Ici, nous démontrons comment les cellules épithéliales cultivées avec des fibroblastes dans le système à deux couches basé sur une membrane nanofibreuse peuvent adhérer de manière stable et se développer sur la membrane.
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Article de méthode
Ici, nous démontrons comment les cellules épithéliales cultivées avec des fibroblastes dans le système à deux couches basé sur une membrane nanofibreuse peuvent adhérer de manière stable et se développer sur la membrane.
Les obstacles techniques dans une culture de cellules épithéliales comprennent la dédifférenciation et la perte de fonction. Les méthodes de culture cellulaire tridimensionnelle (3D) biomimétique peuvent améliorer l’efficacité de la culture cellulaire. Cette étude présente un système de culture avancé à deux couches destiné à cultiver des cellules épithéliales sous forme de couches tissulaires avec la culture de fibroblastes dans un environnement 3D. Des membranes nanofibreuses (NM) d’alcool polyvinylique (PVA) et de poly(ε-caprolactone) (PCL) ont été fabriquées par électrofilage et utilisées comme matrice extracellulaire physiologiquement pertinente pour la culture de cellules épithéliales et de fibroblastes, respectivement. Dans les puits d’insertion supérieurs, les cellules épithéliales pulmonaires ont été cultivées sur le NM PVA, et dans les chambres inférieures, les fibroblastes ont été cultivés sur le NM PCL. Cette configuration élimine le contact direct entre les cellules et facilite l’examen de la signalisation paracrine médiée par des facteurs solubles. La microscopie confocale a été utilisée pour analyser la distribution, le modèle de croissance et l’expression des protéines intracellulaires, y compris la zone occluse dans les cellules épithéliales. Les techniques d’empilement en Z ont permis des reconstructions 3D détaillées, fournissant des informations précises sur l’intégrité des jonctions serrées et l’organisation spatiale au sein de la couche épithéliale. La microscopie électronique à balayage (MEB) a évalué les caractéristiques morphologiques des types de cellules sur les membranes nanofibreuses. L’imagerie MEB a révélé des structures complexes à la surface des cellules et des interactions avec les nanofibres, offrant une perspective complète sur l’architecture cellulaire et l’interaction cellulaire avec la structure nanofibreuse. Le test Cell Counting Kit-8 (CCK-8) est une méthode simple pour mesurer les taux de croissance des cellules épithéliales et des fibroblastes au fil du temps. Il fournit les comportements prolifératifs et les effets synergiques potentiels de la culture de ces cellules. Ces résultats mettent en évidence l’efficacité d’un système de co-culture simple pour la culture simultanée de fibroblastes et de cellules épithéliales, ce qui est crucial dans divers contextes physiologiques et pharmacologiques, y compris la régénération du tissu épithélial, le microenvironnement tumoral avec des cellules endothéliales, immunitaires et autres cellules stroma, le test de toxicité et le test d’activité médicamenteuse.
Au fil des décennies, la culture monocouche bidimensionnelle (2D) classique a été essentielle pour comprendre les infections, la pharmacologie et la toxicologie 1,2. Cependant, il est important de tenir compte de la complexité, des interactions dynamiques entre les multi-compositions et de l’architecture tridimensionnelle (3D) du microenvironnement tissulaire. Ainsi, la culture cellulaire 2D a des limites pour imiter les structures tissulaires 3,4. Par exemple, il y a un manque de signalisation de cellule à cellule et de matrice cellulaire à extracellulaire (ECM), qui est essentielle à la différenciation, à la prolifération et aux fonctions cellulaires dans le microenvironnement vivo. Pour ces raisons, les systèmes de cultures cellulaires 3D ont été développés5. Les cellules en culture 3D se développent et interagissent avec la matrice extracellulaire environnante en trois dimensions. De plus, une approche de coculture 3D, composée de plus d’un type de cellule, a été développée pour combler le fossé entre les modèles simplistes de type unicellulaire in vitro et les interactions cellulaires dynamiques qui se produisent in vivo6. Les systèmes de coculture 3D ont gagné en popularité dans l’étude de la communication cellule-cellule et des interactions cellule-matrice extracellulaire (ECM) 7,8,9,10. Les systèmes de coculture 3D actuels ont plusieurs formes et peuvent être séparés en coculture directe et indirecte 8,9. Dans la coculture directe, diverses fonctions cellulaires dans les cellules cultivées peuvent être principalement affectées par le contact direct plutôt que par des effets paracrines. En comparaison, la coculture indirecte présente un plus grand avantage pour étudier l’interaction paracrine en utilisant des barrières ou des couches pour séparer différents types de cellules.
Divers matériaux et méthodes sont utilisés pour fabriquer des échafaudages biomimétiques imitant l’ECM à l’aide de substances biocompatibles et biodégradables10. La structure d’échafaudage nanofibreuse imite la configuration de l’ECM native dans les tissus biologiques, fournissant une architecture 3D pour la culture cellulaire11,12. Les membranes nanofibreuses (NM) électrofilées ont été utilisées dans la coculture directe et indirecte de différents types de cellules 13,14,15.
Les cellules épithéliales forment une barrière physique des principaux organes, tandis que les fibroblastes sont des cellules de stroma prédominantes qui médient le remodelage de l’ECM et régulent l’épithélium voisin 6,16,17. Les cellules épithéliales et les fibroblastes interagissent avec la laminine dans la membrane basale et la fibronectine dans la matrice interstitielle, respectivement, par le biais des récepteurs de l’intégrine à la surface cellulaire18. Lorsque les cellules épithéliales sont cultivées sur des NM poly(alcool vinylique) (PVA) d’un diamètre de 150 à 250 nm et de micropores, elles forment des couches multiples au lieu d’agrégats cellulaires et de sphéroïdes, et leurs schémas de croissance sont similaires à ceux des cellules du tissu épithélial19. En comparaison, les NM poly(caprolactone) (PCL) avec des diamètres de 400 à 1 500 nm et des micropores de 10 à 50 μm offrent une dimensionnalité spatiale similaire à la matrice interstitielle pour la croissance des fibroblastes en culture13,14. En raison de leur biocompatibilité, les membranes PVA et PCL sont des polymères couramment utilisés dans l’ingénierie tissulaire20,21.
Cette étude présente un système de culture avancé à deux couches utilisant des NM électrofilés poreux pour cultiver des cellules épithéliales sous forme de couches de type tissulaire et de fibroblastes au sein d’une structure 3D. Le protocole peut être divisé en cinq étapes clés : la fabrication des nanofibres, la post-réticulation et l’évaluation de la qualité des fibres, la préparation du puits de culture membranaire, l’ensemencement cellulaire et la coculture 3D, et les tests de cellules cultivées en 3D.
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1. Fabrication de nanofibres PVA stables à l’eau
2. Traitement d’une membrane nanofibreuse PVA avec de la vapeur d’acide chlorhydrique (HCl) et évaluation de la qualité de la fibre
REMARQUE : La stabilité de l’eau des NM PVA est bien préservée après la réaction de post-réticulation par la vapeur de HCl. Ce processus est optimisé pour l’épaisseur, la taille des pores et la rugosité des NM. Le PVA est un polymère très hydrophile, et les nanofibres de PVA électrofilées sont instables au contact de l’eau et dans des conditions humides. Les NM PVA doivent être traités avec de la vapeur de HCl juste après la fabrication du polymère PVA.
3. Fabrication de nanofibres PCL et évaluation de la qualité des nanofibres
4. Assemblage de deux couches de membranes dans un trans-puits
REMARQUE : Dans ce protocole, nous utilisons une plaque de 24 puits et son puits d’insertion respectif. Le PVA NM est fixé au puits d’insertion, tandis que le PCL NM est fixé au puits inférieur.
5. Ensemencement cellulaire et assemblage de deux couches pour le modèle de coculture
REMARQUE : Les cellules MLE-12 ont été cultivées dans 1 milieu DMEM (DMEM)/F12 modifié de Dulbecco avec 10 % de sérum fœtal bovin (FBS) et 1 % d’antibiotique pénicilline/streptomycine. Les cellules NIH3T3 ont été cultivées dans 1x DMEM à haute teneur en glucose avec 10 % de FBS et 1 % d’antibiotique pénicilline/streptomycine.
6. Essai de distribution cellulaire
7. Observations confocales de cellules cocultivées en 3D
REMARQUE : La fixation des cellules épithéliales à un NM PVA est faible par rapport à celle des fibroblastes à un NM PCL. Jetez manuellement les anciens fluides par aspiration à la pipette et ajoutez doucement le nouveau support ou la solution sur la paroi des puits. Pendant le processus de coloration, essayez de ne pas laisser sécher les membranes.
REMARQUE : La fixation des cellules peut être améliorée en enrobant la laminine ou en incorporant des peptides de motifs de liaison à l’intégrine dans les nanofibres PVA19.
8. Dosage de l’attachement cellulaire aux nanofibres
9. Essai de croissance cellulaire
REMARQUE : Dans ce protocole, le test CCK-8 est utilisé pour quantifier le taux de croissance cellulaire en suivant les instructions du fabricant.
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Ce protocole décrit les étapes critiques de la coculture des cellules épithéliales pulmonaires MLE-12 et des fibroblastes NIH3T3 en construisant un modèle à deux couches basé sur une membrane nanofibreuse (Figure 1). Ce modèle convient à l’imagerie de cellules vivantes, à l’immunohistochimie et à l’analyse quantitative des paramètres d’évaluation des cellules co-cultivées. D’autres types de cellules peuvent également être utilisés en optimisant la densité cellulaire et les conditions de croi...
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Le passage de la culture 2D aux modèles de culture 3D représente une avancée significative dans le développement de modèles de coculture in vitro . Un modèle de culture 3D doit imiter le microenvironnement tissulaire dans lequel les cellules peuvent proliférer, s’agréger et se différencier22. L’utilisation de modèles de coculture 3D basés sur des échafaudages améliore la réplication de l’architecture tissulaire. Dans cette étude, un système trans-puits ba...
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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Ce travail a été soutenu par une subvention du Projet coréen de recherche et développement en technologie de la santé par l’intermédiaire de l’Institut coréen de développement de l’industrie de la santé (KHIDI), financé par le ministère de la Santé et du Bien-être social de la République de Corée (HR16C0001) ; le projet de renforcement des capacités de recherche en sciences fondamentales par le biais de la subvention de l’Institut coréen des sciences fondamentales (Centre national des installations et équipements de recherche) financée par le ministère de l’Éducation (2019R1A6C1010003) ; et les subventions de la Fondation nationale de la recherche de Corée (NRF) financées par le gouvernement coréen (MSIT) (2022R1A4A5032702).
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| 0,05 % Trypsine/EDTA | Welgene | LS015-01 | |
| 100x Péniciline/Streptomycine | Gibco | 10378016 | |
| 20x PBS | Solution LPS | CBP007A | |
| 4 % Paraformaldéhyde | Biosesang | PC2031-050-00 | |
| Alexa Fluor-594 Anticorps ZO-1 conjugué | Invitrogen | 339194 | |
| Diluant d’anticorps OP Quanto | Epredia | 10129-576 | |
| CCK-8 kit de dosage | Donginbio | CCK-3000 | |
| Boîte de culture cellulaire (150x20) | SPL | 20151 | |
| CellTracker Vert CMFDA | Invitrogen | C7025 | |
| CellTracker Rouge CMTPX | Invitrogen | C34552 | |
| Chloroforme | Samchun | C0584 | |
| Tube conique | SPL | 50050 | |
| Verre de couverture | Corning | CLS2980245 | |
| DMEM haute teneur en glucose | Welgene | LM001-05 | |
| DMEM/F12 | Welgene | LM 002-05 | |
| DURAN Bases de dessiccateur avec bride plane, filetage | DWK Life Sciences ; | 7.022 260 | |
| DURAN Couvercle de dessiccateur en verre & Robinet | d’arrêt Daihan Science | SM.2444061 | |
| DURAN Robinet d’arrêt, avec broche en PTFE | DWK Life Sciences ; | ||
| Machine d’électrofilage | NanoNC | ESR200RD | |
| Alcool éthylique, Pure | Sigma Aldrich | 459844 | |
| FBS | Sigma Aldrich | TMS-013-BKR ; | |
| Laser à fluorescence Module de scanner confocal K1-fluo | Systèmes de nanoscope | ||
| Gel/monture | Biomeda ;Corp. | M01 | |
| Glutaraldéhyde solution | Sigma Aldrich | 340855 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H1399 | |
| Buse métallique 27G | NanoNC | ||
| Vernis à ongles | Nature republic | ||
| Sérum de chèvre normal | Vector Laboratories Vector Laboratories | S-1000 | |
| Tétroxyde d’osmium | Sigma Aldrich | 201030 | |
| Phalloidin-iFlour 488 | abcam | ab176753 | |
| Serrure Syringe_Lure en plastique (10 mL) | HENKE SASS WOLF | AL10 | |
| Poly(acide acrylique) | Sigma Aldrich | 323667 | |
| Poly(alcool vinylique) | Sigma Aldrich | 341584 | |
| Polycaprolactone | Sigma Aldrich | 440744 | |
| Pure HCL | Duksan | 1129 | |
| Microscopie électronique à balayage | SEC | SNE-4500M | |
| Verre à lames | Marienfeld Superior | K15663717 | |
| Sylgard 184 set | omniscience OMNISCIENCE | OMNI.05255 | |
| Synergy H1 Lecteur multimode | Biotek | ||
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 |
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