Name: lung decellularization and recellularization
Uploaded: 2023-04-30T06:33:07.000Z
Duration: 8 min 45 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">部分的または全体の臓器の培養は、順番に正確にモデル組織と臓器機能各種のテスト条件で使われます。全体の器官培養は、ネイティブの器官の構造を利用するために摘出器官または細胞の除去の decellularization を含むことができます。その後に、新しい細胞と recellularization が続きます。特殊なバイオリアクターの使用は、体の組織の成長を模倣する recellularization プロセスに組み込まれています。このビデオは全臓器培養の背後にある基本原理を紹介し、研究室では、手順をデモンストレーションします。</div><div class="chapter_text" id="script_1">このプロセスは、ドナーの臓器を収穫始まります。この例では、猿からドナー肺を示します。洗剤灌流と呼ばれるプロセスを通じて、ネイティブ セル人口の洗浄のシリーズによって孤立した器官を浄化する体系的には。滅菌無細胞性臓器マトリックスに終って。次に組織のマトリックスは、幹細胞などの特定の細胞型を使用して recellularized です。セルは、設計されたティッシュを受け取っている人によって寄付することができます。自家細胞移植と呼ばれます。これは拒絶反応を軽減し、臓器の生体適合性を高めます。また、別のドナーからの細胞を使用できます。同種移植と呼ばれます。これ追求されるべき十分な細胞数は潜在的な受信者から収穫することはできません必要があります。セルは、器官のシードされて組織バイオリアクター細胞増殖と直接組織の成長を刺激するために使用されます。これらの原子炉は、動的に器官の文化や生体内でネイティブ環境を模倣を目指しています。たとえば、臓器は、血液の流れをシミュレートするために蠕動性ポンプに接続できます。器官培養のプリンシパルを学んだ今、ドナーの肺の全体の器官培養を含む手順の例を見てをみましょう。</div><div class="chapter_text" id="script_2">ドナーを開始するには、肺は解剖トレイと cannulated 女性ルアーロック コネクタを開いて空洞に導入することにより肺動脈に配置されます。2 番目の女性のルアーロック コネクタに気管の開口部に挿入されます。リン酸緩衝生理食塩水またはヘパリンのミリリットル当たり 30 単位とニトロプルシド ナトリウムの 1 ミリリットルあたり 5 マイクログラムを含む PBS は、血管や肺から閉じ込められた空気の除去の拡大を容易にする、注入します。ソリューションは自然な反跳によって追放され、繰り返す任意の残留血液を溶解する肺のソリューションを保持するためのカニューレをキャッピングする前にさらに 2 回。両心房の裂傷、やルアーの気管カニューレのキャップを削除すると、排液を容易にします。灌流が PBS、ヘパリン ナトリウムのニトロプルシド ソリューションとして多くの血液まで続けて可能性が肺の血管から削除されます。Decellurization は、まず肺が膨張させ、脱イオン水で浸透します。5 つの動脈と血管の洗浄後肺は水から取り外され、トリトン、最小限オルガン マトリックスに影響を与えるしながらセルを削除すると呼ばれる洗剤に浸漬します。肺の膨張が 2 回にはもっと、トリトンのソリューションで、4 つの摂氏温度で一晩インキュベートする前に。孵化後肺は新鮮な純水で、5 回以上を洗っています。次に、肺は 2% ナトリウム デオキシ コール酸溶液に浸漬し、いくつか洗浄水及び緩衝液、decellularization、細胞残屑の除去を容易にすると、複数回。ときに完全に浄化器官は使用するまで 4 つの摂氏温度で滅菌 PBS 溶液に格納されます。</div><div class="chapter_text" id="script_3">肺の自然現象を模倣するには、特殊なバイオリアクター使用できます、ここで示されているような。まず、原子炉の主室は、5% の二酸化炭素の大気に平衡している培養液でいっぱいです。その後、臓器がインストールされています。一度接続する蓋を確保し、すべての空気が注射器を使用してチューブから削除されます。汚泥は、平衡に組織文化のインキュベーターに移動されます。次に、2 分ごとに肺、約、1 つの完全に息を換気します。媒体が約 10 ミリ リットル/分、30 分の合計で、蠕動ポンプを介して、血管を介して配布されます。</div><div class="chapter_text" id="script_4">気道播種、肺の膨張している、細胞の懸濁液含まれている骨髄由来間葉系幹細胞。肺胞は、酸素と二酸化炭素を担当、肺で行われるガス交換を recellularize します。肺に、一晩、decellularized の行列に接続するセルを許可するように孵化します。一晩インキュベートした後換気が再開始され、細胞を数日間オルガン行列で成長すること。次血管播種は、蠕動ポンプを使用して小型船舶の recellularization を開始する内皮細胞の段階的な導入が完了です。培養細胞の正確な臓器の開発を容易にするいくつかの時間のために静的にします。培養液中に循環し、成長と動的条件下で添付ファイルを促進するために週の細胞を培養しています。組織の成長が完了すると、添付ファイルと間葉系幹細胞と血管と臓器の気道の血管内皮細胞の両方の成長を確認する組織が実行されます。組織は間葉系幹細胞と血管内皮細胞のマトリックス足場と小血管内にある肺胞への愛着を示しています。ネイティブの肺組織の外観を作成します。</div><div class="chapter_text" id="script_5">今、あなたは全体の器官培養について学んだ、再生医学、臓器置換の主な焦点の外のこの技術のいくつかの実用的なアプリケーションを見てをみましょう。全体の器官培養は、医薬品や薬物送達デバイスをテストする方法としても使用できます。この研究マウス萌芽期の甲状腺にいた仔培養などとして活用の実験的薬剤を観察する臓器モデルは臓器や組織を通じて転送されます。このシミュレーションはどのように薬のより現実的な表現につながる可能性があります最終的には、体内器官内で転送。最後に、全体の器官培養は、様々 な条件の下で組織の行動を研究する使用できます。たとえば、椎間板が椎間板変性の可能なメカニズムを研究する牛の尾から収穫されました。これらの荷重が変性にどのような影響を与えるかを理解するためにディスク上の機械的負荷を誘導する、特別に設計されたバイオリアクターが採用されました。</div><div class="chapter_text" id="script_6">ゼウスのビデオ全体の臓器培養のだけ見た。あなたはどのように全体の器官を理解する必要があります今、培養試験管とバイオ エンジニア リング分野にこの手法をどのように適用することができます。見ていただきありがとうございます。</div>

全臓器培養

全臓器は培養前のヴィヴォ修理または交換のすべての臓器を目標に特化したバイオリアクターを使用することができます。このメソッドは、新しい細胞をドナー臓器が立体構造を残して、すべてのセルの除去は、再作成を使用します。このビデオは、肺の全体の器官培養を示し、どのように体の機械的刺激を模した動的文化ネイティブの組織プロパティを誘導する必要があるが表示されます。

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors&#160;with the goal of repairing or replacing entire organs. This method uses a donor ...

臓器の一部または全体のin vitro培養は、さまざまな試験条件で組織および臓器の機能を正確にモデル化するためによく使用されます。全臓器培養には、天然の臓器構造を利用するために、切除された臓器の脱細胞化または細胞の除去が含まれる場合があります。これに続いて、新しい細胞による再細胞化が行われます。特殊なバイオリアクターの使用は、体内の組織成長を模倣するために、しばしば再細胞化プロセスに組み込まれます。このビデオでは、全臓器組織培養の基本的な原理を紹介し、実験室での手順を実演します。このプロセスは、ドナーの臓器を採取することから始まります。この例では、サルのドナー肺を示しています。界面活性剤灌流と呼ばれるプロセスを通じて、単離された臓器は、一連の洗浄によってその天然細胞集団を体系的に洗浄し、無菌の無細胞臓器マトリックスをもたらします。次に、確立された幹細胞株などの特定の細胞タイプを使用して、組織マトリックスを再細胞化します。細胞は、自家細胞移植と呼ばれる、人工組織を受けている人によって提供することもできます。これにより、拒絶反応が軽減され、臓器の生体適合性が向上します。あるいは、同種移植と呼ばれる別のドナーからの細胞を使用することもできます。これは、潜在的なレシピエントから十分な数の細胞を採取できない場合に追求する必要があるかもしれません。細胞が臓器に播種されると、組織バイオリアクターを使用して細胞増殖を刺激し、組織の増殖を指示します。これらのリアクターは、臓器を動的に培養し、生体内で見られる天然環境を模倣することを目的としています。たとえば、臓器を蠕動ポンプに接続して、血流をシミュレートできます。臓器培養の原則について学んだところで、ドナーの肺の臓器培養全体を含む手順の例を見てみましょう。まず、ドナーの肺を解剖トレイに入れ、開いた空洞にメスのルアーコネクタを導入することにより肺動脈をカニューレで挿入します。次に、2 番目のメス ルアー コネクタを気管開口部に挿入します。次に、ヘパリン1ミリリットルあたり30単位とニトロプルシドナトリウム1ミリリットルあたり5マイクログラムを含むリン酸緩衝生理食塩水またはPBSを点眼して、血管を広げ、肺から閉じ込められた空気の除去を促進します。溶液は自然な反動によって排出され、カニューレをキャップする前にさらに2回繰り返され、肺に溶液を保持して残留血液を溶解します。次に、両方の心房が裂傷し、気管ルアーカニューレキャップが取り外され、体液の排出が促進されます。灌流は、肺血管系からできるだけ多くの血液が除去されるまで、PBS、ヘパリン、およびニトロプルシドナトリウム溶液で継続されます。脱房化を開始するには、肺を膨らませて脱イオン水に浸透させます。動脈洗浄と血管洗浄を5回行った後、肺を水から取り出し、トリトンと呼ばれる洗剤に浸して、臓器基質への影響を最小限に抑えながら細胞を取り除きます。肺をTriton溶液でさらに2回膨らませてから、摂氏4度で一晩インキュベートします。インキュベーション後、肺を新鮮な脱イオン水でさらに5回洗浄します。次に、肺を2%デオキシコール酸ナトリウム溶液に浸し、さらに数回水と緩衝液で洗浄して、脱細胞化と細胞破片の除去を促進します。完全に洗浄された臓器は、使用まで摂氏4度の滅菌PBS溶液に保存されます。肺の自然な挙動を模倣するために、ここに示すような特殊なバイオリアクターを使用することができます。まず、反応器のメインチャンバーは、5%の二酸化炭素雰囲気に平衡化された培地で満たされます。次に、オルガンが取り付けられます。接続すると、蓋が固定され、注射器を使用してチューブからすべての空気が取り除かれます。次に、バイオリアクターを組織培養インキュベーターに移して平衡化します。次に、肺を約2分ごとに1回全呼吸して換気し、蠕動ポンプを介して媒体を血管系を通じて毎分約10ミリリットル、合計30分間循環させます。気道播種では、骨髄由来の間葉系幹細胞を含む細胞懸濁液を使用して肺を膨らませます。肺で起こる酸素と二酸化炭素のガス交換に関与する肺胞を再細胞化すること。次に、肺を一晩インキュベートして、細胞が脱細胞化マトリックスに付着できるようにします。一晩のインキュベーション後、換気が再開され、細胞は臓器マトリックス内で数日間増殖します。次に、血管播種は、蠕動ポンプを使用して内皮細胞を徐々に導入することにより完了し、小血管の再細胞化を開始し、その後、細胞の正確な器官の発達を促進するために数時間静的に培養します。再び培地を循環させ、細胞を1週間培養することで、ダイナミックな条件下での成長と付着を促進します。組織の成長が完了したら、組織学を行い、間葉系幹細胞と内皮細胞の両方の血管系と臓器の気道への付着と増殖を確認します。組織学は、間葉系幹細胞と内皮細胞がマトリックス足場内の肺胞と小さな血管に付着していることを示しており、天然の肺組織の外観を作り出しています。臓器全体の培養について学んだところで、再生医療と臓器置換術以外のこの技術の実用化について見ていきましょう。全臓器培養は、医薬品や薬物送達装置の試験方法としても使用できます。例えば、本研究では、マウスの甲状腺胚を摘出して培養し、実験薬が臓器や組織を通じてどのように輸送されるかを観察するための臓器モデルとして利用しました。このシミュレーションは、最終的に、薬物が生体内で臓器内でどのように移動するかをより現実的に表現することにつながる可能性があります。最後に、全臓器組織培養を使用して、さまざまな条件下での組織の挙動を研究することができます。例えば、椎間板変性の可能性のあるメカニズムを研究するために、ウシの尾から椎間板を採取しました。特別に設計されたバイオリアクターを使用して、ディスクに機械的負荷を誘発し、これらの負荷が変性にどのように影響するかをよりよく理解しました。JoveのWhole Organ Tissue Cultureのビデオをご覧になりました。これで、臓器全体をin vitroで培養する方法と、この技術がバイオエンジニアリング分野でどのように適用されるかを理解できたと思います。ご覧いただきありがとうございます。

Education

JoVE Science Education

Engineering

工学

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生物工学）

Whole Organ Tissue Culture

lung decellularization and recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells.

The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native tissue properties in the developing lung tissue.

Lung Decellularization and Recellularization

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overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

このコレクションは生物工学の中核概念をカバーしており、生体材料の生産、組織特異的および全臓器の組織培養、バイオプロセシング技術、バイオMEMSとバイオセンシングの複雑なシステムレベルの分野を含みます。

Learn how donor lungs are decellularized, repopulated with new cells, and grown in bioreactors that provide dynamic mechanical stimulation.

Lung Decellularization and Recellularization

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