このプロトコルでは、毛細管現象リソグラフィーを使用して、2つの異なる高分子材料から作られた生体模倣心細胞培養基質の作製を実演します。 記載されている方法は、in vitroおよびin vivoアプリケーション用の巨視的心臓組織の構造と機能を設計するためのスケーラブルで費用対効果の高い技術を提供します。
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このプロトコルでは、毛細管現象リソグラフィーを使用して、2つの異なる高分子材料から作られた生体模倣心細胞培養基質の作製を実演します。 記載されている方法は、in vitroおよびin vivoアプリケーション用の巨視的心臓組織の構造と機能を設計するためのスケーラブルで費用対効果の高い技術を提供します。
心血管疾患は世界的に1死亡の主要な原因である。心臓組織工学は、心臓再生だけでなく、in vitroスクリーニングアッセイのための機能的な組織を開発する目的で画期的な医療発見を実現するために多くの可能性を秘めています。しかしながら、心臓組織の高忠実度のモデルを作成することが困難であることが証明されている。心臓の細胞外マトリックス(ECM)は、マイクロナノメートルスケールの2に至るまでの生化学的および生体力学的信号の両方からなる複合構造体である。ローカル機械的負荷条件及び細胞-ECM相互作用は、最近、心臓組織工学3-5の重要なコンポーネントとして認識されている。
心臓ECMの大部分は有意に組織構造および電気機械結合に影響を与える2ナノスケールの直径を有する整列されたコラーゲン繊維から構成されている。残念ながら、いくつかのメソッドは、HAVEナノメートルスケールまでECM繊維の組織を模倣することができた。ナノファブリケーション技術の最近の進歩は、しかし、心の6-9でのECMのin vivoでの構造と基板の剛性の手がかりを模倣する、スケーラブルな足場の設計および製造を可能にした。
ここでは、の開発に存在する二つの再現可能な、費用対効果、および生体適合性ポリマーであるポリ(ラクチド-コ-グリコリド)(PLGA)8およびポリウレタン(PU)系ポリマーを用いて心臓細胞の機能的な位置合わせのためのスケーラブルなナノパターニングプロセス。これらの異方nanofabricated基層(ANFS)はよく組織化、整列の組織の根本的なECMを模倣し、細胞の形態と機能10から14にナノトポの役割を調査するために使用できます。
鋳型としてナノパターン(NP)シリコンマスターを使用して、ポリウレタンアクリレート(PUA)モールドが作製される。このPUAモールドは、その後、PAに使用されているそれぞれ、UV支援または溶媒媒介毛細管力リソグラフィー(CFL)、15,16を経由して、PUまたはPLGAヒドロゲルをttern。簡潔には、PUまたはPLGAプレポリマーは、ドロップガラスカバースリップ上に分注し、PUAモールドを上に置くである。 UVアシストCFLの場合、PUは、次いで硬化させるためのUV照射(λ= 250〜400 nm)に露光される。溶媒媒介性CFLについては、PLGAを、熱(120℃)および圧力(100kPaで)を用いてエンボス加工される。硬化後、PUAモールドを細胞培養のためのANFS残して、剥離される。例えば、新生仔ラット心室筋細胞、ならびにヒト多能性幹細胞由来の心筋細胞のような初代細胞は、ANFS 2上に維持することができる。
心血管疾患は、世界における罹患率および死亡率の主要な原因であり、すでに緊張した世界的な保健システム1,17上の重い社会経済的な負担を提示する。 (1)in vitroでの薬物スクリーニングまたは疾患のモデリングのための心臓の高忠実度モデルを作成する虚血性疾患又は心筋症又は(2)の後に損傷した心筋を再生する:心臓組織工学は、2つの異なる目標を有している。
心臓は体に血液を供給するために常に働かなければならない複雑な器官である。心筋細胞および支持組織の密集した層構造は、心臓壁18,19を通して螺旋パターンで配置されている。心臓はまた、電気機械的に効率的に本体21に血液を排出する高度に配位様式20に結合される。自然の複雑なデザインを確実vitroでで要約することができる前に、いくつかの主要なハードルは、しかし、対処されていない。ロバストな心筋細胞分化方法22開発され続けているが、まず、HPSC-CMはまだかなり未成熟表現型を示す。彼らの電気機械特性および形態は、最も密接に胎児のレベルを23に一致する。従来の培養条件で維持さときに、第2、幹細胞由来の心筋細胞および一次両方は、天然、組織様構造に組み立てることができない。むしろ、細胞がランダムに配向となり、大人の心筋24のバンド棒状の外観を示さない。
細胞が相互作用する細胞外マトリックス(ECM)環境では、多数の細胞プロセス11,13,25において重要な役割を果たしている。 ECMは、細胞を有意に6,26の構造及び機能に影響を与える複雑な、明確に定義された分子及び地形手がかりからなる。心の中では、携帯の位置合わせは、密接に、基礎となるナノメートルスケールのECM繊維2に従います。これらnanotopographの影響細胞および組織の機能上のiCalの手がかりは、しかし、完全には理解遠くからである。ナノメートルスケール細胞生体材料の相互作用の予備的研究は、成長31、接着28〜30、27細胞シグナル伝達のためにサブミクロン地形手がかりの潜在的な重要性と影響力を示し、分化32,33。しかし、再現性のあるスケーラブルなnanofabricated基板を開発することが困難であるため、このような研究は、 生体内のECM環境での複合体のマルチスケール細胞効果を再現することができませんでした。このプロトコルでは、天然の心臓ECM繊維の配向を模倣する細胞培養足場を製造する簡単で費用効果の高いナノファブリケーション技術は、心筋細胞、生体材料の相互作用の新規な調査の広い範囲を可能にする、記載されている。心筋細胞は、ナノスケールのECM環境とどのように相互作用するか理解することは、より密接に模倣天然組織の機能に細胞挙動を制御する能力のために可能性がありますTiONから。さらに、細胞単層は、3D構造に比べて簡略化された実験系であるが、それでも洞察に満ちた調査と機能的スクリーニング2,34-36ための複雑な多細胞挙動を示す。最後に、このような足場は、再生目的のために心臓37内に埋め込 まれた際の細胞移植片の機能を改善するために使用することができる。
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特に断りのない限り、全ての手順を室温(〜23℃)で行われる。
シリコンマスターの1。作製
シリコン·マスターからのPUA型の2。作製
注:ナノファブリケーションのためのシリコンマスターに追加されるボリュームは、ポリウレタンアクリレート(PUA)溶液の粘度ならびに複製されるナノパターンマスタの面積に応じて変化する。
図3(a)。ナノパターニングポリウレタンポリマー
図3(b)。ナノパターニングポリ(ラクチド - コ - グリコリド)ヒドロゲル
4。細胞播種および培養
注:このプロトコルは、新生児ラット心室筋細胞(NRVMs)およびH7ヒト胚性幹細胞由来の心筋細胞(hESCの-CMS)が、他の細胞源の文化を説明して使用することができる。
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図1は、2つの製造方法の製造工程の概略図である。によりナノスケールの地形に起因する光の回折に、ナノパターニングはANFSに虹色の表面をもたらすはずである。 図2は、800 nmの稜線と溝とよくパターン化された25ミリメートルのNP-PUカバースリップ(図2A)に、この虹色の表面を示している幅(図2B)。 ANFSの虹色の外観は、畝と溝の幅によって多少異なります。
ANFS上に細胞を播種した後、細胞を基板の稜線と平行な方向に整列させるために開始されます。位置合わせは、播種後の最初の24時間以内に明らかになるべきであり、培養期間の全体のために維持する必要があります。 図3は、培養48時間後の培養とのhESC-CMの7日後にNRVMsの代表明視野像を示す。 NRVMs A番目のhESC-CMのNP表面上にパターン化されていない表面上での心筋細胞がランダムに配向しているのに対して( 図3A
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機能的に成熟した心臓組織は、 生体内および心臓組織工学のインビトロ適用の両方のために欠けている。ここで説明するのCFLナノ加工法は、細胞の位置合わせを実現し、システムの拡張性に起因する巨視的組織機能に影響を与えるための堅牢な技術である。大きな面積を容易にパターニングし、細胞培養のために使用することができる。巨視的セルラアラインメントは生体模倣、それは心筋38の機械的および電気的特性の両方に影響を与えるような機能的な組織を生成するために、心臓組織工学において必須である。
ここでの方法は、心臓組織工学内の広範囲の用途に適用することができる。これは、先に、ナノスケールの手がかりは、心臓幹細胞ニッチを作成し、再生14を促進するために役立つことが実証されている。従って、例えばPLGAなどの生分解性ポリマーを用いて、ナノパターン「パッチ」は、促進するために作ることができる心臓発作の後に治癒。あるいは、天然の心臓と同様の弾性率とのヒドロゲルを用いて、心筋細胞ECM相互作用は、単純化された、再現可能な...
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著者は開示するものは何もありません。
D. H. Kim は、新しい教員スタートアップ基金について、ワシントン大学の生物工学部に感謝しています。D. H. Kim は、Perkins Coie Award for Discovery、Wallace H. Coulter Foundation Translational Research Partnership Award、Washington State Life Science Discovery Fund、American Heart Association Scientist Development Grant (13SDG14560076) の支援も受けています。J. Macadangdang と A. Jiao は、NIH Bioengineering からの支援に感謝しています。心臓血管トレーニング助成金フェローシップ。この研究に対する追加の支援は、国立衛生研究所 (NIH) の助成金R01HL111197 M. Regnier から提供されています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| フィブロネクチン | BDバイオサイエンス | 354008 | |
| NOA 76 | Norland Products, Inc. | 7606B | |
| 表面接着プロモーター (ガラスプライマー) | Minuta Tech | ||
| PUA | Minuta Tech | MINS-311RM | |
| 軟質ゴムローラー | スピードボール | ||
| シリコンウェーハ | NOVA Electronic Materials | FA01-9900 | |
| フォトレジスト | Shipley SPRT510 | ||
| フォトレジスト現像液 | Shipley | MF320 | |
| 電子ビーム露光装置 | JEOL | JBX-9300FS | |
| エッチング装置 | Surface Technology Systems | NP10 8UJ | |
| Plasma Asher System | BMR Technology Co. | DSF-200 | |
| オゾンキュアシステム | ミヌータテック | MT-UV-O- 08 | |
| フュージョンキュアシステム | ミヌータテック | MT-UV-A 11 | |
| NOA 83H | ノーランドプロダクツ | 8301 | |
| スピンコーター | ローレルテクノロジー | WS-400-6NPP | |
| Skyrol PET Film | SKC Co., Ltd. | 23038-59-9 | |
| 25 mm スライド | コーニング | 2948 | |
| シルガード 184 シリコーン エラストマー キット | ダウ コーニング | 6/5/2553 | |
| ポリ (D,L-ラクチド-コグリコリド) | Sigma-Aldrich | P2191-1G | |
| クロロホルム | Sigma-Aldrich | 372978-1L | |
| 500 g 重量 | グローバル インサストライT9FB503120 | ||
| イソプロピルアルコール | EMDミリポア | PX1835-2 | |
| ホットプレート | コーニング | PC-420D | |
| 超音波発生器 | ブランソン | B2510MTH |
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