カプセル化された細胞凝集体の中で低酸素シグナルの追跡

Summary

架橋PEGハイドロゲル中の細胞の写真 - カプセル化する方法について説明する。カプセル化されたマウスインスリノーマ（MIN6）集合内の低酸素シグナルが蛍光マーカーシステムを用いて追跡されます。このシステムは、ハイドロゲル骨格と細胞表現型の変化と低酸素シグナル伝達の相関関係にあるセルの連続検査が可能になります。

Abstract

1型糖尿病では、膵臓のβ細胞の自己免疫破壊により、インスリン産生が失われ、致命的な高血糖症を引き起こす可能性があります。 外因性インスリン注射の代替治療オプションとして、機能的な膵臓組織の移植が検討されています^1,2。 このアプローチは、正常血糖のより自然で長期的な回復を約束します。拒絶反応を防ぐためには、宿主の免疫系からドナー組織を保護する必要があり、カプセル化はこの目的を達成するために使用される方法です。

アルギン酸塩³やアガロース⁴などの生物学的に由来する材料は、カプセル構造の伝統的な選択肢でしたが、炎症や線維性の異常増殖⁵を誘発し、栄養素や酸素の輸送を妨げる可能性があります。 あるいは、合成ポリ(エチレングリコール)(PEG)ベースのハイドロゲルは、分解性がなく、官能基化が容易で、高純度で入手可能で、細孔サイズが制御可能で、非常に生体適合性が高いです^6,7,8。 さらなる利点として、PEGハイドロゲルは、非生理学的温度の適用を必要としない単純な光架橋反応で迅速に形成され得る^6,7。 このような手順をここで説明します。 架橋反応では、光開始剤である1-[4-(2-ヒドロキシエトキシ)-フェニル]-2-ヒドロキシ-2-メチル-1-プロパン-1-オン(Irgacure 2959)のUV分解により、ジメタクリレートPEG(PEGDM)のビニル炭素-炭素二重結合を攻撃するフリーラジカルが生成され、鎖末端で架橋が誘導されます。 架橋は10分以内に実現できます。 そのようにして構築されたPEGハイドロゲルは、細胞^7,9を良好に支持することが示されており、低い光開始剤濃度およびUV照射への短時間の曝露は、カプセル化された組織¹⁰の生存率および機能に有害ではない。 PEGは以下で説明する方法でメタクリル化しますが、PEGDMはSigmaなどのベンダーから直接購入することもできます。

カプセル化の本質的な結果は、血管ネットワークからの細胞の分離です。 したがって、栄養素、特に酸素の供給は、拡散によって減少し、制限されます。 この酸素利用可能性の低下は、インスリン分泌機能が酸素に大きく依存しているβ細胞に特に影響を与える可能性があります^11-13。 カプセルの組成と形状も、酸素の拡散速度と長さに影響を与えます。 したがって、PEGカプセル内の低酸素細胞を同定する技術についても説明します。 組換えアデノウイルスによる細胞の感染は、細胞内低酸素誘導因子(HIF)経路が活性化されたときに蛍光シグナルを生成することを可能にする¹⁴。 HIFは低酸素症に対する転写応答の主要な調節因子であるため、低酸素シグナル伝達を検出するための理想的な標的マーカーとなる¹⁵。 このアプローチにより、低酸素細胞を簡単かつ迅速に検出することができます。 簡単に言うと、アデノウイルスは、低酸素応答性元素(HRE)三量体の制御下にある赤色蛍光タンパク質(ClontechのDs Red DR)の配列を持っています。 低酸素条件によるHIF-1の安定化は、蛍光タンパク質の転写を促進します(図1)。 このウイルスの構造に関する追加の詳細は、以前に公開されています¹⁵。 ウイルスは、-80°Cで10%グリセロール中、1.5 mL遠心チューブ中の150 μLアリコートと同じ量を、3.4 x 10¹⁰ pfu/mLの濃度で保存します。

私たちの研究室での以前の研究では、凝集体としてカプセル化されたMIN6細胞は、20%酸素中で4週間の培養を通じて生存能力を維持することが示されています。 2%または1%の酸素で培養したMIN6凝集体は、エチジウムブロマイドで染色することにより、壊死細胞の兆候(依然として約85〜90%の生存率)と、20%酸素中の細胞に対する形態学的変化の両方を示しました。 20%で示された凝集体の滑らかな球形は失われ、凝集体は無秩序な細胞のグループのように見えました。 低酸素ストレスは生存率の顕著な低下を引き起こさないが、グルコース刺激によるインスリン分泌によって測定されるように、MIN6の凝集と機能に明らかに影響を及ぼしている¹⁵。 20%および1%酸素中のカプセル化細胞のウェスタンブロット解析でも、低酸素条件下で培養した細胞のHIF-1αの有意な増加が示され、これはDsRed DRタンパク質の発現と相関しています。

Protocol

1。 PEGDMの合成と光活性PEGDMのマクロマー溶液の調製

1. 硬質プラスチック製のキャップで40mlのガラス製バイアル瓶にPEGの2Gを（線形、10,000 Da）の重量を量る。
2. 無水メタクリル酸の約308μL追加し、緩くバイアルをキャップ。
3. 電子レンジ標準の国内電子レンジで2分の高オンバイアル。さらに5分間高い上にマイクロ波し、耐熱手袋、徹底的にボルテックスバイアルを身に着けている。
4. 簡潔にバイアルは手袋で処理されるのに十分冷まします。それを暴露すると徐々にバイアルを旋回しながら、塩化メチレンを追加。解決策は、必要に応じてサンプルをボルテックス、明確かつ均質に表示されるように十分な追加。 2 mLの - 使用される塩化メチレンの合計量は1.5でなければなりません。
5. コー​​ルド200mLにPEGDMを沈殿させる、ソリューションを滴下してジエチルエーテルを撹拌する。
6. 真空ろ過によってPEGDMを収集し、それが乾燥することができます。
7. 十分な量のPEGDMを溶かすの脱イオン水（通常100 -150 mL）で。
8. 千Daの分子量カットオフ値を持つ透析チューブに5日間脱イオン水に対して解決策を透析。 1日1回水を交換してください。
9. 分注し-80℃で適切な容器と凍結にソリューション℃で一晩。精製された白色PEGDMの粉末を得た4日間のソリューションを凍結乾燥。 ° C使用しないときは4で粉を保管してください。
10. 光活性PEGDM溶液を調製するには、まず、脱イオン水でイルガキュア2959を溶解して0.5重量％の光開始剤のストック溶液を調製。渦解と暗闇の中で保管してください。
11. 10重量％のPEGDMとハンクス平衡塩類溶液（HBSS）0.025重量％イルガキュア2959溶液を調製します。 PEGDMの溶解を確実にするために徹底的にボルテックス。我々は通常、同時に、このソリューションの1mLのを準備。
12. 1.8 mLのマイクロ遠心チューブに0.2μmのシリンジフィルターを通してそれをフィルタリングすることにより解決策を滅菌する。アルミホイルにチューブを巻きますし、4℃で保存

2。文化、感染症、およびMIN6細胞の凝集

1. MIN6細胞を37で加湿環境で10％FBS、7mmのグルコース、100ユニット/ mLのペニシリン/ストレプトマイシン、及び0.5μg/ mLのamphotercin B℃、5％CO ₂を添加したRPMI 1640培地中で培養されています。
2. 処理された培養フラスコの表面から細胞を解除するには、37で細胞をリンス、培地を吸引除去° C、カルシウム/マグネシウムを含まないHBSS、HBSSを吸引し、37 ° Cトリプシン- EDTA溶液2 mlを加え、細胞を許可する3分間インキュベートする。
3. しっかりと細胞がフリーノックするフラスコの側面をJARファイルにまとめ、その後、37の8 mLを加え° C培地と精力的に気泡を導入しないように注意しながら上下に細胞懸濁液をピペットで。
4. 滅菌15 ml遠心チューブに細胞をピペッティングし、血球計算盤またはプロシージャを数え、他の細胞を用いて細胞数を実行します。
5. メーカーで細胞を感染させる準備にウイルスは、最初に感染される細胞の総数を決定し、感染の希望多重度（MOI）（セル50〜100感染粒子）を達成するために必要なウイルス懸濁液の体積を計算する。
6. 慎重に1.8 mLのマイクロ遠心チューブにHBSSのプレ分注し、ボリュームにウイルス懸濁液の適正量をペッティングにより、HBSSでウイルスを希釈する。 HBSSウェルあたりの凝集細胞を50μLが適当である。
7. ピペット6ウェル懸濁培養プレートのウェルに加え40万の細胞を達成するために必要な量をし、そのチューブを上下にそれらをペッティングにより細胞を分散させる。
8. 所望のMOIを達成するために各ウェルに希釈したウイルスの適切なボリュームを追加します。
9. 1.7 mLの全量をもたらすために各ウェルに培地を追加。
10. インキュベーター内部のオービタルシェーカー上でプレートを置きます。培地は優しく井戸（〜100 rpm）で周りに洗うように、低設定でシェーカーを設定します。凝集して細胞を許可する24〜36時間のTE。 75〜175μmのおおよその直径を持つ凝集体が形成されるべきである。

3。 PEGDMの細胞のカプセル化

1. 細胞は、分散（ステップ2.4​​）または以下の集約（ステップ2.10）としてカプセル化されることがあります。ヒドロゲル前駆体PEGDMソリューションが液体であるため、細胞が架橋ハイドロゲルの形成に先立って解決する傾向がある。セトリングがそのようなより大きな凝集体と同様に、急速に発生が予想されている場合、それは細胞がゲルの中心面に沈殿するように二つのステップでヒドロゲルを生成するために有益であるかもしれません。分散した細胞の適切なワンステップのハイドロゲルの合成手順が示されている（ 図2）およびツーステップ手順（3.2〜3.9）以下同様に（ 図3）と詳細表示されます。
2. ハイドロゲルは、1 mLのプラスチック製の注射器のオフテーパ状先端をカットして、ラックに端を開く配置することによって形成されるの容器を作成します。
3. 光活性PEGDMのピペットで20μLのでボリュームが全体のプランジャーの表面を覆うことを確認してプランジャーの上に注射器の開放端にlution。平坦な液体表面を達成するために小さな単位でプランジャーを調整します。
4. ラックと位置ヒドロゲルの架橋を可能にするために約8分間UVランプ（波長365nm、〜7 MW / cm ^2）の下のラックにピペットを置きます。この時間の間に、細胞の調製を開始することができる
5. ピペットで1.8 mlのマイクロ遠心チューブに細胞/骨材の希望数を含むボリュームを、キャップ、そして5分間、130 gでチューブを遠心する。
6. マイクロピペッタを使用して、慎重にチューブの先端で細胞ペレットを乱すことなくメディアを取り出してください。メディアのヘッドがペレットに近づくにつれて、それは、細かいを使用して10μLピペットチップ役立ちます。
7. ゆっくりと光活性PEGDMの溶液20μLに細胞ペレットを再懸濁します（凝集体を扱う場合広口ピペットチップを使用）し、目の上に注射器に細胞懸濁液を追加eは、以前にハイドロゲルの部分を架橋。
8. ハイドロゲルの構築を完了するために、UV光のさらに8分に注射器を公開。終了すると、細胞が完全に円筒状のハイドロゲル（ 図3）内にカプセル化されるべきである。
9. シリンジからと簡単にゲルを洗浄するために24ウェルプレートのウェル中のHBSSを1 mLにハイドロゲルを取り出します。希望の条件の下で24ウェルプレートと文化のウェルに培地1 mLにゲルを移す。

4。低酸素状態の追跡

1. 任意の時点で文化、画像中の細胞は低酸素シグナル伝達の開始を追跡するために蛍光顕微鏡を使用して。あなたがマルチウェルプレートの画像ができるイメージングや顕微鏡ステージ上に配置する前に、顕微鏡のスライドにゲルを転送されているものに応じて。 DSレッドのピーク励起は556nmで実現し、発光ピークは586nmで発生します。排出量はかなり激しいですので、退色はを観測していない問題があることがED。蛋白質の生産と最初の信号検出の開始の間のタイムラグは約12時間です。信号は、個々のシグナル伝達の細胞を識別するのに十分な固有のものですが、解像度は細胞内シグナルの局在を決定するには不十分かもしれません。シグナル伝達細胞では、信号は通常は細胞質全体に均一に観察される。これは増加した蛋白質の発現、全体的なタンパク質の蓄積、または遅延タンパク質の成熟に起因するかどうか我々はまだ完全に決定していないのに信号強度はまた、低酸素への長時間曝露と増やすことができます。

5。代表的な結果

PEGハイドロゲル内にカプセル化されたMIN6凝集体の代表例を図4に示されています。架橋ゲルは、反応が実行された容器の形状を取って、全体に固体になります。滑らかな外側表面を有するゲルは、異物の再の予防を支援するために注入するための望ましいsponse。ゲル内で、細胞の凝集体は完全にマトリックスで囲まれ、均一に良い栄養素の輸送を可能にするために配布される必要があります。

MIN6凝集体における低酸素シグナルの代表画像を図5に描かれている。マーカーのウイルスに感染して同一のMIN6集計は、画像キャプチャの前に44時間を20％O _2（5A）または1％O _2（図5b）のいずれかで培養した。

図1当社の低酸素マーカーのシステムの活動の概略図。 DSレッドDR遺伝子と上流のHREのプロモーターのアデノウイルス挿入がHIF - 1の制御下に蛍光タンパク質の低酸素誘導性の製造を可能にする。

図2 CRにMIN6細胞を分散したのシングルステップのカプセル化のための手続きフローチャートPEGDMハイドロゲルをosslinked。それぞれのゲルの場合は、分散した細胞は光活性PEGDMのマクロマー溶液の40μlの懸濁される。これは、首を切ら1mLの注射器内に配置され、ハイドロゲルは、10〜12分後に365nmのUV光の下で形成される。完了すると、ハイドロゲルのディスクは、注射器から取り出し洗浄し、インキュベーションのための媒体を充填したウェルプレートに配置されます。

図3。架橋PEGDMハイドロゲルに集約されたMIN6細胞のデュアルステップカプセル化のための手続きのフローチャート。それぞれのゲルの場合は、ハーフゲルは最初の8分間の光活性PEGDMのマクロマー溶液の20μLのUV架橋により形成される。 MIN6凝集体は、慎重に前もって形成された半ゲルの上に追加された光活性マクロマーのソリューションの追加の20μLに懸濁されている。完全なゲルが完全に内側にカプセル化された凝集体に紫外線照射の追加の8分によって形成されるゲルの平面。

図4 20倍の倍率下で40μlのハイドロゲルのイメージ。 MIN6集計（〜40万総細胞）は、明確にゲル内に見られている。ハイドロゲルの直径は、（バー= 1mm）の約6ミリメートルである。

図5。PEGDMヒドロゲルに集約されたMIN6細胞のシグナル蛍光低酸素症。 44時間20％O ₂でカプセル化し、インキュベーションに置かれた細胞は2％44時間のためのO ₂でインキュベートしてカプセル化された細胞は明らかに、ユビキタスな信号を表示しながら低酸素シグナルを（）表示されません。 （バー=100μmの）（B）。

Discussion

ここで紹介するメソッドは、非生理的条件の最小限の使用とPEGハイドロゲル中の細胞のカプセル化のための迅速かつ簡単な技術を提供しています。 PEGは、その生体適合性と修正を容易にするために非常に有用な封止材料を表します。光活性溶液中でPEGの比率の単純な変化は、例えば、孔径によって、機械などの圧縮率などのプロパティ、およびトランスポートのプロパティを調整することができる。また、PEGを簡単に側鎖の付加によって変更されます。 PEGハイドロゲルは、従って、in vitroでの研究のための有望な臨床デバイスと柔軟なプラットフォームの両方を表す

PEG -カプセル化された細胞の低酸素状態を追跡するための方法も提示されている。このメソッドは、低酸素症検出の簡略化のためと目的の細胞を犠牲にする必要性を回避するのに便利です。テクニックは、その私たちを作る様々な条件で細胞のさまざまな種類のに適用してもよい幅広いefulness。例えば、幹細胞の分化のための手がかりとして、低酸素は、幹細胞の微量培養に追跡することができる。しかし、このメソッドは、分散した細胞は、後で集約されているセルのシステムまたはシステムを分散させるために適用することができます。また、蛍光シグナルの検出には大きいか密度の高い組織では難しいかもしれません。

Materials

試薬の名前	会社	カタログ番号	コメント（省略可能
PEG	シグマアルドリッチ	309028 - 500G
メタクリル酸無水物	シグマアルドリッチ	276685 - 100ML
マイクロ波	エマーソン	MW8784SB
ボルテックス	サイエンティフィックインダストリーズ	SI - A236
塩化メチレン	シグマアルドリッチ	D65100 - 1L
ジエチルエーテル	シグマアルドリッチ	346136 - 1L
透析チューブ	スペクトラム	132640
	研究所
冷凍庫
凍結乾燥機	Labconco	7670521
真空ポンプ	ウェルチ	8917Z - 01
イルガキュア2959	チバガイギー	029891301PS04
HBSS	Mediatech	21から022 - CV
シリンジフィルタ	VWR	28145-477
RPMI 1640	Mediatech	*	*カスタム製剤
FBS	PAA研究所	A15 - 351
ペニシリン - ストレプトマイシン	Mediatech	30から002 - CI
アムホテリシンB	Mediatech	30から003 - CF
インキュベーター	サーモサイエンティフィック	3597	NAPCOシリーズ8000 WJ W / O2抑制
トリプシンEDTA	Mediatech	25から052 - CI
オービタルシェーカー	VWR	12620-926
UVランプ	三洋電機Denri	FLR40SBLB / M	two 40W、365nmのブラックライトブルーUV電球を保持しています
遠心	エッペンドルフ	5811 000.010 *	*注文番号。 モデル5810 R
顕微鏡	ニコン	TI - ND6 - PFS	556nm励起/ 586nm発光のためのフィルタセットを持つ