该方案描述了一种可进行成像的生物反应器,可用于选择性去除大鼠气管的内源性上皮,并在外源细胞接种后使其在管腔表面均匀分布,随后实现长期培养 体外 细胞-组织构建物的培养。
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该方案描述了一种可进行成像的生物反应器,可用于选择性去除大鼠气管的内源性上皮,并在外源细胞接种后使其在管腔表面均匀分布,随后实现长期培养 体外 细胞-组织构建物的培养。
反复损伤气道组织可能损害肺功能,并导致慢性肺部疾病,例如慢性阻塞性肺疾病。再生医学和生物反应器技术的进步为体外培养功能性组织和器官结构提供了可能,这些结构可用于药物筛选、疾病建模以及组织工程替代物的开发。本文介绍一种微型化生物反应器,结合成像技术,可实现 原位 移植大鼠气管内腔的可视化观察期间 体外 组织操作和 描述了一种培养方法。利用该生物反应器,本方案演示了在保留气道组织基质固有生化特性及超微结构的前提下,通过成像引导选择性去除内源性细胞成分的过程。此外,还实现了外源细胞在脱细胞气道腔内的递送、均匀分布以及后续的长期培养,并通过光学监测进行观察 原位 结果显示,成像引导的生物反应器有望用于促进功能性组织的生成 体外 气道组织
呼吸道腔面由一层上皮覆盖,主要由多纤毛细胞、克拉拉细胞、杯状细胞和基底干细胞组成1,2上皮层作为肺部的主要防御机制,发挥着生物物理屏障的作用,可保护下层气道组织免受吸入性病原体、颗粒物或化学气体的侵害。它能够保护气道组织 通过 多种机制,包括细胞间紧密连接的形成、黏液纤毛清除作用,以及抗菌和抗氧化物质的分泌3,4受损的气道上皮与慢性阻塞性肺疾病(COPD)等严重的呼吸系统疾病相关5,原发性纤毛运动障碍(PCD)6,以及囊性纤维化(CF)7.
肺芯片(lung-on-chip, LOC)技术的进步为研究人类肺部发育、模拟多种肺部疾病以及开发新型治疗材料提供了机遇,且可在高度可控的环境中进行 体外 环境。例如,可将气道上皮和内皮细胞培养在一层薄的多孔膜的相对两侧,以模拟进行气体交换的肺组织,从而实现可靠的疾病建模和药物测试8同样地, 体外 已创建疾病模型以模拟气道疾病 体外,例如慢性阻塞性肺疾病(COPD)9 和囊性纤维化10然而,器官芯片装置面临的一个主要挑战是重现肺组织复杂的三维(3D)结构以及动态的细胞-组织基质相互作用 体外11.
近年来,已开发出创新的组织工程技术,可实现对 离体 肺组织12利用这些方法,可通过去除肺组织中的内源性细胞,制备去细胞化的同种异体或异种组织移植物 通过 化学、物理和机械处理13此外,脱细胞肺支架中保留的天然组织细胞外基质(ECM)为植入细胞提供了仿生的结构、生化和生物力学信号,促进其黏附、增殖和分化。14,15.
此处通过结合芯片实验室(LOC)与组织工程技术,构建了一种成像引导的生物反应器系统,可实现 体外 报道了离体大鼠气管组织的操作与培养方法。利用该气道组织生物反应器,本方案展示了在不破坏气道组织下方的上皮下细胞及生化组分的前提下,选择性去除内源性上皮细胞的方法。接着,通过滴加负载细胞的I型胶原预凝胶溶液,实现了新接种的外源性细胞(如间充质干细胞,MSCs)在去上皮化气道腔内的均匀分布与即时沉积。此外,借助集成于生物反应器中的微光学成像装置,可在去除上皮及递送内源性细胞的过程中实时观察气管腔内情况。进一步结果显示,气管组织及新植入的细胞可在该生物反应器中培养长达4天,且无明显细胞死亡或组织降解现象。我们预期,本研究中所采用的具备成像功能的生物反应器平台、基于薄膜的去上皮化技术以及细胞递送方法,可为构建气道组织提供有效工具 体外 疾病建模与药物筛选
生物反应器包含一个矩形腔室,连接至可编程注射泵、灌注泵和呼吸机,用于培养分离的大鼠气管。该生物反应器设有入口和出口,与气管或组织培养室相连,可分别向气管的内腔和外腔空间独立供给试剂(如培养基)图1)。可使用定制的成像系统来观察其内部结构 体外-在细胞水平上培养的大鼠气管(图2气管的内源性上皮被去除 通过 基于洗涤剂的脱细胞溶液灌注,随后进行振动辅助气道清洗图3)。水凝胶溶液(如I型胶原)被用作递送载体,以在去上皮化的气管腔内均匀且即时地接种外源性细胞(图4)。用于构建生物反应器并开展实验的所有材料均在下文列出 材料表.
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以下动物组织实验方案已获得斯蒂文斯理工学院动物护理与使用委员会(IACUC)的动物福利指南和法规批准,并符合美国国立卫生研究院(NIH)关于实验动物使用的指南。
1. 成像引导大鼠气管生物反应器的设计与构建
2. 大鼠气管的分离
3. 影像引导下气管上皮的去除
4. 气管组织的制备以用于后续分析
5. 外源细胞在去上皮气管腔内的均匀分布
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基于GRIN透镜的 原位 成像方式可实现气管内腔的可视化 原位 (图5A)。利用该成像方法,可获得天然气管和去上皮化气管的明场与荧光图像(图5B, C)。在CFSE标记前,未观察到天然气管有荧光信号图 5Bii)。然而,当使用CFSE染料标记气管上皮时,可在整个上皮中观察到均匀的荧光信号(绿色)图5Ci。脱上皮处理后 通过 SDS 和振动辅助气道灌洗后,荧光信号强度显著降低(图 5Cii),表明上皮已被消融。
去上皮化气管的H&E染色图像显示,气管管腔内的假复层上皮已被去除,而下层组织中的细胞及细胞外基质(ECM)微结构得以保留(图6A
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在本研究中,我们构建了一种成像引导式生物反应器,可实现(i)对气管管腔的监测 原位 在细胞清除和外源性细胞递送后(ii)长期 体外 细胞接种气管组织的培养。利用这种定制的生物反应器,我们实现了:(i)使用去污剂结合振动辅助气道冲洗,选择性去除气管管腔内的内源性上皮细胞;(ii)通过负载细胞的I型胶原预凝胶,将外源性细胞均匀分布于去上皮化气管的管腔表面。此外,基于GRIN透镜的成像方法证实了上皮层的去除 原位此外,通过进一步分析,包括H&E、三色染色、五色染色、免疫荧光染色和扫描电镜观察,我们证实了上皮层已被去除,而下层组织的结构和组分得以保留。此外,基于GRIN透镜的成像显示,当使用I型胶原预凝胶作为递送载体时,新植入的外源性间充质干细胞(MSCs)呈均匀分布。最后,植入的细胞在去上皮化的气管上存活并增殖,凸显了该生物反应器在细胞接种气道组织长期培养中的有效性。
脱上皮化方案中的关键步骤是在气管腔内形成一层薄薄的去垢剂溶液。在目前的脱细胞方案中,需要长时间使用多种化学试剂和酶的循环处理,这会减少胶原纤维、糖胺聚糖...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
本研究部分得到了美国胸科学会基金会研究项目、新泽西健康基金会和美国国家科学基金会(CAREER奖2143620)对J.K.的资助;以及美国国立卫生研究院(P41 EB027062)对G.V.N.的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1× PBS | Gibco,赛默飞世尔科技 | 10-010-031 | |
| 三通连接器 | 世界精密仪器公司 | 14048-20 | |
| 4端口连接器 | World Precision Instruments | 14047-10 | |
| 加速度计 | 意法半导体 | IIS3DWBTR | |
| 消色差双合透镜 | Thorlabs | AC254-150-A-ML | |
| 铝制样品台 | TED PELLA | 16111 | |
| 抗生素-抗真菌剂 | 赛默飞世尔科技 | 15240062 | |
| 组装杆 | Thorlabs | ER1 | |
| 圆头螺丝 | McMaster-Carr | 91255A274 | |
| 笼式立方体 | Thorlabs | C4W | |
| 碳双面导电胶带 | TED PELLA | 16073 | |
| CFSE 标记试剂盒 | Abcam | ab113853 | |
| Citrisolv(透明剂) | 去污 | 1061 | |
| C型接口转接器 | Thorlabs | SM1A9 | |
| I型胶原蛋白 | Advanced BioMatrix | 5153 | |
| 导电液态银漆 | TED PELLA | 16034 | |
| 二向色镜 | Semrock | DI03-R488 | 反射激光波长: 473.0 ± 2 nm 488.0 +3/-2 nm |
| 杜尔贝科改良伊格尔’s 培养基 | Gibco,赛默飞世尔科技 | 11965118 | |
| 雌性鲁尔接头转软管接头适配器 | Cole-Parmer | EW-45501-30 | |
| 雌性鲁尔接头转管齿接头 | Cole-Parmer | EW-45508-03 | |
| 雌性至雄性鲁尔接头 | Cole-Parmer | ZY-45508-80 | |
| 胎牛血清 | Gibco,赛默飞世尔科技 | 10082147 | |
| 滤光片 | Chroma Technology Corp | ET535/50m | |
| 荧光显微镜 | 尼康 | Eclipse E1000 - D | |
| Fusion 360 | Autodesk | ||
| 六角螺母 | McMaster-Carr | 91813A160 | |
| 六甲基二硅氮烷(HMDS) | Fisher Scientific | AC120585000 | |
| 成像光纤 | SELFOC,NSG 集团 | GRIN透镜 | |
| 激光 | Opto Engine | MDL-D-488-150mW | |
| 透镜管 | Thorlabs | SM1L40 | |
| LIVE/DEAD 存活率/细胞毒性检测试剂盒(Invitrogen) | 赛默飞世尔科技 | L3224 | |
| MACH 3 数控控制软件 | 新式解决方案 | ||
| 物镜 | 奥林巴斯 | UCPLFLN20X | |
| 蠕动泵 | Cole Parmer | L/S 标准数字泵系统 | |
| 重组人碱性成纤维细胞生长因子 | PeproTech | 100-18B | |
| 卡环 | Thorlabs | SM1RR | |
| 科学级CMOS相机 | PCO 熊猫 | PCO Panda 4.2 | |
| 十二烷基硫酸钠 | VWR | 97064-472 | |
| Solidworks(2019) | 达索系统è间充质干细胞 | ||
| 可堆叠透镜管 | Thorlabs | SM1L10 | |
| 低音炮板载放大器 | Dayton Audio | SPA250DSP | |
| 低音扬声器 | Dayton Audio | RSS21OHO-4 | 膈肌直径:21 cm |
| 注射泵 | 世界精密仪器公司 | AL-4000 | |
| 螺纹笼板 | Thorlabs | CP33 | |
| 螺纹鲁尔接头适配器 | Cole-Parmer | EW-45513-81 | |
| 管镜 | Thorlabs | AC254-150-A-ML | |
| Tygon 管 | Cole-Parmer | 13-200-110 | |
| XY 转换器 | Thorlabs | CXY1 |
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