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Research Article
Mirali Pandya1, Wei Ma1,2, Huling Lyu1,3, Xianghong Luan1, Thomas G. H. Diekwisch1
1Center for Craniofacial Research and Diagnosis,Texas A&M College of Dentistry, 2Department of Stomatology,The Fourth Affiliated Hospital, Harbin Medical University, 3Key Laboratory of Oral Medicine,Guangzhou Insititute of Oral Disease, Stomatology Hospital of Guangzhou Medical University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Questo protocollo presenta un metodo per la coltura e la crescita 3D di cellule simili agli ameloblasti in microgravità per mantenere la loro forma allungata e polarizzata e l'espressione proteica specifica dello smalto. Sono inoltre descritte le condizioni di coltura per la coltura dei costrutti di ingegneria parodontale e degli organi polmonari in microgravità.
La gravità è uno dei determinanti chiave della funzione delle cellule umane, della proliferazione, dell'architettura citoscheletrica e dell'orientamento. I sistemi di bioreattori rotanti (RCCS) imitano la perdita di gravità che si verifica nello spazio e forniscono invece un ambiente di microgravità attraverso la rotazione continua di cellule o tessuti in coltura. Questi RCCS assicurano un apporto ininterrotto di nutrienti, fattori di crescita e trascrizione e ossigeno e affrontano alcune delle carenze delle forze gravitazionali in piatti immobili di coltura cellulare o di organi 2D (bidimensionali). Nel presente studio abbiamo utilizzato RCCS per co-coltivare cellule dell'ansa cervicale e cellule della polpa dentale per diventare ameloblasti, per caratterizzare le interazioni progenitore/scaffold parodontale e per determinare l'effetto dell'infiammazione sugli alveoli polmonari. Gli ambienti RCCS hanno facilitato la crescita di cellule simili agli ameloblasti, promosso la proliferazione dei progenitori parodontali in risposta ai rivestimenti dell'impalcatura e hanno permesso una valutazione degli effetti dei cambiamenti infiammatori sugli alveoli polmonari coltivati. Questo manoscritto riassume le condizioni ambientali, i materiali e le fasi lungo il percorso ed evidenzia aspetti critici e dettagli sperimentali. In conclusione, gli RCCS sono strumenti innovativi per padroneggiare la coltura e la crescita 3D (tridimensionale) di cellule in vitro e per consentire lo studio di sistemi cellulari o interazioni non suscettibili di classici ambienti di coltura 2D.
La gravità influenza tutti gli aspetti della vita sulla Terra, compresa la biologia delle singole cellule e la loro funzione all'interno degli organismi. Le cellule percepiscono la gravità attraverso i meccanorecettori e rispondono ai cambiamenti di gravità riconfigurando le architetture citoscheletriche e alterando la divisione cellulare 1,2,3. Altri effetti della microgravità includono la pressione idrostatica nelle vescicole piene di liquido, la sedimentazione degli organelli e la convezione guidata dalla galleggiabilità del flusso e del calore4. Gli studi sull'effetto della perdita di gravità sulle cellule e sugli organi umani sono stati originariamente condotti per simulare l'ambiente senza peso dello spazio sugli astronauti durante le missioni di volo spaziale5. Tuttavia, negli ultimi anni, queste tecnologie di bioreattori 3D originariamente sviluppate dalla NASA per simulare la microgravità stanno diventando sempre più rilevanti come nuovi approcci per la coltura di popolazioni cellulari che altrimenti non sarebbero suscettibili di sistemi di coltura 2D.
I bioreattori 3D simulano la microgravità facendo crescere cellule in sospensione e creando così un costante effetto di "caduta libera". Altri vantaggi dei bioreattori rotanti includono la mancanza di esposizione all'aria riscontrata nei sistemi di coltura degli organi, una riduzione dello stress di taglio e della turbolenza e una continua esposizione a un cambiamento dell'apporto di sostanze nutritive. Queste condizioni dinamiche fornite da un bioreattore Rotary Cell Culture System (RCCS) favoriscono la co-localizzazione spaziale e l'assemblaggio tridimensionale di singole cellule in aggregati 6,7.
Studi precedenti hanno dimostrato i vantaggi di un bioreattore rotativo per la rigenerazione ossea8, la coltura di germi dentali9 e per la coltura di cellule follicolari dentali umane10. C'è stato anche un rapporto che suggerisce che RCCS migliora la proliferazione delle cellule EOE e la differenziazione in ameloblasti11. Tuttavia, le cellule differenziate sono state considerate ameloblasti sulla base dell'immunofluorescenza dell'ameloblastina e/o dell'espressione di amelogenina da sola11 senza considerare la loro morfologia allungata o la forma cellulare polarizzata.
Oltre al bioreattore RWV (rotating wall vessels) sviluppato dalla NASA, altre tecnologie per generare aggregati 3D dalle cellule includono la levitazione magnetica, la macchina di posizionamento casuale (RPM) e il clinostato12. Per ottenere la levitazione magnetica, le cellule marcate con nanoparticelle magnetiche vengono levitate utilizzando una forza magnetica esterna, con conseguente formazione di strutture 3D prive di impalcature che sono state utilizzate per la biofabbricazione di strutture adipocitarie13,14,15. Un altro approccio per simulare la microgravità è la generazione di forze G multidirezionali controllando la rotazione simultanea su due assi con conseguente cancellazione del vettore di gravità cumulativo al centro di un dispositivo chiamato clinostat16. Quando le cellule staminali del midollo osseo sono state coltivate in un clinostat, la formazione di nuovo osso è stata inibita attraverso la soppressione della differenziazione degli osteoblasti, illustrando uno degli effetti dedifferenzianti della microgravità16.
I sistemi in vitro per facilitare la coltura fedele degli ameloblasti fornirebbero un importante passo avanti verso l'ingegneria dei tessuti dello smalto dei denti17. Sfortunatamente, fino ad oggi, la cultura degli ameloblasti è stata un'impresa impegnativa18,19. Finora, sono state descritte cinque diverse linee cellulari simili agli ameloblasti, tra cui la linea cellulare di ameloblasti di topo (ALC), la linea cellulare epiteliale dentale del ratto (HAT-7), la linea cellulare LS8 del topo20, la linea cellulare PABSo-E suina 21 e la linea cellulare SF2-24 del ratto22. Tuttavia, la maggior parte di queste cellule ha perso la loro caratteristica forma cellulare polarizzata nella coltura 2D.
Nel presente studio ci siamo rivolti a un sistema di bioreattore di coltura cellulare rotante (RCCS) per facilitare la crescita di cellule simili agli ameloblasti da epiteli dell'ansa cervicale co-coltivati con progenitori mesenchimali e per superare le sfide dei sistemi di coltura 2D, tra cui il ridotto flusso di nutrienti e i cambiamenti citoscheletrici dovuti alla gravità. Inoltre, l'RCCS ha fornito nuove strade per lo studio delle interazioni cellula/scaffold relative all'ingegneria del tessuto parodontale e per esaminare gli effetti dei mediatori infiammatori sui tessuti alveolari polmonari in vitro. Insieme, i risultati di questi studi evidenziano i benefici dei sistemi di coltura rotativa basati sulla microgravità per la propagazione di epiteli differenziati e per la valutazione degli effetti ambientali sulle cellule coltivate in vitro, comprese le interazioni cellula/scaffold e la risposta tissutale alle condizioni infiammatorie.
È stata ottenuta tutta l'approvazione istituzionale necessaria per garantire che lo studio fosse conforme alle linee guida istituzionali per la cura degli animali TAMU.
1. Assemblaggio e sterilizzazione del bioreattore
2. Scaffold utilizzati per l'esperimento di co-coltura di bioreattori
3. Dissezione dell'ansa cervicale (CL) e preparazione di singole cellule
4. Coltura cellulare della polpa dentale ed espansione della linea cellulare
5. Co-coltura di cellule dell'ansa cervicale/polpa dentale su un'impalcatura all'interno del bioreattore RCCS
6. Preparazione di organi polmonari e coltura basata su bioreattori
NOTA: E15 cuccioli di topo selvatico sono stati utilizzati per la preparazione di organi polmonari.
7. Scaffold rivestito con coltura cellulare del legamento parodontale umano (hPDL)
8. Pulizia e manutenzione del bioreattore
La camera interna del bioreattore fornisce un ambiente in cui le cellule possono proliferare e differenziarsi, attaccarsi a un'impalcatura o riunirsi per formare tessuti come assemblaggi. Ogni vaso HARV contiene fino a 10 ml di terreno e facilita una circolazione costante di sostanze nutritive in modo che ogni cellula abbia un'eccellente possibilità di sopravvivere. La figura 1A illustra il fissaggio delle porte della siringa alla piastra anteriore del recipiente in cui sono fissate le valvole sterili one-stop. Queste valvole fungono da portiere della camera di coltura. Il cambio del mezzo richiede l'apertura della valvola del rubinetto di arresto per facilitare il fissaggio di una siringa sterile contenente un mezzo fresco. L'ambiente di microgravità all'interno del bioreattore consente alle cellule di attaccarsi all'impalcatura all'interno del recipiente senza richiedere una previa semina sugli impalcature. L'impalcatura (Figure 1B e 1C) posta nel bioreattore ruota continuamente, consentendo alle cellule di attaccarsi alle superfici dell'impalcatura e formare reti citoscheletriche. La membrana ossigenatrice nella parte inferiore della piastra del vaso (Figura 1B) consente uno scambio continuo di gas per migliorare la sopravvivenza e la longevità delle cellule.
Sono stati testati vari scaffold per identificare l'impalcatura più compatibile con le celle. L'impalcatura nelle figure 2A e 2B è un foglio di grafene composto per il 75% da grafene e per il 25% da PLG (glicolide polilattico). Questa impalcatura elettricamente conduttiva viene spesso utilizzata per le cellule che possono richiedere una stimolazione elettrica, come le cellule muscolari scheletriche26. Nei nostri studi, l'impalcatura di collagene ha superato tutti gli altri studi testati in termini di biocompatibilità, promozione della crescita dei tessuti e differenziazione cellulare. La superficie porosa specializzata di questa impalcatura a base di collagene (Figura 2C e 2D) consente alle cellule e ai nutrienti di fluire attraverso l'impalcatura, aumentando l'area di attaccamento cellulare e la proliferazione cellulare.
La posizione dell'ansa cervicale in relazione alla mandibola del topo è illustrata nelle figure 3A e 3B. Per preparare le cellule dell'ansa cervicale dell'incisivo del topo, è stata sezionata una mandibola di topo scheletrizzata ed è stata esposta la porzione più distale dell'incisivo inferiore del topo. La posizione precisa dell'ansa cervicale resecata è delimitata nell'incisivo di topo postnatale di 6 giorni (Figura 3B), mentre una regione simile in una mandibola di topo scheletrato adulto è fornita come riferimento nella Figura 3A per scopi di orientamento. L'area dell'ansa cervicale corrispondente nello scheletrato adulto (Figura 3A) e l'incisivo di topo appena preparato 6 dpn è incorniciato da due linee spezzate (Figura 3A e B). La dentatura delle mandibole emiche è composta da tre molari mandibolari e un incisivo in continua crescita, mentre la nicchia cellulare dell'ansa cervicale è composta da una popolazione cellulare mista coinvolta nella formazione dello smalto come l'epitelio dello smalto interno, l'epitelio dello smalto esterno, il reticolo stellato e lo strato intermedio19.
La Figura 4 si concentra sulla differenziazione riuscita delle cellule dell'ansa cervicale in cellule allungate, polarizzate, che secernono cellule simili agli ameloblasti. I dati hanno rivelato che la differenziazione riuscita di cellule allungate, polarizzate, che secernono proteine dello smalto simili agli ameloblasti richiede la co-coltura delle cellule dell'ansa cervicale con cellule staminali mesenchimali come le cellule staminali della polpa dentale. Le cellule in coltura sono state dotate di un microambiente su misura come descritto nella fase 3 del protocollo, con conseguente formazione di cellule polarizzate con il nucleo a un'estremità e un lungo processo cellulare all'altra27, una caratteristica tipica degli ameloblasti (Figura 4A). L'applicazione di mezzi da soli e senza fattori di crescita e/o rivestimento di impalcatura ha portato a cellule dell'ansa cervicale che secernono proteine chiave dello smalto ma non si allungano o si polarizzano (Figura 4B).
Gli scaffold di collagene rivestiti e non rivestiti di galanina sono stati collocati in un bioreattore con cellule hPDL per quattordici giorni in un bioreattore. Le cellule sono sopravvissute a un periodo di coltura di due settimane nel sistema di coltura 3D e il gruppo scaffold rivestito di galanina ha dimostrato un tasso di proliferazione significativamente più elevato (Figura 5B) rispetto al gruppo di controllo contenente scaffold non rivestiti (Figura 5A). Le cellule del gruppo sperimentale hanno anche dimostrato un livello significativamente più elevato di matrice extracellulare contenente fibre del tessuto connettivo rispetto al controllo.
L'ambiente del bioreattore si è dimostrato efficace per la crescita dei segmenti polmonari in un ambiente di microgravità 3D (Figura 6). Per questo studio, segmenti di tessuto polmonare raccolti da topi E15 (Figura 6C) sono stati posti su una membrana di nitrocellulosa in un piatto di coltura di organi per due ore. Dopo l'attacco iniziale del tessuto alla membrana, il tessuto polmonare/tessuto composito della membrana nitrocellulare è stato posto nel contenitore del bioreattore ed è stato coltivato con successo per 10 giorni (Figura 6A). Per studiare gli effetti delle condizioni infiammatorie sulla crescita del tessuto polmonare, l'aggiunta di IL-6 al terreno di coltura ha determinato cambiamenti tipici associati all'infiammazione nella morfologia alveolare simili a quelli osservati in vivo (Figura 6B).

Figura 1. Componenti di un contenitore di bioreattore. La figura 1 illustra i componenti chiave di un contenitore di bioreattore e la loro posizione in una fase di pre-assemblaggio. (A) Posizione relativa della camera del reattore, delle porte delle siringhe e dell'impalcatura. (B) Posizione semiaperta della piastra anteriore (coperchio trasparente) e della piastra posteriore (piastra bianca coperta da membrana ossigenante). L'impalcatura è posizionata al centro tra la piastra anteriore e posteriore. L'impalcatura di grafene di colore nero (C) illustra come un'impalcatura viene posizionata all'interno del vaso e utilizzata come supporto per le cellule per proliferare, differenziarsi e formare una rete cellulare. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2. Illustrazioni rappresentative degli scaffold testati in questo studio. Cinque scaffold sono stati testati per i nostri studi sui bioreattori, di cui due esempi sono presentati qui. (A,B) rappresenta lo scaffold di grafene testato per la crescita cellulare simile all'ameloblasto, mentre (C,D) rappresenta lo scaffold di collagene di maggior successo per i nostri studi di coltura cellulare basati su bioreattori. Si noti la struttura porosa dello scaffold di collagene (C,D) rispetto alla matrice parallela di goffrature superficiali nello scaffold di grafene (A,B). (A,C) sono macrografie prese da una prospettiva perpendicolare mentre (B,D) sono state riprese con un angolo di 45°. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3. Preparazione dell'ansa cervicale. La mandibola di topo adulto scheletrata in A dimostra la regione dell'ansa cervicale utilizzata per preparare la nicchia cellulare per la coltura e la differenziazione cellulare simile all'ameloblasto. Questa macrografia illustra anche la posizione dei marcatori anatomici, tra cui l'incisivo a crescita continua (inc) che copre quasi l'intera lunghezza mandibolare, il primo molare mandibolare (m1) insieme all'angolo della mandibola, il processo coronoideo e la posizione del condilo mandibolare. Questa preparazione scheletrica serve come orientamento anatomico per la regione dell'ansa cervicale preparata in (B). I punti di riferimento includono l'osso mandibolare (mand), il tessuto della papilla dentale (DP), l'angolo della mandibola (Angle) e la posizione dell'ansa cervicale (CL) da cui sono state raccolte le cellule per i nostri studi sul bioreattore ameloblasto. La linea spezzata indica la porzione anteriore e distale della finestra mandibolare fenestrata preparata per la dissezione dell'ansa cervicale nella mandibola adulta scheletrizzata (A) e nella mandibola appena sezionata a 6 dpn (B). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4. Generazione di cellule simili agli ameloblasti utilizzando un approccio di co-coltura 3D. (A) Differenziazione riuscita di cellule simili ad ameloblasti da cellule dell'ansa cervicale co-coltivate con cellule staminali della polpa dentale in un microambiente adatto. La popolazione cellulare risultante era composta da cellule lunghe, allungate e polarizzate con la capacità di secernere proteine della matrice dello smalto. Queste cellule presentavano un nucleo ad un'estremità (nucl) e un processo cellulare (proc) simile al processo di Tomes come osservato nei veri ameloblasti all'altra estremità (A). (B) illustra una popolazione di cellule del gruppo di controllo che sono state anche sottoposte a condizioni di co-coltura, ma con mezzi privi di fattori di crescita o agenti di differenziazione, risultando in cellule arrotondate non rappresentative dei tipici ameloblasti. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5. Coltura 3D a lungo termine di una popolazione progenitrice parodontale unicellulare (PDL) con superfici di scaffold rivestite e non rivestite. Il rivestimento dello scaffold ha determinato un aumento del tasso di proliferazione delle cellule hPDL nelle cellule coltivate sullo scaffold rivestito di galanina (B) rispetto alle cellule del gruppo di controllo esposte a uno scaffold non rivestito (A). Le cellule del gruppo sperimentale hanno anche secreto più matrice extracellulare contenente fibre del tessuto connettivo rispetto al gruppo di controllo (B contro A). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6. Coltura di tessuto polmonare in un bioreattore. (A) Segmenti di tessuto polmonare E15 coltivati su una membrana di nitrocellulosa in un bioreattore per dieci giorni. (B) Segmenti di tessuto polmonare E15 simili a (A) ma sottoposti a condizioni infiammatorie aggiungendo IL-6 al mezzo (B). (C) Sezione di paraffina di un tessuto polmonare E15 appena sezionato colorato con H & E. Si notano somiglianze nelle morfologie delle cellule alveolari di tipo I e di tipo II quando si confrontano (A) e (C). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Questo protocollo presenta un metodo per la coltura e la crescita 3D di cellule simili agli ameloblasti in microgravità per mantenere la loro forma allungata e polarizzata e l'espressione proteica specifica dello smalto. Sono inoltre descritte le condizioni di coltura per la coltura dei costrutti di ingegneria parodontale e degli organi polmonari in microgravità.
Gli studi sono stati generosamente sostenuti da sovvenzioni del National Institute of Dental and Craniofacial Research (UG3-DE028869 e R01-DE027930).
| Antibiotico-antimicotico | ThermoFisher Scientfic | 15240096 | |
| Acido ascorbico | Sigma Aldrich | A4544 | |
| BGJb Fitton-Jackson Mezzi di modifica | ThermoFisher Scientfic | 12591 | |
| BIOST Ponteggio PGA | Synthecon | Custom | Disponibile presso l'azienda tramite un ordine personalizzato |
| BMP-2 | R& D Systems | 355-BM | |
| BMP-4 | R& D Systems | 314-BP | |
| DMEM Media | Sigma Aldrich | D6429-500mL | |
| FBS | ThermoFisher Scientfic | 16140071 | |
| Fibricol | Advanced Biomatrix | 5133-20mL | |
| Fibronectin | Corning | 354008 | |
| Galanin | Sigma Aldrich | G-0278 | |
| Disco di gelatina | Advanced Fogli di | grafene BiomatrixCytoForm 500 | |
| Biomatrix | CytoForm 300 | ||
| hEGF | Peprotech | AF-100-15 | |
| hFGF | ThermoFisher Scientfic | AA1-155 | |
| Disco di idrossiapatite | Advanced Biomatrix | CytoForm 200 | |
| Il-6 proteina | PeproTech | 200-06 | |
| Cheratinociti SFM media (1X) | ThermoFisher Scientfic | 17005042 | |
| Laminin | Corning | 354259 | |
| LRAP peptide | Peptide 2.0 Sequenza | personalizzata: MPLPPHPGSPGYINLSYEVLT PLKWYQSMIRQPPLSPILPEL PLEAWPATDKTKREEVD | |
| Matrigel | Corning | 354234 | |
| Millipore Membrana in nitrocellulosa | Merck Millipore | AABP04700 | |
| RCCS Bioreattore | Synthecon | RCCS 4HD | |
| SpongeCol | Advanced Biomatrix | 5135-25EA | |
| Valvola di sicurezza rubinetto unidirezionale con luer lock maschio girevole | Smiths Medical | MX5-61L | |
| Siringhe con ago 3cc | McKESSON | 16-SN3C211 | |
| Tripsina EDTA (0,25%) | ThermoFisher Scientfic | 25200056 |