Summary
İnsan diz eklemindeki kıkırdak, kemik, yağ yastığı ve sinovyumu özetlemek için kullanılan insan mezenkimal kök hücrelerinden dört tip doku üretmek için ayrıntılı yöntemler sunuyoruz. Bu dört doku özelleştirilmiş bir biyoreaktöre entegre edilir ve mikroakışkanlar yoluyla bağlanır, böylece çip üzerinde bir diz eklemi oluşturur.
Abstract
Osteoartrit (OA) gibi zayıflatıcı eklem hastalıklarının yüksek prevalansı yüksek sosyoekonomik yük oluşturmaktadır. Günümüzde eklem bozukluklarını hedef alan mevcut ilaçlar çoğunlukla palyatiftir. Etkili hastalık modifiye edici OA ilaçlarına (DMOAD'ler) yönelik karşılanmamış ihtiyaç, öncelikle hastalık mekanizmalarını incelemek ve potansiyel DMOAD'leri test etmek için uygun modellerin bulunmamasından kaynaklanmaktadır. Burada, insan mezenkimal kök hücrelerinden (MSC'ler) türetilen adipoz, fibröz ve osteokondral doku bileşenlerinden oluşan minyatür bir sinovyal eklem taklit eden mikrofizyolojik sistemin (miniJoint) kurulmasını tarif ediyoruz. Üç boyutlu (3D) mikrodokuları elde etmek için, MSC'ler farklılaşmadan önce veya sonra fotoçapraz bağlanabilir metakrillenmiş jelatin içinde kapsüllendi. Hücre yüklü doku yapıları daha sonra miniJoint'i oluşturan 3D baskılı bir biyoreaktöre entegre edildi. İlgili doku fenotiplerini korumak için ayrı osteojenik, fibrojenik ve adipojenik ortam akışları tanıtıldı. Yaygın olarak paylaşılan bir akış, doku çapraz karışmasını sağlamak için kıkırdak, sinovyal ve yağ dokuları boyunca perfüze edildi. Bu akış paterni, mekanik çalışmalar için bir veya daha fazla doku bileşeninde pertürbasyonların indüksiyonuna izin verir. Ayrıca, potansiyel DMOAD'ler, tüm ortam akışları boyunca "sistemik uygulama" veya ilaçları yalnızca paylaşılan "sinovyal sıvı" simüle eden akışa ekleyerek "eklem içi uygulama" yoluyla test edilebilir. Böylece, miniJoint, hastalık mekanizmalarını verimli bir şekilde incelemek ve kişiselleştirilmiş tıpta ilaçları test etmek için çok yönlü bir in vitro platform olarak hizmet edebilir.
Introduction
Osteoartrit (OA) gibi eklem hastalıkları oldukça yaygın ve zayıflatıcıdır ve dünya çapında önde gelen bir sakatlık nedenini temsil etmektedir1. Sadece ABD'de OA'nın 27 milyon hastayı etkilediği ve 60 yaş ve üstü yetişkinlerin% 12.1'inde ortaya çıktığıtahmin edilmektedir. Ne yazık ki, şu anda eklem hastalıklarını yönetmek için kullanılan ilaçların çoğu palyatiftir ve etkili bir hastalık modifiye edici OA ilacı (DMOAD) mevcut değildir3. Bu karşılanmamış tıbbi ihtiyaç, öncelikle hastalık mekanizmalarını incelemek ve potansiyel DMOAD'leri geliştirmek için etkili bir modelin bulunmamasından kaynaklanmaktadır. Geleneksel iki boyutlu (2B) hücre kültürü, eklem dokularının 3B doğasını yansıtmaz ve doku eksplantlarının kültürü genellikle önemli hücre ölümü tarafından engellenir ve genellikle dinamik doku ara bağlantılarını çoğaltmada başarısız olur4. Ek olarak, genetik ve anatomik farklılıklar hayvan modellerinin fizyolojik alaka düzeyini önemli ölçüde azaltır4.
Çip üzerindeki organlar (OoC'ler) veya mikrofizyolojik sistemler, mühendislik, biyoloji ve tıp arayüzünde umut verici bir araştırma alanıdır. Bu in vitro platformlar, in vivo muadillerinin tanımlanmış sağlıklı veya patolojik özelliklerini kopyalayan minimal fonksiyonel birimlerdir5. Ayrıca, bu minyatür sistemler çeşitli hücrelere ve matrislere ev sahipliği yapabilir ve farklı dokular arasındaki biyofiziksel ve biyokimyasal etkileşimleri simüle edebilir. Bu nedenle, doğal sinovyal eklemi sadık bir şekilde özetleyebilen mikrofizyolojik bir sistem, eklem hastalıklarını modellemek ve potansiyel DMOAD'leri geliştirmek için etkili bir platform sunmayı vaat ediyor.
İnsan mezenkimal kök hücreleri (MSC'ler) vücuttaki birçok dokudan izole edilebilir ve osteojenik, kondrojenik ve adipojenik soylara ayrılabilir6. MSC'ler kemik, kıkırdak ve yağ dokusu6 dahil olmak üzere çeşitli dokuların mühendisliğini yapmak için başarıyla kullanılmıştır, bu nedenle diz ekleminin doku bileşenlerinin mühendisliği için umut verici bir hücre kaynağını temsil ettikleri anlamına gelir. Yakın zamanda, MSC kaynaklı kemik, kıkırdak, fibröz ve yağ dokularından oluşan miniJoint adlı minyatür eklem taklit eden mikrofizyolojik bir sistem geliştirdik7. Özellikle, yeni tasarım, mikroakışkan akış veya geçirgenlik yoluyla doku çapraz karışmasını sağlar (Şekil 1). Burada, çip bileşenlerinin imalatı, doku bileşenlerinin mühendisliği, çipteki mühendislik dokularının kültürü ve aşağı akış analizleri için dokuların toplanması için protokolleri sunuyoruz.
Şekil 1: Farklı doku bileşenlerinin ve ortam akışlarının düzenini gösteren miniJoint çipinin şeması. OC = osteokondral doku. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Aşağıdaki protokol, Pittsburgh Üniversitesi'nin ve Pittsburgh Üniversitesi'nin insan araştırmaları etik komitesinin etik kurallarını izlemektedir. Bu çalışmada kullanılan malzemelerle ilgili bilgiler Malzeme Tablosunda listelenmiştir.
1. 3D baskılı biyoreaktörlerin üretimi
- Odacıklar, ekler ve kapaklar içeren osteokondral (Şekil 2A) ve miniJoint biyoreaktörlerini (Şekil 2B) tasarlamak için bir bilgisayar yazılımı kullanın. Her parçanın boyut bilgileri Şekil S1'de gösterilmiştir.
- Tasarımı bir 3D yazıcıya aktarın ve fotopolimer mürekkeple yazdırın.
- 3D yazdırılmış parçaları (Şekil 2C-F) 15 mL% 95 etanol ile üç kez durulayın. Ardından, basılı parçaları bir el feneri polimerizasyon cihazında 200 s boyunca tamamen çapraz bağlayın.
- Kesici uçlara ve kapaklara O-halkalar ekleyin (Şekil 2C, D) ve parçaların sığıp sığmadığını test edin (Şekil 2G, H).
Şekil 2: MiniJoint biyoreaktörünü yapmak için farklı bileşenlerin imalatı. (A,B), (A) osteokondral ve (B) miniJoint çipleri oluşturmak için biyoreaktörlerin 3D modelleri. (C,D) 3D baskılı (C) kapaklar ve O-ring takılı (D) ekler. (E, F) (E) osteokondral ve (F) miniJoint doku kültürü için 3D baskılı odalar. (G,H) (G) osteokondral ve (H) miniJoint çiplerinin montajı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
2. Doku bileşenlerinin mühendisliği
NOT: Lityum fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinat (LAP) ve metakrillenmiş jelatin (GelMA) üretimi için proseslerönceki çalışmalarda açıklanmıştır 8,9.
- GelMA'yı oluşturmak için aşağıdaki adımları izleyin.
- 500 mL damıtılmış suya 17 g jelatin Tip B ekleyin ve ardından 37 ° C'de 30 dakika boyunca bir çalkalayıcıda karıştırın.
- Ardından, 13 mL metakrilik anhidrit ekleyin, 37 ° C çalkalayıcıya geri yerleştirin ve gece boyunca çalkalanmaya bırakın.
- Ertesi gün, GelMA'yı her torbada ~ 60 mL olacak şekilde ayrı diyaliz torbalarına alın.
- Tüm diyaliz torbalarını bir karıştırma çubuğu ile damıtılmış suya koyun ve 7 gün diyaliz bekletin. Suyu günde birkaç kez değiştirin ve torbaları gece boyunca 4 ° C'de bırakın.
- 7. günde, GelMA'yı -80 ° C'de dondurun. Tamamen dondurulduktan sonra, liyofilizasyona devam edin.
- GelMA'yı bir liyofilizatörün vakum odasındaki bir kaba yerleştirin ve dondurarak kurumaya bırakın. Liyofilizatörden çıkarmadan önce GelMA'nın tamamen kuruduğundan emin olun.
- GelMA'yı Hank'in dengeli tuz çözeltisinde (Ca 2+ ve Mg2+ ile HBSS) %15'te (w/v) çözün. PH'ın 7.4'te olmasını sağlamak için, pH 7.4'e ulaşana kadar küçük miktarlarda NaOH ekleyin. Çözeltiyi, elde edilen hacme bağlı olarak 1x antibiyotik-antimikotik ve% 0.15 (w / v) LAP ile destekleyin. %15 GelMA çözeltisini kullanana kadar -20 °C'de saklayın ve ışıktan koruyun.
- 3D baskılı çift akışlı biyoreaktör odalarını, kapaklarını ve eklerini otoklav torbalarına yerleştirin ve otoklavı 121 ° C'de buharla 20 dakika ve ardından kuru ısıyla 20 dakika boyunca yerleştirin.
- Biyolojik güvenlik kabininin içinde, biyoreaktör odalarını, kapaklarını ve uçlarını gece boyunca 15 mL steril fosfat tamponlu salin içine batırın, ardından kurumaya bırakın.
- İnsan kemik iliği kaynaklı MSC'leri IRB onayı ile toplam eklem artroplastisi cerrahi atıklarından izole edin (Pittsburgh Üniversitesi ve Washington Üniversitesi).
- Spesifik olarak, kemik iliğini femur boynunun ve başının trabeküler kemiğinden temizleyin ve Dulbecco'nun Modifiye Kartal Ortamında (DMEM) yeniden askıya alın.
- Süspansiyonu 40 μm'lik bir süzgeçten geçirin ve akışı 300 x g'de 5 dakika boyunca santrifüj edin.
- Süpernatanı çıkarın, büyüme ortamı [DMEM,% 10 fetal sığır serumu (FBS) ve 1x antibiyotik-antimikotik] kullanarak peletleri yeniden askıya alın ve ardından doku kültürü şişelerine yerleştirin.
- Kültür ortamını her 3 günde bir 4 güne değiştirin. Daha fazla ilerlemeden önce% 70 ila% 80'lik bir birleşmeye ulaşıldığından emin olun.
- Tripsin-EDTA ile 2-3 dakika inkübe ederek hücreleri ayırın ve T150 şişesi başına 1 milyon hücre oranında geçiş yapın.
- Hücreleri P5'e genişletin. Tripsinizasyondan sonra, hücreleri askıya alın, sayın ve ardından 5 dakika boyunca 300x g'de santrifüj yaparak pelet yapın.
- 1.000 μL pipet ile hücreleri %15 GelMA çözeltisi içinde 20 x 106 hücre/mL'de yeniden askıya alın.
NOT: Biyolojik güvenlik kabininin ışığını kapatın. - Steril eldivenler kullanarak, steril, kuru bir silikon kalıbı Petri kabına bastırın. Ardından, silikon kalıbın her bir deliğine forsepsli bir uç yerleştirin, kesici ucun delik tarafı aşağı bakacak şekilde yerleştirin.
- 200 μL'lik bir pipet kullanarak, kesici ucu doldurmak için hücre süspansiyonunu ekleyin (kesici uç başına ~50 μL).
- Jelin / kesici ucun üst kısmını 1,5 dakika boyunca çapraz bağlamak için bir UV el feneri (395 nm dalga boyuna sahip LED ışığı) kullanın. Ardından, diğer tarafı 30 saniye aydınlatın. Çapraz bağlama, LAP fotobaşlatıcı UV ışığına maruz kaldığında meydana gelir.
NOT: Hücre süspansiyonu bu süre zarfında inkübatörde tutulabilir veya ışıktan korunabilir. - Steril forsepslerle, hücrelerin bir gecede iyileşmesine izin vermek için uçları derhal doku kültürü olmayan 6 bir plakada (DMEM% 10 [v / v] FBS ve 1x antibiyotik-antimikotik ile desteklenmiş) 8 mL büyüme ortamına aktarın.
- Hücreleri dört soya doğru ayırt edin.
- Yağ dokusunu (AT) mühendislik yapmak için, kesici uçları 8 mL adipojenik ortama (; Alfa-MEM,% 10 FBS, 0.2 mM indometasin, 1x insülin-transferrin-selenyum (ITS), 0.45 mM 3-izobütil-1-metilksantin, 0.1 μM deksametazon ve 1x antibiyotik-antimikotik) farklılaşmayı başlatmak için. İdeal olarak, dört uç, 8 mL adipojenik ortam içeren doku kültürü olmayan bir kuyu plakasının tek bir kuyucuğuna yerleştirilir. Kuyu plakalarındaki hücreleri 28 gün boyunca kültürleyin, her geçen gün orta değişikliklerle.
- Osteokondral üniteleri (OC) tasarlamak için, uçları çift akışlı biyoreaktör odalarına yerleştirin, kuyucukları kapatın ve iki akışı ayrı ayrı 35 mL osteojenik ortam (OM; DMEM, %10 FBS, 1x antibiyotik-antimikotik, 0.1 μM deksametazon, 0.01 M β-gliserofosfat, 100 ng/mL kemik morfojenik protein 7 (BMP7), 50 μg/mL askorbik asit ve 10 nM D3 vitamini) ve 35 mL kondrojenik ortam (CM; DMEM, 1x antibiyotik-antimikotik, 1x ITS, 0.1 μM deksametazon, 40 μg/mL prolin, 50 μg/mL askorbik asit ve 10 ng/mL dönüştürücü büyüme faktörü β3)10. İki haftada bir ortam değişiklikleri yaparak 28 gün boyunca hücre farklılaşmasını koruyun.
- Fibroblastları türetmek için, 20 mL fibrojenik ortam (FM; ileri DMEM,% 5 FBS, 1x GlutaMAX, 1x antibiyotik-antimikotik ve 50 μg / mL askorbik asit) kullanarak T150cm2 doku kültürü şişesinde 21 gün boyunca 2D kültürdeki MSC'leri ayırt edin. Ortamı her hafta değiştirin. Hücreleri ayırmak için 4 mL tripsin kullanın ve sinovyal benzeri fibröz doku (SFT) elde etmek için yukarıda açıklanan protokolü izleyerek 3D jelleri ekler içinde kapsülleyin.
NOT: Tüm farklılaştırma ortamlarının bileşimleri Tablo 1'de bulunabilir.
3. miniJoint çipinin kurulması
- 3D miniJoint biyoreaktör odalarını, 0.062 inç iç çapa ve 0.125 inç dış çapa sahip silikon boruları ve F 1/16 Luer kilit konektörlerini otoklavlayın. Silikon boruyu bir ucundaki miniJoint biyoreaktör dikenine bağlayın ve diğer ucundaki Luer kilidini bağlayın.
- Adım 2.11'de belirtilen, OM (BMP7'yi kaldırma) ve FMCM'yi hazırlayın. Ek olarak, ortak paylaşılan ortamı (SM; fenol kırmızısız DMEM, 1x antibiyotik-antimikotik, 1x Na-piruvat, 1x ITS, 40 μg / mL prolin, 50 μg / mL askorbik asit ve 0.5 ng / mL dönüştürücü büyüme faktörü β3) miniJoint kültürü için kullanılmak üzere hazırlayın. Her ortamın 35 mL'sini orta rezervuarlara yükleyin.
- Osteokondral üniteyi çift akışlı biyoreaktörden miniJoint biyoreaktörünün sağ kuyusuna aktarmak için düz forseps kullanın. Yağ dokusu ekini ve fibröz doku ekini sırasıyla sol ve orta kuyucuklara aktarın. Tüm kuyucukları sterilize edilmiş kapaklarla kapatın.
- miniJoint çipinin girişlerini orta rezervuarlara ve çıkışları şırıngalara bağlayın (Şekil 3A-C).
- Şırıngaları bir şırınga pompasına monte edin (Şekil 3C) ve pompayı ve talaşları bir inkübatöre aktarın. Orta rezervuarlar, inkübatörün dışındaki buz üzerinde tutulur.
- Pompayı çekme modunda çalıştırın ve ortamı orta hazneden miniJoint biyoreaktör odasına çekin. Bu miniJoint kültür süreci 28 gün sürer.
- Eklem iltihabını ve kıkırdak dejenerasyonunu modellemek için, fibrojenik ortam akışına 10 ng / mL'de interlökin 1β (IL-1β) ekleyin. IL-1β tedavisinin üçüncü gününde şırıngaları değiştirin ve fibrojenik ortama taze IL-1β sağlayın. Tedavi 7 gün sürer.
- İlaç testi adımı sırasında, IL-1β tedavisinden 3 günlük bir süreden sonra, ilacı ya paylaşılan ortamda, ilaç diz ekleminde lokal olarak kullanıldığında bir "eklem içi uygulamayı" (Şekil 3D) simüle ederek ya da tüm orta tiplerde, ilaç dolaşım yoluyla diz eklemine etki ettiğinde "sistemik bir uygulamayı" (Şekil 3E) simüle ederek uygulayın.
- Örneklerin önceki 4 gün boyunca ilaç tedavisi görüp görmediğine bakılmaksızın, 7 günlük IL-1β tedavisinden sonra analiz için tek tek dokuları toplayın.
Şekil 3: MiniJoint'in montajı. (A,B) Dokuya özgü ortamlar 1-3 (I1-3) girişlerinden sokulur ve 1-3 (O1-3) çıkışlarından çıkarılır. Paylaşılan ortam I4'ten O4'e kadar perfüze edilir. (C) miniJoint kültürünün tam kurulumu. İlaçlar (yeşil güneş benzeri şekiller) ya (D) sadece paylaşılan ortama ya da (E) sırasıyla "eklem içi uygulama" ya da "sistemik uygulama" yı simüle etmek için tüm ortamlara sokulabilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
4. Bireysel doku toplama
- Kesici uçları çıkarmak için steril kavisli forseps kullanın.
- Jeli çıkarmak için kesici ucun ortasından bir biyopsi zımbasını itin ve jeli PBS'ye yerleştirin.
- Gen ekspresyonunu değerlendirirken osteokondral jelleri ikiye bölün.
NOT: Osteokondral jel iki doku tipinden oluştuğundan, osteojenik ve kondrojenik hücreleri ayırmak önemlidir. - Çeşitli deneyler için şartlandırılmış ortam ve dokuları toplayın.
- Her ortam kaynağından yaklaşık 1,5 mL toplayın.
- Şartlandırılmış ortamı 10 dakika boyunca 14.000 x g'de santrifüj yaptıktan ve tortuyu attıktan sonra sıvı azot içinde flaş dondurun.
- Histolojik boyama ve immün boyama için, önce OC ve SFT numunelerini% 10 tamponlu formalin içine sabitleyin, artan konsantrasyonlardaki etanolde dehidre edin, ksilen içinde temizleyin, parafine gömün ve son olarak 6 μm kalınlığında kesinleştirin.
- AT mikrodokuları için, numuneleri% 10 tamponlanmış formalin içine sabitleyin ve doğrudan Yağ Kırmızısı O çözeltisi veya BODIPY ile boyayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
miniJoint'in tüm dokuları, miniJoint'te 28 günlük kültürü takiben fenotiplerini analiz etmek için toplandı (Şekil 4A). Bu, önceki yayınımız7'de detaylandırılmıştır.
RT-qPCR, immün boyama ve histolojik boyama kullanılarak, dokuya özgü fenotiplerin bireysel mikrodokular için iyi korunduğu doğrulanmıştır (Şekil 4). Örneğin, OC mikrodokularının (OC-O) kemikli bileşeni, ancak diğer doku bileşenleri değil, yüksek seviyelerde osteokalsin (OCN) ifade etti. Buna karşılık, osteokondral dokuların (OC-K) kıkırdak kısmında, kollajen tip II (COL2) ve agrekan (ACAN) diğer dokulardan anlamlı derecede daha yüksek seviyelerde eksprese edildi (Şekil 4B). İki temsili adipojenik gen olan adiponektin (ADIPOQ) ve leptinin (LEP) ekspresyon seviyeleri, AT'de diğer dokulara göre çok daha yüksekti. Kalsiyum minerallerinin (Şekil 4F,G) yanı sıra alkalen fosfataz (ALP) ve OCN proteinlerinin (Şekil 4D) birikimi öncelikle OC-O'da görüldü ve OC-C iyi korunmuş glikozaminoglikan (GAG) (Şekil 4C) ve COL2 (Şekil 4D) gösterdi. Ek olarak, 28. günde OC-C'de tespit edilen iki kondrosit hipertrofisi ile ilişkili belirteç, kollajen tip X (COL10) ve Hint kirpi (İHH) ekspresyonunun, miniJoint'te 28 günlük kültürden sonra anlamlı derecede düşük regüle olduğu bulunmuştur (Şekil 4E).
RT-qPCR, immün boyama ve histoloji sonuçları, 4 haftalık miniJoint kültüründen sonra AT ve SFT fenotiplerinin başarılı bir şekilde korunduğunu doğruladı (Şekil 4B, H, I). BODIPY boyama ve Yağ Kırmızısı O boyama kullanarak, AT'de bol miktarda lipit damlacığı birikimi gözlemledik (Şekil 4H). Şekil 4I'deki immünofloresan boyama görüntüleri, 4 haftalık miniJoint kültüründen sonra SFT tarafından sağlam yağlayıcı ve kadherin 11 (CDH11) ekspresyonunu göstermektedir.
Kombinasyon halinde, bu sonuçlar miniJoint sisteminde işlevsel, çok dokulu bir sinovyal eklem modelinin oluşturulduğunu göstermektedir.
Şekil 4: miniJoint çipinde 4 haftalık ko-kültürden sonra mikrodokuların bireysel doku fenotiplerinin bakımı. (A) Dokuya özgü fenotiplerin korunduğu normal bir miniJoint çipi üretme zaman çizelgesi. (B) Tüm doku bileşenlerinde anahtar belirteç genlerini gösteren RT-qPCR sonuçları. OCN verileri OC-O'daki değerlere, COL2 ve ACAN verileri OC-C'deki değerlere, ADIPOQ ve LEP verileri AT'deki değerlere ve TNC ve COL1 verileri SFT'deki değerlere normalleştirildi. Veriler tek yönlü ANOVA (N = 3 biyolojik replika) ile analiz edildi. * p < 0.05; ** p < 0.01; p < 0.001; p < 0.0001. (C) Bifazik OC ünitesinin Safranin O boyaması. Ölçek çubuğu = 1 mm. (D) OC ünitesinin ilgili bileşenlerinde kemiğe özgü ve kıkırdağa özgü belirteçlerin varlığını doğrulayan histolojik boyama ve immün boyama görüntüleri. Ölçek çubuğu = 50 μm. (E) OC-C'de 56. günde iki hipertrofi belirteci olan COLX ve İHH'nin ekspresyonunun 28. güne göre çok daha düşük ekspresyon gösterdiği immün boyama. Ölçek çubuğu = 50 μm. (F) Alizarin OC ünitesinin kırmızı boyanması, öncelikle OC-O'da kalsiyum birikintilerinin varlığını gösterir. Ölçek çubuğu = 500 μm. (G) (F)'deki Alizarin Kırmızısı boyama görüntüsünün büyütülmüş görünümleri. Ölçek çubuğu = 200 μm. (H) Yağ Kırmızısı O ve BODIPY boyama görüntüleri, lipit damlacıklarının AT'de tutulmasını gösterir. Ölçek çubuğu = 50 μm. (I) Sinovyal benzeri fibröz doku (SFT) tarafından yağlayıcı ve CDH11'in ekspresyonunu gösteren immün boyama görüntüleri. Ölçek çubuğu = 50 μm. Li ve ark.7'nin izniyle çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Bir hastalık modeli oluşturmak için, interlökin 1β (IL-1β), 28 günlük ortak kültürden sonra FM akımına tanıtıldı (Şekil 5A, B). IL-1β tedavisi SFT'de hücre apoptozu ve yüksek MMP-13 seviyeleri ile sonuçlandı (Şekil 5C). İlginç bir şekilde, IL-1β ile tedavi edilen miniJoint'te kıkırdak degradasyonunu gözlemledik (Şekil 5D), OC-C ve SFT arasında çapraz konuşmanın ortaya çıktığını düşündürmektedir.
Şekil 5: MiniJoint'te eklem iltihabı ve dejenerasyonunun modellenmesi . (A) SFT'ye IL-1β ile meydan okuyarak "sinovit" indüksiyonunu gösteren şematik. (B) Hastalık modelinin oluşturulması ve analiz edilmesinin zaman çizelgesi. (C) SFT'deki patolojik değişiklikleri gösteren TÜNEL testi ve MMP-13 immün boyaması. DNA parçalanması kırmızı ok uçları ile gösterilir. Ölçek çubuğu = 50 μm. (D) Safranin O boyama ve MMP-13 immün boyama görüntüleri OC-C'nin dejenerasyonunu gösterir. Ölçek çubuğu = 50 μm. Li ve ark.7'nin izniyle çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Son olarak, NAPROKSENIN (NPX) terapötik etkinliğini, IL-1β ile tedavi edilen miniJoint'te kıkırdak bozulmasını azalttığı gösterilen "sistemik uygulama" (Şekil 6A) yoluyla test ettik (Şekil 6B). Ayrıca "eklem içi uygulama" yoluyla diğer dört potansiyel DMOAD'yi inceledik (Şekil 6A). Gerçek zamanlı PCR'den elde edilen sonuçlar, bu dört bileşiğin kıkırdak kaybını kısmen tersine çevirebildiğini göstermiştir (Şekil 6C).
Şekil 6: Yerleşik hastalık modelinde ilaçların "sistemik" ve "eklem içi" yollarla test edilmesi. (A) Naproksenin (NPX) "sistemik uygulaması" ve fibroblast büyüme faktörü 18'in (FGF18), SM04690, sklerostin (SOST) ve IL-1 reseptör antagonistinin (IL-1RN) "eklem içi uygulaması" dahil olmak üzere iki farklı ilaç uygulama yolunu gösteren şematik. (B) NPX tedavisinden sonra hafiflemiş OC-C dejenerasyonunu gösteren Safranin O ve MMP-13 boyama görüntüleri. Ölçek çubuğu = 50 μm. (C) Dört farklı ilacın "eklem içi uygulamasından" sonra OC-C'deki gen ekspresyonu. Her ilaçla tedavi edilen grup ile kontrol grubu arasındaki istatistiksel farklılıklar * p < 0.05; ** p < 0.01; p < 0.001; ve **** p < 0.0001. Veriler Student'ın t-testi ile analiz edildi (N = 4 biyolojik replika). Li ve ark.7'nin izniyle çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu makalede, kemik, kıkırdak, yağ dokusu ve sinovyum benzeri dokuların MSC'lerden oluşturulduğu ve özelleştirilmiş bir biyoreaktör içinde birlikte kültürlendiği bir çip üzerinde diz eklemi sistemi oluşturmak için bir protokol sunuyoruz. Tak ve çalıştır özelliklerine sahip bu çok bileşenli, insan hücresinden türetilmiş sistem, eklem hastalıklarının patogenezini incelemek ve ilaç geliştirmek için yeni bir aracı temsil etmektedir.
Farklı dokuların belirli kültür ortamlarını tercih ettiği göz önüne alındığında, her doku için ilgili ortamı sağlamak ve akışlar arasında serbest ortam değişimini önlemek çok önemlidir. Özellikle, bifazik osteokondral dokuların üretimi sırasında, naif MSC'lerin kaderi, maruz kaldıkları ortam tarafından belirlenir. Mevcut tasarımda, iskele olarak jelatin bazlı bir hidrojel kullanıyoruz, bu da hücre büyümesi için bir şablon sağlıyor ve dokular ile eklerin duvarları arasındaki potansiyel boşluğu kapatıyor. Bu nedenle, kesici uçlar içindeki jeli in situ fotoçapraz bağlamak çok önemlidir. Ek olarak, BMP7 ve TGFβ3 gibi büyüme faktörleri sırasıyla osteojenik ortamda ve kondrojenik ortamda desteklenir. Biyoaktivitelerini birkaç gün boyunca sürdürmek için, taze ortam çip kültürüne sokulmadan önce inkübatörün dışında tutulmalıdır. Bu nedenle, ortamı inkübatöre aşılamak yerine ortamı rezervuarlardan çekmek için şırıngalar kullanmamız gerekir.
Biyoreaktörü kullanırken bir diğer kritik nokta da gereksiz basınçtan kaçınmaktır. Dokular, pozisyonda kalmak için kesici uç duvarına fiziksel bağlanmaya dayanır. Üst ve alt ortam akışlarına maruz kaldıklarından, akışın bir fazı daha yüksek bir basınca sahipse, dokuları eklerin dışına itebilir ve böylece sızıntıya neden olabilir. Bu nedenle, kabarcıkları çıkarırken olduğu gibi taşıma işlemleri sırasında, şırınganın hafifçe itilmesi kritik öneme sahiptir. Hidrojel iskelesi dışarı itilirse, geri konulabilir, boşluğu doldurmak için ilave kürlenmemiş hidrojel uygulanabilir ve kürlenebilir, böylece kesici uç içinde güvenli ve sağlam bir iskele oturması sağlanır.
Kanıtlanmış biyouyumluluğu göz önüne alındığında, jelatin bazlı iskeleler mevcut sistemdeki dört dokuyu da oluşturmak için kullanılmaktadır. Jelatinin doku oluşumunu desteklemek için en iyi materyali temsil etmeyebileceği unutulmamalıdır. Bu nedenle, gerekirse, diğer iskele tipleri kullanım için uyarlanabilir. Örneğin, gözenekli ve sert bir iskele kullanılabilir ve MSC osteogenezini daha da geliştirmek için jelatin ile birleştirilebilir11. Bu durumda, üst ve alt akışlar arasında serbest ortam değişimi olmadığından emin olunmalıdır. Yukarıda tartışıldığı gibi, potansiyel sızıntı noktalarını kapatmak için biyouyumlu hidrojeller kullanılabilir. Ek olarak, MSC'ler mevcut doku çipinde kullanılır. Kas-iskelet sistemi dokularına gösterilen farklılaşma potansiyelleri göz önüne alındığında, indüklenmiş pluripotent kök hücreler (iPSC'ler) gelecekte MSC'lerin yerini almak için de kullanılabilir. Bu araştırmaya yönelik ilk adım olarak, yakın zamanda osteokondral dokular oluşturmak için iPSC'leri kullandık12.
Sinovyum inflamasyonu veya sinovit, OA ve diğer birçok eklem hastalığının önemli bir özelliğidir. Ayrıca, Atukorala ve ark. sinovitin sonraki radyografik OA13'ün güçlü bir belirleyicisi olduğunu bulmuşlardır. Bu nedenle, miniJoint'te OA benzeri özellikler oluşturmak için IL-1β tedavisi ile SFT inflamasyonunu indükledik. Ancak bu hastalık indüksiyon yönteminin OA'nın tüm yönlerini yakalayamadığının farkındayız. Bu nedenle, gelecekteki araştırmamızda, örneğin kıkırdak bileşeni14'ün mekanik yaralanmasını indüklemek için hiperfizyolojik yükleme kullanarak miniJoint'te OA'yı modellemek için alternatif yaklaşımları keşfedeceğiz. Mekanik yükleme uygulamak için, miniJoint tasarımının uyarlanması gerekli olacaktır. Örneğin, miniJoint çipinin tabanı, kıkırdak dokusunu laboratuvarımızda geliştirilen özelleştirilmiş yaylı darbe cihazının darbeci ucuna erişilebilir hale getirmek için potansiyel olarak değiştirilebilir15.
Bildiğimiz kadarıyla, burada tarif edilen çip üzerinde diz eklemi, bir sinovyal eklemi simüle etmek için bir sistem içinde birden fazla doku içeren ilk in vitro modeldir. Yeni tak ve çalıştır kapasitesi, tek bir dokunun hastalığın ilerlemesindeki rolünü ve çeşitli tedavilere yanıtını araştırmaya olanak tanır. Bu sistem OA dışındaki eklem hastalıklarını modellemek için de kullanılabilir. Örneğin, bakteriler ve diğer patojenler septik artriti modellemek için SM'ye sokulabilir16. Ek olarak, tasarım dokular arasında gerçek zamanlı çapraz konuşmayı mümkün kılar, böylece şartlandırılmış ortamı kullanma sınırlamasının üstesinden gelir. Spesifik olarak, adipoz, sinovyal ve kıkırdak dokuları paylaşılan ortam aracılığıyla iletişim kurabilir ve kemik ve kıkırdak doğrudan fiziksel bağlanma yoluyla etkileşime girebilir. Bununla birlikte, mevcut miniJoint'te bazı sınırlamalar vardır. İlk olarak, kök hücre kaynaklı dokular kullanılır ve fenotiplerinin ve işlevlerinin doğal diz eklemindeki muadillerine benzeyip benzemediği daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyar. İkincisi, OA patogenezinde kritik rol oynayan makrofajlar gibi immün hücreler dahil değildir. Önceki çalışmamız, jelatin iskelelere makrofajların dahil edilmesinin fizibilitesini göstermiştir17. Son olarak, doğal diz eklemindeki dokular üzerindeki mekanik yükü simüle etmek için fiziksel strese bağlı bir mekanizma dahil değildir. Son zamanlarda, Occhetta ve ark., mühendislik kıkırdak dokusunu uyarmak için gerinim kontrollü sıkıştırmanın uygulandığı bir çip üzerinde kıkırdak modeli geliştirdiler14. MiniJoint'te mekanik yüklemeyi sağlamak için benzer bir yöntem benimsenebilir.
Özetle, miniJoint, OA'nın patogenezini ve ilgili koşulları in vitro olarak araştırmak ve kişiselleştirilmiş tıp için potansiyel DMOAD'leri ve müdahaleleri keşfetmek için bir mekanizma sağlamak için benzersiz bir platform olarak hizmet edebilir. MiniJoint sistemi, çeşitli organ taklitleri arasındaki etkileşimleri incelemek için kullanılabilecek çip üzerinde vücut sistemleri oluşturmak için diğer organları taklit eden OoC'lerle de entegre edilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar birbiriyle çelişen çıkarlar olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Bu araştırma öncelikle Ulusal Sağlık Enstitüleri (UG3 / UH3TR002136, UG3 / UH3TR003090) tarafından finanse edilmiştir. Buna ek olarak, insan dokusu örneklerini sağladığı için Dr. Paul Manner'a (Washington Üniversitesi) ve MSC'leri izole etme ve hücre havuzu oluşturma konusundaki yardımları için Dr. Jian Tan'a teşekkür ederiz.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-isobutyl-1-methylxanthine | Sigma -Aldrich | I17018-1G | |
| 6 well non-tissue culture plate | Corning Falcon® Plates | 351146 | |
| 24 well non-tissue culture plate | Corning Falcon® Plates | 351147 | |
| 30 mL syringes | BD Syringe Luer Lock Cascade Health | 302832 | |
| Alcian blue stain | EK Industries | 1198 | 1% w/v, pH 1.0 |
| Advanced DMEM | Gibco | 12491-015 | |
| αMEM | Gibco | 12571-063 | |
| Antibiotic-antimycotic | Gibco | 15240-062 | |
| Biopsy punch | Integra Miltex | 12-460-407 | |
| BODIPY® fluorophore | Molecular Probes | ||
| Bone morphogenic protein 7 (BMP7) | Peprotech | ||
| Curved forceps | Fisher Brand | 16100110 | |
| DMEM | Gibco | 11995-065 | Dulbecco’s Modified Eagle Medium |
| Dexmethasome | Sigma -Aldrich | 02-05-2002 | |
| E-Shell 450 photopolymer in | EnvisionTec | RES-01-4022 | |
| Fetal Bovine Serum | Gemini-Bio Products | 900-208 | |
| GlutaMAX | Gibco | 3505-061 | |
| gelatin from bovine skin | Hyclone | 1003372809 | |
| Hank’s Balanced Salt Solution | Sigma -Aldrich | SH30588.02 | |
| indomethacin | Sigma -Aldrich | I7378-56 | |
| Insulin-Transferrin-Selenium-Ethanolamine (ITS) | Gibco | 51500-056 | |
| interleukin 1β | Peprotech | 200-01B | |
| Leur-loc connectors | Cole-Parmer Instruments | 45508-50 | |
| L-proline | Sigma -Aldrich | 115388-93-7 | |
| β-glycerophosphate | Sigma -Aldrich | 1003129352 | |
| Medium bags | KiYATEC | FC045 | |
| Methacrylic Anhydride | Sigma -Aldrich | 102378580 | |
| Phosphate buffered Saline | Corning | 21-040-CM | |
| Pointed forceps | Fisher Brand | 12000122 | |
| Silicon mold | McMaster-Carr | RC00114P | |
| Silicon o-rings | McMaster-Carr | ZMCCs1X5 | 1mm x 5mm |
| SolidWorks | Dassault Systèmes SE, Vélizy-Villacoublay, France | ||
| Surgical Blades | Integra Miltex | 4-122 | |
| Syringe pump | Lagato210P, KD Scientific | Z569631 | 10 syringe racks |
| T-182 tissue culture flasks | Fisher Brand | FB012939 | |
| Tissue Culture Dish 150 mm | Fisher Brand | FB012925 | |
| Transforming Growth Factor Beta (TGF-β3) | Peprotech | 100-36E | |
| Trypsin | Gibco | 25200-056 | |
| UV Flashlight | KBS | KB70109 | 395 nm |
| Vida Desktop 3D Printer | EnvisionTec | ||
| Vitamin D3 | Sigma -Aldrich | 32222-06-3 | 1,25-dihydroxyvitamin D3 |
References
- Safiri, S., et al. Global, regional and national burden of osteoarthritis 1990-2017: A systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2017. Annals of the Rheumatic Diseases. 79 (6), 819-828 (2020).
- Lawrence, R. C., et al. Estimates of the prevalence of arthritis and other rheumatic conditions in the United States: Part II. Arthritis and Rheumatism. 58 (1), 26-35 (2008).
- Makarczyk, M. J., et al. Current models for development of disease-modifying osteoarthritis drugs. Tissue Engineering. Part C, Methods. 27 (2), 124-138 (2021).
- He, Y., et al. Pathogenesis of osteoarthritis: risk factors, regulatory pathways in chondrocytes, and experimental models. Biology. 9 (8), 194 (2020).
- Ronaldson-Bouchard, K., Vunjak-Novakovic, G. Organs-on-a-chip: A fast track for engineered human tissues in drug development. Cell Stem Cell. 22 (3), 310-324 (2018).
- Lin, H., Sohn, J., Shen, H., Langhans, M. T., Tuan, R. S. Bone marrow mesenchymal stem cells: aging and tissue engineering applications to enhance bone healing. Biomaterials. 203, 96-110 (2019).
- Li, Z., et al. Human mesenchymal stem cell-derived miniature joint system for disease modeling and drug testing. Advanced Science. 9 (21), 2105909 (2022).
- Lin, H., Cheng, A. W., Alexander, P. G., Beck, A. M., Tuan, R. S. Cartilage tissue engineering application of injectable gelatin hydrogel with in situ visible-light-activated gelation capability in both air and aqueous solution. Tissue Engineering. Part A. 20 (17-18), 2402-2411 (2014).
- Fairbanks, B. D., Schwartz, M. P., Bowman, C. N., Anseth, K. S. Photoinitiated polymerization of PEG-diacrylate with lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate: polymerization rate and cytocompatibility. Biomaterials. 30 (35), 6702-6707 (2009).
- Lin, H., Lozito, T. P., Alexander, P. G., Gottardi, R., Tuan, R. S. Stem cell-based microphysiological osteochondral system to model tissue response to interleukin-1β. Molecular Pharmaceutics. 11 (7), 2203-2212 (2014).
- Yin, B., et al. Hybrid macro-porous titanium ornamented by degradable 3D gel/nHA micro-scaffolds for bone tissue regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 17 (4), 575 (2016).
- Lin, Z., et al. Osteochondral tissue chip derived from iPSCs: Modeling OA pathologies and testing drugs. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 411 (2019).
- Atukorala, I., et al. Synovitis in knee osteoarthritis: A precursor of disease. Annals of the Rheumatic Diseases. 75 (2), 390-395 (2016).
- Occhetta, P., et al. Hyperphysiological compression of articular cartilage induces an osteoarthritic phenotype in a cartilage-on-a-chip model. Nature Biomedical Engineering. 3 (7), 545-557 (2019).
- He, C., et al. Modeling early changes associated with cartilage trauma using human-cell-laden hydrogel cartilage models. Stem Cell Research and Therapy. 13 (1), 400 (2022).
- Elsissy, J. G., et al. Bacterial septic arthritis of the adult native knee joint: A review. JBJS Reviews. 8 (1), 0059 (2020).
- Romero-Lopez, M., et al. Macrophage effects on mesenchymal stem cell osteogenesis in a three-dimensional in vitro bone model. Tissue Engineering. Part A. 26 (19-20), 1099-1111 (2020).
