Dreidimensionales akustisches Montagegerät für die Massenfertigung von Zellsphäroiden

3D-In-vitro-Kulturmodelle, die im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Kulturmodellen mehr In-vivo-ähnliche strukturelle und morphologische Eigenschaften aufweisen, wurden als vielversprechende Systeme in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen wie Tissue Engineering, Krankheitsmodellierung und Wirkstoffscreening anerkannt ^1,2,3. Als eine Art von 3D-Kulturmodell beziehen sich Zellsphäroide typischerweise auf die Zellaggregation und erzeugen 3D-sphäroidale Strukturen, die durch verbesserte Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen gekennzeichnet sind ^4,5,6. Daher ist die Herstellung von Zellsphäroiden zu einem leistungsfähigen Werkzeug geworden, um verschiedene biologische Studien zu ermöglichen.

Verschiedene Techniken, einschließlich des Aufhängens^{von Tropfen 7}, nicht klebender Platten⁸ oder Mikrotitervorrichtungen⁹, wurden entwickelt, um Sphäroide zu erhalten. Prinzipiell erleichtern diese Methoden die Zellassemblierung, indem sie physikalische Kräfte wie die Gravitationskraft nutzen und gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen Zellen und Substrat minimieren. Sie sind jedoch oft arbeitsintensiv, haben eine geringe Produktivität und stellen eine Herausforderung für die Steuerung der Sphäroidgröße^{dar 10,11}. Wichtig ist, dass die Herstellung von Sphäroiden mit der gewünschten Größe und Gleichmäßigkeit in ausreichender Menge von größter Bedeutung ist, um spezifische biologische Anwendungen zu erfüllen. Im Gegensatz zu den oben genannten Methoden haben akustische Wellen als eine Art von externer Krafttechnik 12,13,14 das Potenzial für die Massenherstellung von Zellsphäroiden mit hoher Qualität und hohem Durchsatz gezeigt, basierend auf dem Prinzip der Verbesserung der Zellaggregation durch äußere Kräfte 15,16,17,18. Im Gegensatz zu elektromagnetischen oder magnetischen Kräften sind akustische Zellmanipulationstechniken nicht-invasiv und markierungsfrei, was eine Sphäroidbildung mit ausgezeichneter Biokompatibilität ermöglicht^19,20.

Üblicherweise wurden auf akustischen Wellen der stehenden Oberfläche (SAWs) und auf akustischen Massenwellen (BAWs) basierende Geräte entwickelt, um Sphäroide zu erzeugen, wobei die akustischen Knoten (ANs) verwendet werden, die durch entsprechende stehende akustische Felder^{21, 22, 23} erzeugt werden. Insbesondere akustische Montagevorrichtungen, die auf BAWs basieren, mit den Vorteilen einer bequemen Herstellung, einer einfachen Bedienung und einer ausgezeichneten Skalierbarkeit, haben für die Herstellung von Zellsphäroiden^24,25 Aufmerksamkeit erregt. Wir haben kürzlich ein einfaches BAWs-basiertes akustisches Montagegerät entwickelt, das in der Lage ist, Sphäroide mit hohem Durchsatz^{zu erzeugen 26}. Die vorgeschlagene Vorrichtung besteht aus einer quadratischen Polymethylmethacrylat (PMMA)-Kammer mit drei Blei-Zirkonat-Titanat-Wandlern (PZT), die jeweils in der X/Y/Z-Ebene angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht die Erstellung eines 3D-Punkt-Array-Musters von schwebenden akustischen Knoten (LANs) zur Ansteuerung der Zellmontage. Im Vergleich zu zuvor berichteten BAWs- oder SAWs-basierten Vorrichtungen, die nur ein 1D- oder 2D-Array von ANs^{27, 28, 29} erzeugen können, ermöglicht die vorliegende Vorrichtung ein 3D-Punkt-Array von LANs für eine schnelle Zellaggregatbildung innerhalb der Gelatinemethacryloyl (GelMA)-Lösung. Anschließend reiften die Zellaggregate nach drei Tagen Kultivierung zu Sphäroiden mit hoher Viabilität innerhalb der photogehärteten GelMA-Gerüste. Schließlich konnte eine große Anzahl von Sphäroiden mit einheitlicher Größe aus den GelMA-Gerüsten für nachgelagerte Anwendungen leicht gewonnen werden.

1. Herstellung der 3D-Akustik-Montagevorrichtung

1. Beginnen Sie mit der Vorbereitung von vier 1 mm dicken PMMA-Platten durch Laserschneiden³⁰ und kleben Sie sie dann zu einer quadratischen Kammer mit einer Innenbreite von 21 mm und einer Höhe von 10 mm zusammen.
2. Befestigen Sie als Nächstes eine weitere 1 mm dicke PMMA-Folie am Boden der Kammer, die als Halterung für die Biotinte dient.
3. Drei Blei-Zirkonat-Titanat-Wandler (PZT) (jeweils 20 mm lang, 10 mm breit, 0,7 mm dick und mit einer Primärresonanzfrequenz von 3 MHz, siehe Materialtabelle) werden vorsichtig an der Außenseite der drei orthogonalen Wände der Kammer angebracht. Stellen Sie sicher, dass der untere PZT-Wandler unter der Kammer zentriert ist.
4. Löten Sie Drähte an die beiden leitenden Bereiche jedes PZT-Wandlers.
5. Befestigen Sie das Gerät abschließend auf einem hohlen Boden, um zu verhindern, dass der untere PZT mit anderen Arbeitsplatten in Berührung kommt.

2. Aufbau des akustischen Montagesystems

1. Montieren Sie das akustische Gerät zunächst auf einem Mikroskoptisch, um das Innere der Kammer aus der Vogelperspektive betrachten zu können.
2. Positionieren Sie ein digitales Mikroskop auf der Seite des Geräts, die frei von PZT-Wandlern ist, um eine seitliche Beobachtung des Inneren der Kammer zu ermöglichen.
3. Verbinden Sie die Drähte der drei PZT-Wandler unabhängig voneinander in Reihe mit drei Leistungsverstärkern und drei Ausgangskanälen von Funktionsgeneratoren (siehe Materialtabelle).
4. Programmieren Sie die Einstellungen an den Funktionsgeneratoren für jeden PZT-Wandler und geben Sie Parameter wie sinusförmige Wellenform, Frequenz und Amplitude an.
5. Um die Sterilisation zu gewährleisten, füllen Sie die Kammer des akustischen Geräts 5 Minuten lang mit 75%igem Alkohol, gefolgt von einer gründlichen Reinigung mit steriler PBS-Lösung. Bestrahlen Sie anschließend die Kammer mindestens 1 h lang mit UV-Licht in einer sauberen Bank.

3. Zellkultur- und Ernteverfahren

1. Beginnen Sie mit der Kultivierung von C3A-Zellen, einer humanen hepatozellulären Karzinomzelllinie, in einer T25-Zellkulturflasche unter Verwendung des modifizierten Eagle-Mediums (DMEM) von Dulbecco, das mit 10 % fötalem Kälberserum und 1 % Penicillin-Streptomycin ergänzt wurde (siehe Materialtabelle).
2. Wenn die C3A-Zellen eine Konfluenz von etwa 80 % erreicht haben, führen Sie die Zellpassage wie folgt durch: Zuerst wird der Boden des Kulturkolbens zweimal mit PBS gewaschen. Dann werden 2 ml 0,05%iges Trypsin-EDTA in den Zellkulturkolben gegeben und bei 37 °C inkubiert, um die Zellablösung zu erleichtern. Stoppen Sie den Trypsinisierungsprozess, indem Sie 2 ml des vollständigen Nährmediums hinzufügen.
3. Die Zelllösung wird in ein 15-ml-Röhrchen überführt und bei 200 × g für 5 Minuten bei Raumtemperatur zentrifugiert, um ein Zellpellet zu erhalten.

4. Herstellung der Biotinte

1. Bereiten Sie eine 6%ige (w/v) GelMA-Lösung mit 0,5 % (w/v) Lithiumphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinat (LAP) vor, indem Sie 0,3 g GelMA und 0,025 g LAP (siehe Materialtabelle) in 5 ml Phosphatpufferlösung (PBS) auflösen. Die Mischung 1 h im 47 °C warmen Wasserbad ziehen lassen.
2. Vor dem Mischen mit Zellen wird die GelMA-Lösung zur Sterilisation durch einen 0,22-μm-Filter (siehe Materialtabelle) geleitet.
3. Resuspendieren Sie das oben erwähnte Zellpellet (Schritt 3.3) in Zellkulturmedium. Färben Sie ein kleines Zellvolumen mit einer 0,4%igen Trypanblaulösung und verwenden Sie dann ein sauberes Hämozytometer zur Zellzählung.
4. Mischen Sie eine geeignete Menge C3A-Zellen, berechnet auf der Grundlage der oben erhaltenen Zelldichte, mit der sterilisierten GelMA-Lösung, um die Biotinte mit einer Zelldichte von 2 × 10⁶ Zellen/ml herzustellen.
5. Zur Visualisierung der zusammengesetzten Zellsphäroide werden C3A-Zellen vorgefärbt, indem sie mit 2 μM Cell Tracker (DiO-Farbstoff, siehe Materialtabelle) bei 37 °C für 20 min inkubiert werden. Anschließend werden die markierten Zellen vor Gebrauch dreimal mit frischem Zellkulturmedium gewaschen.

5. Zusammenbau der Zellsphäroide mit dem akustischen Gerät

1. Pipettieren Sie mehr als 1 ml der Biotinte in die sterilisierte Kammer. Stellen Sie sicher, dass der Abstand von Angesicht zu Angesicht zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Kammerboden ein ganzzahliges Vielfaches der halben akustischen Wellenlänge ist.
   HINWEIS: Man kann diesen Abstand steuern, indem man die Menge der zugegebenen Biotinte anpasst. Die akustische Wellenlänge (λ) kann mit der Formel λ = c/f abgeschätzt werden, wobei c für die Schallgeschwindigkeit im Medium und f für die Frequenz des PZT-Wandlers steht.
2. Schalten Sie den Funktionsgenerator und den Leistungsverstärker ein, um die Betätigung jedes PZT-Wandlers einzuleiten.
   HINWEIS: Es wird empfohlen, jeden PZT-Wandler zuerst einzeln zu betätigen, um das optimale Parallellinien-Zellmuster zu erreichen. Dies kann erreicht werden, indem für jeden PZT-Wandler ein Frequenz-Sweep mit einer Schrittweite von 0,001 MHz in der Nähe der primären Resonanzfrequenz durchgeführt wird. Anschließend werden diese optimalen Signale gleichzeitig auf alle drei PZT-Wandler angewendet, um das erwartete zelluläre 3D-Punktmuster zu erhalten. Stellen Sie vor dem Auftragen jedes Eingangssignals sicher, dass die Zellen durch leichtes Rühren gleichmäßig in der Biotinte verteilt sind.
3. Vernetzen Sie die Biotinte mit blauem Licht (405 nm, 60 mW^/cm2, 30 s), um ein 3D-Hydrogel-Gerüst zu erstellen, das die akustisch zusammengesetzten Zellaggregate einkapselt. Schalten Sie anschließend den Funktionsgenerator und die Endstufe aus.
4. Übertragen Sie das 3D-Hydrogel-Gerüst vorsichtig aus der Kammer in eine Petrischale und schneiden Sie es mit einem sauberen Rasiermesser in kleine Stücke (z. B. 2 mm × 2 mm × 2 mm).
5. Geben Sie Zellkulturmedium für die Kultivierung hinzu.
   HINWEIS: Denken Sie daran, das Nährmedium jeden Tag zu wechseln.

6. Abrufen von Zellsphäroiden

1. Beginnen Sie mit der Beobachtung der Sphäroidbildung an verschiedenen Schichten der Gerüste mit einem inversen Mikroskop.
2. Entfernen Sie nach 3 Tagen Kultur das Nährmedium und waschen Sie die Hydrogel-Gerüste zweimal gründlich mit PBS.
3. Inkubieren Sie die Gerüste mit mehr als 2 ml GelMA-Lysepuffer in einer Verdünnung von 1:200 mit Zellkulturmedium für 30 Minuten in einem Zellinkubator. Dieser Schritt zielt darauf ab, die Hydrogel-Gerüste aufzulösen.
4. Die Lösung aus dem vorherigen Schritt wird in ein Röhrchen überführt und dann bei 200 × g für 5 Minuten bei Raumtemperatur zentrifugiert, um das Zellkugelpellet zu erhalten.
5. Verwerfen Sie den Überstand und resuspendieren Sie das Pellet in frischem Nährmedium für nachgelagerte Anwendungen.

7. Sphäroid-Viabilitätsanalyse

1. Beurteilen Sie die Lebensfähigkeit von Zellsphäroiden entweder innerhalb der Hydrogel-Gerüste oder in den gewonnenen Sphäroiden mit einem Lebend-/Tot-Färbekit (siehe Materialtabelle).
2. Inkubieren Sie die Proben zu verschiedenen Kulturzeitpunkten mit 1 ml PBS-Lösung, die 1 μl Calcein-AM und 2 μl Propidiumiodid (PI) enthält, für 15 Minuten bei 37 °C.
3. Proben innerhalb der Hydrogel-Gerüste werden zweimal direkt mit PBS gewaschen. Bei gewonnenen Sphäroiden wird bei 200 × g 5 min bei Raumtemperatur zentrifugiert, um ein Sphäroidpellet zu erhalten, und vor der Beobachtung zweimal gewaschen.
4. Beobachten Sie die Proben mit einem Fluoreszenzmikroskop und nehmen Sie die Fluoreszenzbilder auf.
5. Berechnen Sie das Verhältnis der mit Calcein-AM gefärbten Fläche zur Gesamtfläche, die sowohl mit Calcein-AM als auch mit PI gefärbt ist, mit ImageJ, um die Sphäroidviabilität zu bestimmen.

In dieser Studie wurde ein akustisches 3D-Montagegerät für die Massenfertigung von Zellsphäroiden entwickelt. Die akustische Vorrichtung bestand aus einer quadratischen Kammer mit zwei PZT-Wandlern, die an der X- und Y-Ebene an der Außenfläche der Kammer angebracht waren, und einem PZT-Wandler am Boden der Kammer (Abbildung 1A, B). Drei Ausgangskanäle von zwei Funktionsgeneratoren wurden mit drei Leistungsverstärkern verbunden, um drei unabhängig voneinander sinusförmige Signale zur Ansteuerung der PZT-Wandler zu erzeugen (Abbildung 1C).

Die optimalen Resonanzfrequenzen, die zur Betätigung der drei PZT-Wandler verwendet wurden, die an den X/Y/Z-Ebenen der Kammer angebracht waren, betrugen 3,209 MHz, 3,283 MHz bzw. 3,215 MHz. Die optimale Amplitude für alle drei PZT-Wandler betrug 10 Spitze-Spitze-Ausgangsspannung (Vpp), gemessen mit einem Oszilloskop. Abbildung 2A veranschaulicht den Arbeitsmechanismus von Zellaggregaten, die mit der akustischen 3D-Montagevorrichtung erzeugt werden. Wenn das Signal angelegt wird, werden die Zellen unter dem Einfluss der akustischen Strahlungskraft (ARF) zu den akustischen Knoten getrieben. Um Zellsphäroide sichtbar zu machen, wurden die Zellen mit 2 μM DiO (grüne Fluoreszenz) vorgefärbt. Nach der akustischen Zellassemblierung wurden die akustisch 3D-montierten Zellaggregate mit einem konfokalen Mikroskop beobachtet. Es wurde beobachtet, dass diese Zellaggregate in einem regelmäßigen 3D-Punkt-Array-Muster mit gleichmäßigen grünen Fluoreszenzsignalen angeordnet sind (Abbildung 2B). Verschiedene Draufsichten von Hellfeldbildern zeigten auch, dass die gebildeten Aggregate in jeder Schicht in einem 2D-Punkt-Array-Muster angeordnet waren (Abbildung 2C).

Das Wachstum von Zellaggregaten innerhalb des Hydrogels wurde zu verschiedenen Zeitpunkten beobachtet. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die zusammengesetzten Aggregate bis zum 3. Tag allmählich integrierten und dichte Sphäroide bildeten, begleitet von einer Zunahme des Sphäroiddurchmessers (Abbildung 3A, B). Es wurde eine Lebend/Tot-Färbung durchgeführt, um die Lebensfähigkeit der Zellsphäroide zu bewerten. Gute Zellviabilitäten (>90%) wurden vor Tag 3 erreicht, während die Viabilität nach einer Woche Kultur leicht abnahm (Abbildung 3C,D).

Für die Gewinnung von Sphäroiden wurde ein GelMA-Lysepuffer verwendet, um die Hydrogel-Gerüste zu dissoziieren und die eingekapselten Zellsphäroide freizusetzen (Abbildung 4A). Folglich wurden die kleinen Stücke der Hydrogel-Gerüste nach drei Tagen Kultivierung mit GelMA-Lysepuffer bei 37 °C für 30 Minuten behandelt. Die freigesetzten Sphäroide behielten eine gute sphärische Morphologie mit einer engen Größenverteilung bei, zusammen mit der Expression von Albumin und der gewünschten Lebensfähigkeit (Abbildung 4B-D).

Abbildung 1: 3D-Akustik-Montagevorrichtung. (A) Schematische Darstellung der Draufsicht auf die 3D-Akustik-Montagevorrichtung, bestehend aus einer PMMA-Kammer, die mit drei PZT-Wandlern befestigt ist. (B) Foto, auf dem die tatsächliche akustische 3D-Montagevorrichtung zu sehen ist. (C) Foto des akustischen 3D-Montagegeräts, das mit zwei Funktionsgeneratoren und drei Leistungsverstärkern verbunden ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Akustisch zusammengesetzte Zellaggregate. (A) Schematische Darstellung des Arbeitsmechanismus von Zellaggregaten, die von der akustischen 3D-Montagevorrichtung erzeugt werden, bei der Zellen durch akustische Strahlungskraft zu den akustischen Knoten getrieben werden. (B) Konfokale Bilder, die die akustisch 3D-montierten Zellaggregate aus verschiedenen Perspektiven zeigen. (C) Hellfeldbilder, die die gebildeten Zellaggregate in verschiedenen Schichten innerhalb des Hydrogelgerüsts zeigen. Der Maßstabsbalken stellt 250 μm dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Wachstum von Zellaggregaten zu Sphäroiden innerhalb des GelMA-Gerüsts. (A) Hellfeldbilder, die die Bildung kompakter Zellsphäroide nach einer 3-tägigen Kulturperiode zeigen. (B) Quantifizierung von Sphäroidgrößen. (C) Lebend-/Totfärbung von Sphäroiden innerhalb des Hydrogel-Gerüsts nach einer Woche Kultur. (D) Quantifizierung der Lebensfähigkeit von Zellsphäroiden. Der Maßstabsbalken stellt 250 μm dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Entnahme von akustisch hergestellten Zellsphäroiden. (A) Abbildung mit den Schritten zum Abrufen akustisch hergestellter Zellsphäroide. (B) Hellfeldbilder, die die gewonnenen Sphäroide in unterschiedlichen Vergrößerungen zeigen. Der Maßstabsbalken stellt 250 μm dar. (C) Analyse der Viabilität und Funktionalität der gewonnenen Sphäroide. Der Maßstabsbalken stellt 100 μm dar. (D) Größenverteilung der Sphäroide nach der Entnahme. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Autoren haben nichts zu verraten.