Qui, presentiamo un protocollo per ottenere sistemi 3D-cultura in auto-assemblanti peptide impalcature per promuovere la differenziazione dei chondrocytes articolari umani dedifferentiated in cartilagine-come il tessuto.
Articolo metodologico
Qui, presentiamo un protocollo per ottenere sistemi 3D-cultura in auto-assemblanti peptide impalcature per promuovere la differenziazione dei chondrocytes articolari umani dedifferentiated in cartilagine-come il tessuto.
Una tecnica utile per la coltura di cellule in nanofibra autoassemblanti impalcatura tridimensionale (3D) è descritto. Questo sistema di coltura ricrea un ambiente che imita molto attentamente le caratteristiche strutturali del tessuto non polarizzato. Inoltre, la struttura particolare nanofibra intrinseco dell'impalcatura rende trasparente alla luce visibile, che consente una visualizzazione semplice del campione al microscopio. Questo vantaggio è stato ampiamente utilizzato per studiare la migrazione cellulare, organizzazione, proliferazione e differenziazione e così qualsiasi sviluppo della loro particolare funzione cellulare mediante colorazione con coloranti specifici o sonde. Inoltre, in questo lavoro descriviamo la buona prestazione di questo sistema per studiare facilmente la redifferentiation di espanso chondrocytes articolari umani in tessuto cartilaginoso. Cellule erano incapsulate in auto-assemblanti peptide impalcature e coltivate in condizioni specifiche per promuovere chondrogenesis. Le colture tridimensionali hanno mostrato buona redditività durante le 4 settimane dell'esperimento. Come previsto, campioni coltivati con induttori condrogenica (rispetto ai controlli non indotta) macchiato forte positivi per il blu di toluidina (che le macchie di glicosaminoglicani (gag) che sono altamente presenti nella matrice extracellulare della cartilagine) ed espresso marcatori molecolari specifici, tra cui collagene di tipo I, II e X, secondo analisi Western Blot. Questo protocollo è facile da eseguire e può essere utilizzato in laboratori di ricerca, industrie e per scopi didattici nei corsi di laboratorio.
Per molti decenni, coltura delle cellule dei mammiferi è stata eseguita in condizioni sperimentali, utilizzando sistemi di classica cultura bidimensionale (2D) a causa di problemi pratici ed economici indipendentemente gli aspetti non-fisiologica. Anche se questo sistema cultura aiuta a studiare e capire di più i meccanismi cellulari e molecolari, che conosciamo oggi sono necessari nuovi paradigmi di coltura delle cellule per studiare più complessi sistemi cellulari. Pertanto, sistemi tridimensionali (3D) cultura sono necessari per ricreare un microambiente che è biofisicamente, biomeccanico e biologicamente più simile a quella dei tessuti naturali. Negli ultimi anni, sistemi di coltura 3D, in generale, sono diventati più diffusi tra i ricercatori e l'industria rappresentano un nuovo modello di studio o di screening in cui le cellule possono crescere nello spazio, creare cellula--cellula o interazioni cellula-matrice, la migrazione e alla fine di differenziarsi in linee cellulari specifici.
L'obiettivo generale di questa metodologia è quello di ricreare un in vitro microambiente cellulare che è più vicino al microambiente in vivo . In particolare, lo scaffold sintetico di peptide autoassemblanti (SAPS) è un tipo di biomateriale con proprietà uniche; forma una rete di pori di dimensioni nanometriche fatto di interazioni deboli tra peptidi con proprietà meccaniche e strutturali simili quelli di matrici extracellulari naturale. In altre parole, la razionalità dietro l'uso di questo materiale è che crea un ambiente veramente 3D che è ideale per ottenere tessuti di pseudo-3D o unità di organo. Tuttavia, la cosa più importante, il contesto 3D permette di acquisire nuove funzioni biologiche che normalmente non sono presenti nelle piattaforme 2D cultura, come proprietà relazionati all'architettura dei tessuti, fenomeni di trasferimento di massa, cella patterning la struttura 3D e alla fine morfogenesi dei tessuti, che sono fattori chiave nella ricerca futura e nello sviluppo di tessuti funzionali e organi1,2. Inoltre, un vantaggio di SAPS sopra le loro controparti naturali (collagene, Matrigel) è che sono molto stabili a temperatura ambiente e non richiedono particolari condizioni di post-produzione, distribuzione o archiviazione3,4, 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. SAPS è facile da gestire, quando lo si desidera; 3d gel può essere ottenuta semplicemente aumentando la forza ionica o regolando il pH a neutralità1,2. Infine, la metodologia descritta qui è stato ampiamente utilizzato in vitro per promuovere la manutenzione, la crescita e la differenziazione di un certo numero di tipi di cellule, tra cui gli epatociti, cellule endoteliali, osteoblasti, condrociti, cellule neuronali pure come cellule staminali embrionali e somatiche3,4,5,6,7,8,9,10, 11 , 12 , 13 , 14 , 15. nel lavoro attuale, descriviamo l'uso di un sistema 3D-cultura a differenziarsi chondrocytes articolari espanso umani (hACh) in cartilagine-come il tessuto come descritto in precedenza11.
Qui, è descritto un metodo per cellule di cultura in un sistema 3D utilizzando SAPS. In questo biomateriale sintetico, cellule prima sono mescolate con una soluzione di peptide, che è successivamente indotto di auto-assemblarsi, creando una rete di dimensioni nanometriche intorno alle cellule e quindi creare un ambiente veramente 3D (Figura 1). È importante considerare che il comportamento cellulare è interessato da valori di rigidezza di matrix (vale a dire, proliferazione, migrazione e differenziazione). Di conseguenza, un controllo metodologico comune è quello di cellule di cultura in cima l'impalcatura del peptide con gli stessi valori di rigidità (cultura su due dimensioni).
1. auto-assemblanti Peptide impalcatura (SAPS) preparazione
2. preparazione della soluzione di cella
3. 3D Cell incapsulamento in SAPS
4. attuabilità in 3D-SAPS
5. differenziamento
6. toluidina blu colorazione (TB)
7. Western Blot
Nota: La procedura utilizzata in questo protocollo è stata precedentemente descritta nel riferimento11.
Nel presente lavoro, un protocollo semplice e veloce alle cellule di cultura in 3D utilizzando SAPS è descritto per ottenere dati qualitativi e quantitativi affidabili. SAPS crea un microambiente 3D con proprietà uniche che permettono alle cellule coltivate in condizioni desiderate per procedere alla manutenzione delle cellule, proliferazione e/o differenziazione3,4,5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12. nel nostro gruppo, diversi studi sono stati effettuati utilizzando cellule di tessuto adiposo umano derivato progenitrici (hAPC), espanso chondrocytes articolari umani (hACh) e fibroblasti cutanei umani normali (hNDF) alla cultura, espandere e differenziarli in cartilagine-come il tessuto10,11,12. Qui, descriviamo la cultura 3D e la re-differenziazione di hACh espansa nel tessuto della cartilagine-come, come descritto in precedenza11. Quindi, abbiamo incapsulano le cellule in 3D-SAPS e cultura li in mezzo di induzione condrogenica, come descritto in Figura 1 (e nel protocollo). Dopo 24 h, i campioni sono stati valutati per la vitalità con le analisi di fattibilità/citotossicità Live/Dead. I risultati indicano che una piccola percentuale delle cellule erano morta (rosso) dopo 5 giorni di incapsulamento e quasi nessun cellule morte sono state osservate dopo 4 settimane di cultura (Figura 2). Successivamente, li abbiamo macchiato per la deposizione di glicosaminoglicani (GAG) presso la matrice extracellulare, utilizzando il metodo di colorazione blu di toluidina. Come previsto, il gruppo di induzione ha risposto correttamente al trattamento, mostrando forte colorazione (Figura 2).
Infine, marcatori molecolari degli indicatori Condrogenesi e ipertrofia, compreso il collagene di tipo I, II e X, sono stati analizzati mediante western blot (Figura 3). Collagene di tipo che i (COL1) stavo osservato nei sistemi 2D e 3D, ma una banda inferiore di ~ 130 kDa (che rappresentano le proteine trasformate di COL1 matura per essere assemblato presso la matrice extracellulare) è stato osservato solo in 3D. Questo risultato indica chiaramente che le cellule in fase di differenziazione in tre dimensioni procedere in modo più fisiologico. Notevolmente, collagene di tipo II (COL2) è stato rilevato - come una singola banda di peso molecolare previsto presente presso la matrice extracellulare - solo in 3D costrutti coltivate in condizioni di chondrogenic. Infine, collagene di tipo X (COL10) è stato rilevato nei costrutti sia 2D che 3D, coltivate in condizioni di chondrogenic, che indica un certo grado di ipertrofia dopo 4 settimane di cultura.

Figura 1: rappresentazione schematica di incapsulamento di cellule in 3D-SAPS. Rappresentazione schematica del incapsulamento hACh è descritto per ottenere cellule dislocate casualmente all'interno di 3D-SAPS. 1. auto-assemblanti preparazione del peptide dell'impalcatura (SAPS); 2. cella preparazione della sospensione; e 3. 3D-cell incapsulamento in SAPS. Si noti che lo schema elettrico Mostra solo passaggi 3.1-3.4.

Figura 2: differenziazione condrogenica e prestazioni nelle culture di 3D-SAPS cellulare. Macchiatura di attuabilità delle cellule eseguita a 5 giorni e 4 settimane di cultura rilevato sotto un microscopio a fluorescenza (cellule vive in cellule verde e morte in rosso). Scala bar = 200 µm. impegno generale chondrogenesis valutata dal blu di toluidina colorazione (i glycosaminoglycans solfonati in blu) di 3D-SAPS costrutti coltivate nei mezzi di controllo e chondrogenic. Scala bar = 500 µm. Questa figura è stata modificata da L. Recha-Sancho et al. 11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: collagene I, II e X espressione di hACh in fase di chondrogenesis. hACh coltivate in un monostrato di 2D e 3D-SAPS dopo 4 settimane in chondrogenic media e controlli sono stati valutati per l'espressione del collagene di tipo I (COL1), collagene di tipo II (COL2) e collagene di tipo X (COL10). Espressione dell'actina è stata utilizzata come controllo interno. Questa figura è stata modificata da L. Recha-Sancho et al. 11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In precedenza, il nostro gruppo ed altri hanno descritto l'uso di piattaforme di tridimensionale (3D) cultura con cella diversi sistemi3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15. Nel lavoro attuale, descriviamo un metodo facile e affidabile di ottenere cultura 3D sistemi che sono applicabili a qualsiasi tipo di cellule di mammiferi tra cui qualsiasi tipo di cellula funzionale, embrionale o adulto cellule staminali, o alla fine, le cellule disfunzionali isolate da le biopsie o tumori e così via. Inoltre, in modo indipendente, se le cellule staminali sono di origine embrionale o adulto avrebbero una migliore capacità di impegno di lignaggio nell'ambiente 3D che in 2D classica cultura piatti10,11,12, 13,14,15. Di conseguenza, la coltura delle cellule in questo sistema porterebbe alla differenziazione in funzionale tessuto-come le strutture che potrebbero essere utilizzate in svariate applicazioni, dalla biomedicina riparativa o rigenerativa per piattaforme tossicologiche e farmacologiche.
Abbiamo dimostrato un chiaro aumento nella funzione delle cellule perché il microambiente cellulare è simile a quella dei tessuti naturali in termini di struttura matrix e parametri biomeccanici, biofisici e biologici. Tuttavia, come il sistema diventa più complesso, il numero di parametri che devono essere regolati anche aumenti, che comprende la necessità di una piattaforma di supporto esterna (ad esempio di un sistema di perfusione attiva per evitare problemi associati a fenomeni di trasferimento di massa ). Cellule coltivate tridimensionalmente le prestazioni migliori in termini che regolano le attività essenziali, quali la migrazione, proliferazione e differenziazione. Potrebbe formano reti complesse consentendo diafonia cellulare avanzata, che è di gran lunga una conseguenza essenziale di crescita e di differenziazione in 3D. Il fatto che i succhi potrebbe creare condizioni in vitro simile a quelle della matrice extracellulare proteine rappresenta un vantaggio poiché uno studio razionale dell'effetto prodotto per ogni componente aggiunto al patibolo (fattore di crescita, polisaccaride o segnalazione peptide) potrebbe essere facilmente portato.
I chiari vantaggi dell'uso di SAPS rispetto ad altri scaffold naturali, come collagene di tipo I e Matrigel, sono i seguenti: 1) SAPS è un biomateriale sintetico con minime variazioni da lotto a lotti di produzione; 2) SAPS ha la capacità di essere funzionalizzati con motivi di peptide specifico; e 3) presenta SAPS bassa biodegradabilità in vitro, che permette il mantenimento del costrutto 3D con le stesse proprietà biofisiche, biomeccaniche e strutturali nel corso del tempo. Tuttavia, la limitazione dell'utilizzo di SAPS contro altri ponteggi è trovato durante la fase di incapsulamento, dove le cellule sono in un ambiente ostile a causa del basso pH. Pertanto, questo è un passaggio fondamentale nella metodologia descritta. Inoltre, è importante impostare la concentrazione di SAPS per ciascun tipo di cella specifica prima di iniziare qualsiasi esperimento. Questo è, infatti, essenziale quando le cellule sono coltivate su o dentro questi biomateriali, poiché ogni tipo di cellula particolare presenterà condizioni di crescita ottimali biomeccanico.
Infine, riteniamo che la progettazione e la fabbricazione di questo tipo di ponteggio biomateriale potrebbe migliorare lo sviluppo di modelli 3D del tessuto più fisiologiche ed affidabili per aiutare l'industria farmaceutica a sviluppare migliori approcci terapeutici per medicina rigenerativa, cancro o qualsiasi trattamento medico.
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
La ricerca effettuata dagli autori è stata sostenuta in parte da sovvenzioni dall'Unione europea settimo programma quadro (FP7/2007-2013) sotto Grant accordo n. 229239 e dalla Fondazione AO, esplorativo ricerca collaborativa ricerca programma acuta Cartilagine ferita/lesione/difetto (CRP ACI) nell'ambito del progetto Bioactive e biomimetici scaffold per la rigenerazione della cartilagine (BIOCART).
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Condrociti articolari umani (Ach) | Lonza | CC-2550 | |
| RAD16-I (PuraMatrix) | Corning | 354250 | |
| Saccarosio (grado di coltura tissutale) | Sigma | S0389 | |
| Inserti per colture cellulari (0,4 &; m poro, diametro 12 mm) | Millipore | PICM01250 | |
| Condrociti Basal Medium (CBM) | Lonza | CC-3217 | |
| SingleQuots of Growth Supplements | Lonza | CC-4409 | |
| Live/Dead Viability/Cytotoxicity Kit | Invitrogen | L3224 | |
| Siero fetale bovino (FBS) | Lonza | DE14-801F | |
| Desametasone | Sigma | D8893 | |
| Acido L-ascorbico 2-fosfato (AA2P) | Sigma | A8960 | |
| Fattore di crescita trasformante umano-β 1 (TGF-β 1) | Millipore | GF111 | |
| tampone RIPA | Sigma | R0278 | |
| Cocktail di inibitori della proteasi | Roche | 11836153001 | |
| Membrana in polivinilidene difluoruro (PVDF) | Invitrogen | LC 2005 | |
| SuperSignal West Pico Substrato chemiluminescente | Thermo Scientific | 34080 | |
| Anti-actina | SCBT | sc-1615 | |
| Anti-collagene I | Abcam | ab138492 | |
| Anti-collagene II | Abcam | ab3092 | |
| Anti-collagene X | Abcam | ab182563 | |
| Anticapra IgG-HRP | Abcam | ab97100 | |
| Anti-topo IgG-HRP | Abcam | ab97023 | |
| Anti-coniglio IgG-HRP | Abcam | ab97051 |