Konzentrationsbereiche und Sävolumen
Die Protokolloptimierung zur Erlangung des endgültigen Funktionsprotokolls erfolgte gemäß dem in Abbildung 3dargestellten Schemadiagramm. Zwei physiologisch relevante Hydrogele, Kollagen Typ I und Fibrinogen, wurden mittels einer Literaturrecherche35,36identifiziert. Beginnend mit Rattenschwanzkollagen Typ I wurde eine Reihe von Konzentrationen (4, 3, 2 und 1 mg/ml) auf invertierte Einsätze gesetzt, um ihre Fähigkeit zu bestimmen, erfolgreich an der Einlage zu haften, sobald sie wieder umgekehrt sind. Alle Konzentrationen innerhalb dieses Bereichs waren in der Lage, Gele zu bilden, aber Kollagengele erschienen abgeflacht und hatten verschiedene Luftblasen in sich gefangen wegen Handhabung und Pipettierung, siehe Abbildung 4 und Abbildung 5. Um das optimale Saatvolumen zur Verbesserung der Qualität des Kollagengels zu bestimmen, wurde eine Reihe von Sävolumina (100, 150 und 200 l) auf invertierte Einsätze gesetzt, siehe Abbildung 5. Das Sävolumen hatte keinen Einfluss auf das Aussehen des Gels oder das Vorhandensein von Blasen im Gel. Dementsprechend wurde entschieden, dass 200 l das optimale Sävolumen sind, das die vollsten Gele produziert. Fibrinogen wurde auch für seine Fähigkeit bewertet, ein Gel zu produzieren, das über einen längeren Zeitraum an einem Einsatz haften könnte. Ein Konzentrationsbereich (70, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1 mg/ml) wurde hergestellt und mit einem Volumen von 200 l auf den Deckel einer 12-Well-Platte gesät, siehe Abbildung 6. Innerhalb von 20 min nach der Aussaat konnten alle Konzentrationen erfolgreich ein Gel bilden. Die Konzentrationen 5 und 1 mg/ml wurden jedoch ausgeschlossen, da die gebildeten Gele eine flüssigkeitsähnliche Konsistenz hatten und begonnen hatten, sich vom Deckel zu lösen, nachdem sie über Nacht bei 37 °C gehalten worden waren.

Abbildung 3: Schematisches Diagramm der Protokolloptimierung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Kollagengele 4 mg/ml mit 1,0 x 105 Zellen/ml, die auf Inserts gesetzt werden, die Blasen im Gel zeigen. Einsatz auf der linken Seite wurde auf Eis für 15 min entgast, während Einsatz auf der rechten Seite nicht entgast wurde. Die Entgasung hatte keinen Einfluss auf die Blasen in den Gelen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Kollagengele 4 mg/ml mit 1,0 x 105 Zellen/ml, die in unterschiedlichen Mengen auf Einsätze gesetzt werden. (A) Einfügen auf der linken Seite 100 l, Mitte 150 l und rechts 200 l, direkt nach der Aussaat. Blasen in den Gelen waren noch vorhanden. (B) Einfügen auf der linken Seite 200 l, Mitte 150 l und rechts 100 l, nach 60 min Vernetzung. Alle Gele unabhängig von der Lautstärke erscheinen immer noch flach. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Fibrinogen (200 l) in einem Konzentrationsbereich von 70 bis 1 mg/ml, der auf den Deckel einer 12-Well-Platte gesetzt wird. (A) Gele direkt nach der Aussaat. (B) Gele 20 min nach der Aussaat. (C) Gele über Nacht gehalten. Alle Gele erscheinen gut abgerundet, die 5 mg/ml und 1 mg/ml Gele wurden ausgeschlossen, da sie 20 min nach der Aussaat eine flüssigere Konsistenz zu haben schienen und begonnen hatten, sich vom Deckel zu lösen, nachdem sie über Nacht aufbewahrt worden waren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Kombination kollagen und Fibrinogen
Basierend auf den Ergebnissen der Kollagen- und Fibrinogenkonzentrationwurde die Wirkung der Kombination von Kollagen und Fibrinogen bewertet. Drei Einsätze wurden mit dem folgenden, 4 mg/ml Kollagen, 20 mg/ml Fibrinogen und einer Ration von 1:1 Ration kollagen (4 mg/ml) und Fibrinogen (20 mg/ml) eingerichtet, siehe Abbildung 7. Unmittelbar nach der Aussaat der Hydrogele beobachteten wir, dass der Einsatz mit Kollagen allein noch ein flaches Aussehen in Kombination mit dem Auftreten von Blasen im Gel hatte. Die Einsätze mit Fibrinogen erzeugten ein vollständiges und abgerundetes Gel, ebenso wie der Einsatz mit der Kombination von Kollagen und Fibrinogen. Nach einer Kreuzverbindung bei 37 °C für 60 min hatten sich alle Gele am Einsatz befestigt und blieben nach einer nächtlichen Inkubation bei 37 °C befestigt.

Abbildung 7: Wirkung der Kombination von Kollagen und Fibrinogen. (A) Kollagen 4 mg/ml auf der linken Seite ausgesät, Fibrinogen 20 mg/ml auf Einsatz in der Mitte und Kollagen 4 mg/ml, Fibrinogen 20 mg/ml (1:1 Ration) auf der rechten Seite gesät. Alle Gele, die mit einem Volumen von 200 l mit 1,0 x 105 Zellen/ml gesät wurden, alle Gele waren 60 min bei 37 °C vernetzt. (B) Kollagen 4 mg/ml 60 min nach Vernetzung, Gel erschien flach und hatte Blasen. (C) Einfügen auf dem linken Fibrinogen 20 mg/ml, Gel erscheinen abgerundet, keine Blasen vorhanden, Einsatz auf dem rechten Kollagen 4 mg/ml, Fibrinogen 20 mg/ml Gel, Gel ist gut abgerundet ohne Blasen. (D) Kollagen 4 mg/ml Gel nach über Nacht bei 37 °C gehalten, Gel enthielt noch eine große Menge an Blasen, einige Schwellungen des Gels ist aufgetreten. (E) Fibrinogen 20 mg/ml über Nacht bei 37 °C gehalten. (F) Kollagen 4 mg/ml, Fibrinogen 20 mg/ml Gel über Nacht bei 37 °C gehalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Bestimmen der Zellsädichte
Basierend auf den bisherigen Erfahrungen mit Hydrogelen wurde ein Experiment zur Bestimmung der optimalen Zellsädichte (daten nicht gezeigt)eingerichtet 37. Die Zellen wurden in eine Kombination von Kollagen und Fibrinogen im folgenden Konzentrationsbereich eingebettet (7,5 x 105, 8,5 x 105, 9,5 x 105, 1,0 x 106, 1,5 x 106 und 2,0 x 106 Zellen/ml), 2,0 x 106 Zellen/ml wurden als optimale Saatdichte gefunden.
Rheologie
Zehn Formulierungen der Fibrinogen- und Kollagenhydrogelkombinationen wurden mittels Rheologie bewertet, siehe Tabelle 2. Ziel war es zu bestimmen, welche dieser Formulierungen die Lebersteifigkeit imitieren könnte, die während der Entwicklung von HCC beobachtet wurde. Literatur lieferte bekannte Lebersteifigkeitswerte für Ratten, Mäuse und Menschen während Fibrose, Zirrhose und HCC und das Ziel war es, so nah wie möglich an diese Werte zu kommen28,29,30,31,32. Die zehn Formulierungen gemäß Tabelle 2 wurden in Dreifachform erstellt, und der Speichermodul der einzelnen Formulierungen wurde mit einem Rheometer bestimmt, die Ergebnisse in Abbildung 8dargestellt.
| Formulierung | Fibrinogen (mg/ml) | Kollagen (mg/ml) |
| 1 | 60 | 2 |
| 2 | 50 | 2 |
| 3 | 40 | 2 |
| 4 | 30 | 2 |
| 5 | 20 | 2 |
| 6 | 10 | 2 |
| 7 | 20 | 5 |
| 8 | 20 | 4 |
| 9 | 20 | 3 |
| 10 | 20 | 1 |
Tabelle 2: Kollagen- und Fibrinogenkombinationen in verschiedenen Konzentrationen, die mit Rheologie ausgewertet werden, um Steifigkeitswerte zu bestimmen

Abbildung 8: Hydrogelsteifigkeitswerte für Kollagen- und Fibrinogenkombinationen in verschiedenen Konzentrationen, die mit Rheologie ausgewertet werden. Speichermodul und Verlustmodul wurden bei 37 °C und 1Hz mittels eines Discovery HR-2 Hybrid Rheometers (n = 3, Fehlerbalken = SD) ermittelt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Aus diesen zehn Formeln wurden drei ausgewählt, um mit fortzufahren. Dazu gehörten 2 mg/ml Kollagen Typ I und 10 mg/ml Fibrinogen, die den Lebersteifigkeitswerten bei Beginn der Fibrose entsprachen, 2 mg/ml Kollagen Typ I und 30 mg/ml Fibrinogen entsprechend Zirrhose und 2 mg/ml Kollagen Typ I und 40 mg/ml Fibrinogen entsprechend HCC, siehe Abbildung 9.

Abbildung 9: Hydrogelsteifigkeitswerte für verschiedene Fibrinogen/Collagen Hydrogel-Formulierungen, die für die Fortsetzung ausgewählt wurden. Speichermodul und Verlustmodul wurden bei 37 °C und 1 Hz bestimmt (n = 3, Fehlerbalken = SD). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Lebensfähigkeit, Arzneimittelreaktion und metastasierendes Potenzial
Die Ergebnisse des AlamarBlue-Assays zeigten eine insgesamt reduzierte Zelllebensfähigkeit innerhalb der 2D-Kokultur, niedriger als erwartet, basierend auf den bekannten gemeldeten IC 25-, 50- und 75-Werten, im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle siehe Abbildung 10. Dies kann auf die LX2-Zellen in unserer Co-Kultur zurückgeführt werden, die empfindlicher auf Doxorubicin-Behandlung sind. In unserem 3D-Modell haben wir jedoch die Doxorubicin-Resistenz festgestellt und erhöht, was die Abnahme des chemotherapeutischen Potenzials bestätigt, das häufig in 3D-Modellsystemen beobachtet wird. Die statistische Signifikanz im Vergleich zu den Kontrollen wurde mit dem Student-T-Test (zweischwanzend) bewertet, wobei P<0,05 als signifikant angesehen wurde.

Abbildung 10: Prozentuale Zelllebensfähigkeit eines 2D-Kokulturmodells im Vergleich zum 3D-Modell nach behandlung mit Doxorubicin in verschiedenen Konzentrationen für einen Zeitraum von 72h. Die Ergebnisse normalisiert relativ zum unbehandelten Steuerelement (n=3, Fehlerbalken = SD) (* = p<0.0001). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Gelkonstrukte wurden täglich mit einem Lichtmikroskop visuell untersucht, um das Zellwachstum in verschiedenen Konzentrationen der Hydrogele zu verfolgen. Zellen füllten die Hydrogele homogen und kompakt, ab Tag 7 begannen Sphäroide innerhalb der Matrix zu montieren.