脱细胞细胞外基质(dECM)可提供适宜的微环境信号,以在工程化结构中重现目标组织的固有功能。本文详细阐述了胰腺组织脱细胞的方案、来源于胰腺组织的dECM生物墨水的评估方法,以及利用生物打印技术构建三维胰腺组织结构的步骤。
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脱细胞细胞外基质(dECM)可提供适宜的微环境信号,以在工程化结构中重现目标组织的固有功能。本文详细阐述了胰腺组织脱细胞的方案、来源于胰腺组织的dECM生物墨水的评估方法,以及利用生物打印技术构建三维胰腺组织结构的步骤。
胰岛移植是治疗伴有低血糖及继发性并发症的1型糖尿病患者的一种有前景的疗法。然而,胰岛移植仍存在若干局限性,例如由于胰岛植入效果不佳及所处微环境不利,导致移植胰岛的存活率较低。此外,由人多能干细胞分化而来的胰岛素生成细胞分泌足量激素以调节血糖水平的能力有限;因此,迫切需要通过在适当的微环境信号刺激下培养细胞来促进其成熟。本文详细阐述了制备来源于胰腺组织的脱细胞化细胞外基质(pdECM)生物墨水的实验方案,以提供有利于增强胰岛葡萄糖敏感性的微环境,随后描述了利用基于微挤出的生物打印技术构建三维胰腺组织结构的操作流程。
近年来,胰岛移植已被视为治疗1型糖尿病患者的一种有前景的治疗方法。该治疗具有相对安全性和微创性,这是其显著优势1。然而,该方法仍存在若干局限性,例如胰岛分离的成功率较低以及免疫抑制药物带来的副作用。此外,由于移植后所处环境不利,移植胰岛的数量在术后持续减少2。为了克服这些困难,已将多种生物相容性材料应用于胰岛移植,如海藻酸盐、胶原蛋白、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)或聚乙二醇(PEG)。
由于具有巨大的潜力和高性能,3D细胞打印技术正在组织工程领域迅速发展。毋庸置疑,生物墨水被认为是提供适宜微环境、促进打印组织结构中细胞过程改善的关键组分。大量剪切稀化水凝胶,如纤维蛋白、海藻酸盐和胶原蛋白,已被广泛用作生物墨水。然而,与天然组织中的细胞外基质(ECM)相比,这些材料在结构、化学、生物学和力学复杂性方面仍显不足3。微环境信号(如胰岛与细胞外基质之间的相互作用)是增强胰岛功能的重要信号。脱细胞ECM(dECM)能够重建包含胶原蛋白、糖胺聚糖(GAGs)和糖蛋白等多种ECM组分的组织特异性组成。例如,保留其周围ECM(如I型、III型、IV型、V型和VI型胶原蛋白、层粘连蛋白和纤连蛋白)的原代胰岛表现出较低的凋亡水平和更好的胰岛素敏感性,这表明组织特异性的细胞-基质相互作用对于增强其功能、使其更接近原始组织至关重要4。
本文阐述了制备源自胰腺组织的脱细胞细胞外基质(pdECM)生物墨水的方案,以提供有利于增强胰岛细胞活性与功能的微环境信号,随后介绍了利用基于微挤出的生物打印技术生成三维胰腺组织构建物的过程(图1)。
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猪的胰腺组织取自当地屠宰场。动物实验已获得韩国首尔峨山医学中心机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1. 组织脱细胞
2. 脱细胞组织的评估
注意:为了评估脱细胞组织中双链DNA(dsDNA)、糖胺聚糖(GAGs)和胶原蛋白的残留量与天然组织相比的情况,每批次检测至少需要1 g未脱细胞组织(天然组织)和1 g脱细胞组织。dsDNA、GAGs和胶原蛋白的含量可根据组织的干重进行计算。
3. 生物墨水制备
注意:pdECM 粉末可在 -80 °C 下稳定保存至少一年。在调节 pH 值之前,消化后的 pdECM 溶液可在 -20 °C 下保存一个月。使用前,将冷冻的 pdECM 溶液样品在 4 °C 下过夜解冻。调节 pH 后的 pdECM 溶液可在 4 °C 下保存最多一周。消化后的 pdECM 溶液可在 4 °C 下保存至少数天,但不应超过一周。
4. 流变学分析
5. 利用胰岛进行胰腺组织构建物的3D细胞打印
6. 具有图案化结构的胰腺构建物的3D细胞打印
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胰腺组织的脱细胞处理
我们开发了制备胰腺脱细胞外基质(pdECM)生物墨水的流程,旨在为3D生物打印组织构建物中的胰岛提供胰腺组织特异性的微环境,以增强其功能(图2A)。经过脱细胞处理后,双链DNA(dsDNA)被去除97.3%,而胶原蛋白和糖胺聚糖(GAGs)等代表性细胞外基质成分分别保留至原胰腺组织的1278.1%和96.9%(图2B)。
生物墨水制备
为了在打印过程中应用pdECM,将pdECM粉末在弱酸中加入胃蛋白酶溶解,并使用10 M NaOH溶液中和。消化后的pdECM溶液可通过与细胞培养基或1×PBS混合进行稀释。在本研究中,我们制备了终浓度为1.5%的pdECM生物墨水...
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本方案描述了pdECM生物墨水的制备以及利用3D细胞打印技术构建三维胰腺组织结构的方法。为了在三维工程化组织结构中重现目标组织的微环境,生物墨水的选择至关重要。在之前的研究中,我们已证实组织特异性的脱细胞细胞外基质(dECM)生物墨水有助于促进干细胞的分化与增殖10。与合成聚合物相比,由于dECM具有组织特异性的成分和结构,可为细胞提供更有利的微环境11。因此,脱细胞过程应被充分考虑,以最大程度保留dECM中的主要成分。
选择不同的去污剂对胰腺组织进行脱细胞处理,会影响残留细胞外基质(ECM)成分的组成12。在脱细胞过程中,我们注意到十二烷基硫酸钠(SDS)的使用可能导致ECM蛋白的丢失13。因此,我们对先前的方案进行了改进,去除了SDS溶液处理步骤。SDS是一种离子型表面活性剂,常用于多种清洗和脱细胞过程,但与其他去污剂(如Triton-X 100或3-[(3-胆酰胺丙基)二甲基铵]-1-丙...
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本研究由 Bio 资助 & 国家研究基金会(NRF)资助的韩国政府(MSIT)医疗技术开发项目(2017M3A9C6032067) "ICT融合创新计划" (IITP-2019-2011-1-00783),由IITP(信息传输处理研究所)监督 & 通信技术规划 & 评估)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 生物安全柜 | CRYSTE | PURICUBE 1200 | |
| 超低温冰箱 | Thermo Scientific Forma | 957 | |
| 数字式轨道摇床 | DAIHAN Scientific | DH.WSO04010 | |
| 干燥箱 | DAIHAN Scientific | WON-155 | |
| 冷冻干燥机 | LABCONCO | 7670540 | |
| 冰箱 | SAMSUNG | CRFD-1141 | |
| 研磨器 | ABM | 1415605793 | |
| 倒置显微镜 | Leica | DMi1 | |
| 微量离心机 | CRYSTE | PURISPIN 17R | |
| 酶标仪 | Thermo Fisher Scientific | Multiskan GO | |
| 迷你离心机 | DAIHAN Scientific | CF-5 | |
| 多孔加热磁力搅拌器 | DAIHAN Scientific | SMHS-6 | |
| 纳米分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | ND-LITE-PR | |
| pH 台式计 | Thermo Fisher Scientific | STARA2110 | |
| 流变仪 | TA Instrument | Discovery HR-2 | |
| 涡旋混合器 | DAIHAN Scientific | VM-10 | |
| 手术器械 | |||
| 手术剪刀 | Hirose | HC.13-122 | |
| 镊子 | Korea Ace Scientific | HC.203-30 | |
| 材料 | |||
| 1.7 mL 微量离心管 | Axygen | MCT-175-C | |
| 10 ml 玻璃瓶 | Scilab | SL.VI1243 | |
| 40 µm 细胞滤筛 | Falcon | 352340 | |
| 5 L 烧杯 | Dong Sung Science | SDS 2400 | |
| 50 mL 离心管 | Falcon | 352070 | |
| 500 mL 烧杯 | Korea Ace Scientific | KA.23-08 | |
| 500 mL 瓶顶式真空滤器 | Corning | 431118 | |
| 500 mL 塑料容器 | LOCK&LOCK | INL301 | |
| 96孔板 | Falcon | 353072 | |
| 铝箔 | DAEKYO | ||
| 擦镜纸 | Kimtech | ||
| 磁力搅拌子 | Korea Ace Scientific | BA.37110-0003 | |
| 研钵和研杵 | DAIHAN Scientific | SC.MG100 | |
| 多通道移液器 | Eppendorf | 4982000314 | |
| 培养皿 | SPL | 10100 | |
| pH 指示试纸 | Sigma-Aldrich | 1095350001 | |
| 筛网滤器 | DAIHAN Scientific | ||
| 脱细胞处理 | |||
| 10x PBS | Hyclone | SH30258.01 | |
| 4.7% 过氧乙酸 | Omegafarm | ||
| 70% 乙醇 | SAMCHUN CHEMICALS | E0220 SAM | |
| 蒸馏水 | |||
| 异丙醇(IPA) | SAMCHUN CHEMICALS | samchun I0348 | |
| Triton-X 100 | Biosesang | T1020 | |
| 生化检测 | |||
| 1,9-二甲基亚甲蓝氯化锌复盐 | Sigma-Aldrich | 341088 | |
| 10 N NaOH | Biosesang | S2018 | |
| 氯胺-T | Sigma-Aldrich | 857319 | |
| 硫酸软骨素A | Sigma-Aldrich | C4384 | |
| 柠檬酸 | Supelco | 46933 | |
| 半胱氨酸盐酸盐(Cysteine-HCl) | Sigma-Aldrich | C1276 | |
| 冰醋酸 | Merok | 100063 | |
| 甘氨酸 | Sigma-Aldrich | 410225 | |
| HCl | Sigma-Aldrich | H1758 | |
| Na₂-EDTA | Sigma-Aldrich | E5134 | |
| NaCl | SAMCHUN CHEMICALS | S2097 | |
| 木瓜蛋白酶 | Sigma-Aldrich | p4762 | |
| 对苯二胺(P-DAB) | Sigma-Aldrich | D2004 | |
| 高氯酸 | Sigma-Aldrich | 311421 | |
| 醋酸钠 | Sigma-Aldrich | S5636 | |
| 氢氧化钠 | Supelco | SX0607N | |
| 磷酸二氢钠 | Sigma-Aldrich | RDD007 | |
| 甲苯 | Sigma-Aldrich | 244511 | |
| 生物墨水 | |||
| 特征明确的胎牛血清(FBS) | Hyclone | SH30084.03 | |
| 青霉素-链霉素 | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
| 胃蛋白酶 | Sigma-Aldrich | P7215 | |
| 玫瑰红 | Sigma-Aldrich | 198250 | |
| RPMI-1640 培养基 | Thermo Fisher Scientific | 11875093 | |
| 台盼蓝溶液 | Sigma-Aldrich | T8154 |
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