会批准(投票编号182/10)。
1. hBMSCs 和 HDMECs 的分离
2. 旋转瓶、RCP 微载体和生物反应器的设置与灭菌
3. 在RCP大孔微载体上培养hBMSCs和HDMECs
注意:用于接种 RCP 微载体的人真皮微血管内皮细胞(HDMEC)通过慢病毒转导标记了红色荧光蛋白(RFP)。本方案在先前发表的方案5基础上进行了修改。
4. DNA 含量、扫描电镜分析、活死染色及出芽实验
5. HDMECs 的 Biomatrix 接种及生物反应器系统的启动
6. 将RFP-HDMECs加入生物基质
7. 生物反应器培养物的分析与检测
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如图1A所示,通过活/死细胞染色检测,在培养7天后,我们获得了大量在RCP微载体上存活的细胞。扫描电镜(SEM)分析结果进一步证实了该结论,观察到微载体孔隙周围已被细胞完全定植,并部分覆盖了孔隙(图1B)。另一方面,若细胞接种不均匀,则会导致多个微载体未被占据。实验失败的特征是死细胞数量异常增多,死细胞比例不应超过总细胞数的10%(图1C)。此外,对HDMECs的DNA含量进行定量分析显示,双链DNA(dsDNA)含量随时间逐渐增加(图1D)。
此外,RFP-HDMEC 在 RCP 微载体上培养后仍能保持其功能,如图 2所示,这些细胞在胶原凝胶中培养时呈现出...
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微载体的一个主要目标是在维持细胞分化能力的同时实现细胞扩增,以便将细胞输送至所需部位。本文介绍了一种RCP微载体,细胞能够在该载体上贴附、增殖,并以高密度定植于微载体表面。通过活/死细胞染色观察发现,在动态培养7天后,存活细胞比例超过90%,仅有少量死细胞。同样,扫描电镜(SEM)图像证实,培养7天后细胞已覆盖微载体的整个表面。
为确保三维模型中细胞的存活,必须维持对细胞的氧气和营养供应,并允许代谢废物的排出。血管是负责这一交换过程的结构,其中内皮细胞发挥关键作用,因为它们是血管内壁的衬里细胞。23它们具有增殖、迁移、黏附、出芽并形成类似血管结构的能力。24这些特性在RFP-HDMECs细胞于RCP微载体上培养后仍得以保持,因为观察到细胞能够呈现出出芽表型(见 图2)。我们在此证实,定植于RCP微载体上的原代内皮细胞可有效递送至BioVaSc生物基质原有血管管腔内并实现再内皮化。这表明本系统适用于改善组织工程植入物的血管化,具有...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作获得欧盟第七框架计划 FP7/2007-2013 资助,资助协议编号为 n° 607051(BIO-INSPIRE)。我们感谢 Fujifilm Manufacturing Europe B.V. 的 Carolien van Spreuwel-Goossens 在 RCP 制备过程中提供的技术支持,以及弗劳恩霍夫硅酸盐研究所 ISC 的 Werner Stracke 在 SEM 分析方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基氯化四氮唑(MTT) | Serva Electrophoresis GmbH | 20395.01 | |
| 4’,6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐(DAPI) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| 乙酸 100% | Sigma-Aldrich | 533,001 | |
| 分析天平 Kern EG 2200-2NM | Kern & Sohn GmbH | ||
| 抗坏血酸-2-磷酸盐 | Sigma-Aldrich | A8960 | |
| 生物反应器 | 德国维尔茨堡组织工程与再生医学教研室 | ||
| 明场显微镜 Axiovert 40C | Carl Zeiss AG | ||
| Cellnest | Fujifilm | ||
| 离心管(15 mL,50 mL) | Greiner Bio-One | ||
| 胶原蛋白 R 溶液 0.4% | Serva Electrophoresis GmbH | 47254.01 | |
| DMEM-F12 | Gibco | 11320-033 | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Sigma-Aldrich | D8537 | 改良型,不含氯化钙和氯化镁 |
| 伊红 1% | Morphisto | 10177.01000 | |
| 乙醇 96% | Carl Roth GmbH | T171.4 | 变性 |
| 胎牛血清(FCS) | Bio&SELL | FCS.ADD.0500 | 未经热灭活 |
| 荧光显微镜 BZ-9000 | Keyence | ||
| 苏木精 | Morphisto | 10231.01000 | |
| 六甲基二硅氮烷 | Sigma-Aldrich | 440191 | 试剂级,≥99% |
| 生物反应器培养箱 | 德国维尔茨堡组织工程与再生医学教研室 | ||
| 活/死细胞双染试剂盒 | Fluka | 04511KT-F | |
| 磁力搅拌器 | 2Mag | 80002 | |
| Medium 199 | Sigma-Aldrich | M0650 | 10X |
| 酶标仪 Tecan Infinite M200 | Tecan | ||
| 21G 16 mm 针头 | VWR | 613-5389 | |
| 木瓜蛋白酶(来自木瓜乳胶) | Sigma-Aldrich | P4762 | 冻干粉,≥ 10 单位/mg 蛋白质 |
| 石蜡 | Carl Roth GmbH | 6642.6 | |
| 青霉素/链霉素 | Sigma-Aldrich | P4333 | |
| 蠕动泵 | Ismatec | ||
| Quanti-iT PicoGreen dsDNA 检测试剂盒 | Thermo Fischer Scientific | P7589 | |
| Histofix 4% | Carl Roth GmbH | P087 | |
| 扫描电子显微镜 Supra 25 | Carl Zeiss AG | ||
| 氢氧化钠溶液 1.0 N | Sigma-Aldrich | S2770 | |
| 旋转烧瓶(25 mL) | Wheaton | 356879 | |
| 1 mL 注射器 | VWR | 720-2561 | |
| 细胞培养瓶(25 cm2,75 cm2,150 cm2) | TPP Techno Plastik Products AG | ||
| 台盼蓝 0.4% | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| VascuLife VEGF-Mv | Lifeline Cell Technology | LL-0005 |
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