Aquí, presentamos un protocolo para obtener sistemas 3D-cultura en uno mismo-montaje de andamios péptido para promover la diferenciación de condrocitos articulares humanos dedifferentiated en tejido similar al cartílago.
Artículo de método
Aquí, presentamos un protocolo para obtener sistemas 3D-cultura en uno mismo-montaje de andamios péptido para promover la diferenciación de condrocitos articulares humanos dedifferentiated en tejido similar al cartílago.
Se describe una técnica útil para el cultivo de células en un uno mismo-montaje andamio nanofibras de (3D) tridimensional. Este sistema de cultivo recrea un entorno que imita muy de cerca las características estructurales del tejido no polarizado. Además, la estructura particular de nanofibras intrínseca del andamio es transparente a luz visible, que permite la fácil visualización de la muestra bajo microscopio. Esta ventaja en gran parte se utilizó para estudiar la migración de la célula, organización, proliferación y diferenciación y así cualquier desarrollo de su función celular mediante tinción con colorantes específicos o sondas. Además, en este trabajo, describimos el buen funcionamiento de este sistema para estudiar fácilmente la redifferentiation de condrocitos articulares humanos ampliado en tejido cartilaginoso. Las células fueron encapsuladas en uno mismo-montaje de andamios de péptido y cultivadas bajo condiciones específicas para promover la condrogénesis. Las culturas tridimensionales demostraron buena viabilidad durante las 4 semanas del experimento. Como era de esperar, las muestras cultivadas con inductores condrogénica (en comparación con controles no inducido) teñido fuertemente positivas para el azul de toluidina (que tiñe los glicosaminoglicanos (GAGs) que están muy presentes en la matriz extracelular del cartílago) y expresó los marcadores moleculares específicos, incluyendo colágeno tipo I, II y X, según análisis de Western Blot. Este protocolo es fácil de realizar y puede utilizarse en los laboratorios de investigación, industrias y propósitos educativos en los cursos de laboratorio.
Por muchas décadas, se ha realizado cultivo celular mamífero bajo condiciones experimentales utilizando sistemas de dos dimensiones clásicas de la cultura (2D) debido a problemas prácticos y económicos sin tener en cuenta los aspectos no-fisiológico. Aunque este sistema de cultivo ayuda a estudiar y comprender los mecanismos moleculares y celulares más, hoy sabemos que son necesarios nuevos paradigmas de la cultura de célula para el estudio de sistemas celulares más complejos. Por lo tanto, los sistemas de cultivo (3D) tridimensional son necesarios para recrear un microambiente que es basada, biomecánicamente y biológicamente más similar a la de los tejidos naturales. En los últimos años, los sistemas de cultivo 3D, en general, se han convertido en más frecuentes entre los investigadores y la industria puesto que representan un nuevo modelo de estudio o investigación en la que las células pueden crecer en el espacio, crean célula a célula o célula a matriz interacciones, migrar y Finalmente diferenciarse en linajes de células específicas.
El objetivo general de esta metodología es recrear una en vitro microambiente celular que está más cerca el microambiente en vivo . En particular, el andamio peptide uno mismo-montaje sintético (PAE) es un tipo de biomaterial con propiedades únicas; forma una red de poros de tamaño nanómetro hecha de interacciones débiles entre péptidos con propiedades mecánicas y estructurales similares de matrices extracelulares naturales. En otras palabras, la racionalidad detrás del uso de este material es que se crea un verdadero entorno en 3D que es ideal para obtener unidades de órganos o tejidos de pseudo-3D. Sin embargo, lo más importante, el contexto 3D permite la estructura 3D ganar nuevas funciones biológicas que normalmente no están presentes en las plataformas 2D de la cultura, tales como propiedades relacionadas con la arquitectura del tejido, fenómenos de transferencia de masa, patrón de la célula y eventualmente morfogénesis de tejidos, que son factores clave en futuras investigaciones y desarrollo de los tejidos funcionales y órganos1,2. Por otra parte, una ventaja de SAPS sobre sus contrapartes naturales (colágeno, Matrigel) es que son muy estables a temperatura ambiente y no requieren condiciones especiales de post producción, distribución o almacenamiento3,4, 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. programas de ajuste estructural es fácil de manejar, cuando se desee; Geles 3D pueden obtenerse simplemente aumentando la fuerza iónica o ajustando el pH a la neutralidad1,2. Finalmente, la metodología aquí descrita ha sido ampliamente utilizado en vitro para promover el mantenimiento, crecimiento y diferenciación de varios tipos celulares, incluyendo condrocitos, hepatocitos, células endoteliales, osteoblastos, células neuronales, así como las células madre embrionarias y somáticas3,4,5,6,7,8,9,10, 11 , 12 , 13 , 14 , 15. en el presente trabajo, describimos el uso de un sistema de 3D-cultura humana condrocitos articulares Ampliadas (hACh) se diferencian en tejido similar al cartílago como se describió anteriormente11.
Aquí, se describe un método para células en cultivo en un sistema 3D usando programas de ajuste estructural. En este biomaterial sintético, las células se mezclan primero con una solución del péptido, que posteriormente se induce a la uno mismo-montar, crear una red de dimensiones nanométricas alrededor de las células y por lo tanto, crear un ambiente verdaderamente 3D (figura 1). Es importante considerar que el comportamiento celular está afectada por valores de rigidez de matriz (es decir, proliferación, migración y diferenciación). Por lo tanto, un control metodológico común es a células en cultivo en la parte superior del andamio del péptido con los mismos valores de rigidez (cultura en dos dimensiones).
1. uno mismo-montaje preparación de andamio (SAPS) de péptido
2. preparación de suspensión de célula
3. encapsulación de la célula 3D en SAPS
4. célula viabilidad en 3D-SAPS
5. diferenciación de la célula
6. toluidina azul (TB) tinción
7. Western Blot
Nota: El procedimiento utilizado en este protocolo fue descrito en la referencia11.
En el presente trabajo se describe un protocolo simple y rápido a células en cultivo en 3D usando programas de ajuste estructural para obtener datos cualitativos y cuantitativos fiables. SAP crea un microambiente 3D con propiedades únicas que permiten a las células cultivadas bajo condiciones deseadas para proceder al mantenimiento celular, proliferación y diferenciación3,4,5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12. en nuestro grupo, varios estudios se han realizado con células progenitoras de tejido adiposo humano derivado (hAPC), condrocitos articulares humanos ampliado (hACh) y fibroblastos dérmicos normales humanos (hNDF) a la cultura, ampliar y diferenciarlos en tejido similar a cartílago10,11,12. Aquí, describimos la cultura 3D y rediferenciación de hACh ampliado en tejido similar a cartílago, como se describió anteriormente11. Por lo tanto, nos encapsulan las células en 3D-programas de ajuste estructural y la cultura les en medio de inducción condrogénica, como se describe en la figura 1 (y en el protocolo). Después de 24 h, las muestras se evaluaron la viabilidad con el ensayo de viabilidad de la citotoxicidad de vivos o muertos. Los resultados indican que un pequeño porcentaje de células fueron muerto (rojo) después de 5 días de encapsulación y casi células muertas no fueron observadas después de 4 semanas de la cultura (figura 2). A continuación, mancharon para el depósito de glicosaminoglicanos (GAG) en la matriz extracelular mediante la tinción de azul de toluidina. Como era de esperar, el grupo de inducción respondió adecuadamente al tratamiento, mostrando fuerte tinción (figura 2).
Finalmente, marcadores moleculares de los marcadores de la condrogénesis y la hipertrofia, incluyendo colágeno tipo I, II y X, se analizaron por western blot (figura 3). Colágeno de tipo que i (COL1) fue observado en los sistemas 2D y 3D, pero una banda inferior de ~ 130 kDa (que representa la proteína de COL1 madura procesada para ser ensamblada en la matriz extracelular) se observó sólo en 3D. Este resultado indica claramente que las células en diferenciación en tres dimensiones se debe proceder de una manera más fisiológica. Notable, colágeno tipo II (COL2) fue detectado - como una sola banda del esperado peso molecular presente en la matriz extracelular - sólo en construcciones 3D cultivadas bajo condiciones condrogénica. Por último, colágeno de tipo X (COL10) fue detectado en 2D y 3D construcciones cultivadas bajo condiciones condrogénica, indicando cierto grado de hipertrofia después de 4 semanas de la cultura.

Figura 1: representación esquemática de la encapsulación de la célula en 3D-SAPS. Representación esquemática de la encapsulación de hACh se describe para obtener las células dispersadas al azar dentro de las 3D-SAPS. 1. uno mismo-montaje preparación de andamio (SAPS) péptido; 2. célula de preparación de la suspensión; y 3. 3D-cell la encapsulación en SAPS. Observe que el esquema sólo muestra pasos 3.1 a 3.4.

Figura 2: rendimiento y condrogénica diferenciación en cultivos 3D-SAPS celular. Tinción de viabilidad celular se realiza en 5 días y 4 semanas de la cultura detectadas bajo un microscopio de fluorescencia (células vivas en las células verdes y muertas en rojo). Barras de escala = 200 μm. compromiso General condrogénesis por azul de toluidina tinción (sulfatados glycosaminoglycans en azul) de construcciones 3D savias cultivadas en medios de control y condrogénica. Barras de escala = 500 μm. Esta figura ha sido modificada desde la L. Recha-Sancho et al. 11. por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: colágeno I, II y X expresión de hACh en condrogénesis. hACh cultivada en una monocapa de 2D y en 3D-programas de ajuste estructural después de 4 semanas en condrogénica medios y controles se evaluaron la expresión de colágeno tipo I (COL1), colágeno tipo II (COL2) y colágeno de tipo X (COL10). Expresión de actina se utilizó como control interno. Esta figura ha sido modificada desde la L. Recha-Sancho et al. 11. por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Anteriormente, nuestro grupo y otros han descrito el uso de plataformas de la cultura (3D) tridimensional con célula diversos sistemas3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15. En el presente trabajo se describe un método sencillo y confiable de obtener cultura 3D sistemas que son aplicables a cualquier tipo de células de mamíferos incluyendo cualquier tipo de célula funcional, embrionaria o adulto células de vástago, o eventualmente, aislaron células disfuncionales de biopsias o tumores y así sucesivamente. Además, independientemente, si las células madre son de origen embrionario o adulto tendrían una mejor capacidad de compromiso de linaje en el entorno 3D que en 2D clásica de la cultura platos10,11,12, 13,14,15. Por lo tanto, el cultivo celular en este sistema daría lugar a la diferenciación en las estructuras como tejido funcionales que podrían ser utilizadas en diferentes aplicaciones, desde la biomedicina regenerativa o reparativa a plataformas toxicológicas y farmacológicas.
Hemos demostrado una ganancia clara en función de la célula porque el microambiente celular es similar a la de los tejidos naturales en cuanto a la estructura de la matriz y parámetros biomecánicos, biofísicos y biológicos. Sin embargo, como el sistema se vuelve más complejo, el número de parámetros que necesitan ser regulados también aumentos, que incluye la necesidad de una plataforma de apoyo externa (como un sistema de activa perfusión para evitar problemas asociados a fenómenos de transferencia de masa ). Las células cultivadas tridimensionalmente se desempeñan mejor en cuanto a la regulación de las actividades esenciales, como la migración, proliferación y diferenciación. Podrían formar redes complejas permitiendo mayor interferencia celular, que es en gran medida una consecuencia esencial de crecimiento y diferenciación en 3D. El hecho de que jugos podría crear condiciones en vitro similares a ésos matriz extracelular proteínas representa una ventaja desde un estudio racional del efecto producida por cada componente añadido al andamio (factor de crecimiento, polisacárido o señalización péptido) podría ser fácilmente realizado.
Las claras ventajas del uso de programas de ajuste estructural en comparación con otros andamios naturales, tales como colágeno tipo I y Matrigel, son los siguientes: 1) SAPS es un biomaterial sintético con mínima variación de lote a producción de hornada; 2) SAPS tiene la capacidad de ser funcionalizados con secuencias de péptidos específicos; y 3) presenta programas de ajuste estructural baja biodegradabilidad en vitro, que permite el mantenimiento de la construcción 3D con las mismas propiedades biofísicas, biomecánicas y estructurales en el tiempo. Sin embargo, la limitación del uso de jugos versus otros andamios se encuentra en la etapa de encapsulación, donde las células están en un ambiente hostil debido a bajo pH. Por lo tanto, este es un paso crítico en la metodología descrita. Por otra parte, es importante establecer la concentración de programas de ajuste estructural para cada tipo de célula específica antes de empezar cualquier experimento. Esto es, de hecho, esencial cuando las células se cultivan en o en estos biomateriales, ya que cada tipo de célula particular se presentan condiciones de crecimiento óptimo de biomecánica.
Por último, creemos que el diseño y la fabricación de este tipo de andamio de biomaterial mejoraría el desarrollo de modelos de tejido 3D más fisiológica y confiable para ayudar a la industria farmacéutica para desarrollar mejores enfoques terapéuticos para medicina regenerativa, cáncer o tratamiento médico.
Los autores no tienen nada que revelar.
La investigación realizada por los autores fue apoyada en parte por subvenciones de la Unión Europea séptimo programa marco (FP7/2007-2013) bajo acuerdo de concesión no. 229239 y de la Fundación AO, exploratoria investigación colaborativa investigaciones programa aguda Cartílago daños/lesión, defecto (CRP ACI) bajo el proyecto Bioactive y biomiméticos andamios para regeneración de cartílago (BIOCART).
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Condrocitos articulares humanos (Ach) | Lonza | CC-2550 | |
| Solución peptídica RAD16-I (PuraMatrix) | Corning | 354250 | |
| Sacarosa (grado de cultivo de tejidos) | Sigma | S0389 | |
| Insertos de cultivo celular (0.4 y micro; poro m, 12 mm de diámetro) | Millipore | PICM01250 | |
| medio basal de condrocitos (CBM) | Lonza | CC-3217 | |
| SingleQuots of Growth Supplements Lonza | CC-4409 | ||
| Kit de Viabilidad/Citotoxicidad Vivo/Muerto Invitrogen | L3224 | ||
| Suero fetal bovino (FBS) | Lonza | DE14-801F | |
| Dexametasona | Sigma | D8893 | |
| Ácido L-ascórbico 2-fosfato (AA2P) | Sigma | A8960 | |
| Factor de crecimiento transformante humano-β 1 (TGF-y beta; 1) | Millipore | GF111 | |
| Tampón RIPA | Sigma | R0278 | |
| Cóctel de inhibidores de proteasa | Roche | 11836153001 | |
| Membrana de difluoruro de polivinilideno (PVDF) | Invitrogen | LC 2005 | |
| SuperSignal West Pico Sustrato quimioluminiscente | Thermo Scientific | 34080 | |
| Anti-Actin | SCBT | sc-1615 | |
| Anti-Colágeno I | Abcam | ab138492 | |
| Anti-Colágeno II | Abcam | ab3092 | |
| Anti-Colágeno X | Abcam | ab182563 | |
| Anticabra IgG-HRP | Abcam | ab97100 | |
| Anti-ratón IgG-HRP | Abcam | ab97023 | |
| Anti-conejo IgG-HRP | Abcam | ab97051 |