脳の複雑な行動についての洞察には、高度な研究ツールが必要です。ここでは、脳のような構造に似た神経組織の新しいシルクコラーゲンベースの3Dエンジニアリングモデルを示します。このモデルは、ニューロンネットワークの組み立て、軸索誘導、細胞間相互作用、および電気的活動の研究に使用できます。
脳の複雑な行動についての洞察には、高度な研究ツールが必要です。ここでは、脳のような構造に似た神経組織の新しいシルクコラーゲンベースの3Dエンジニアリングモデルを示します。このモデルは、ニューロンネットワークの組み立て、軸索誘導、細胞間相互作用、および電気的活動の研究に使用できます。
脳の解剖学、組成、機能を解読するための多大な努力にもかかわらず、それは人体の最も理解されていない器官のままです。神経系をより深く理解するために、科学者は、組織工学的アプローチを使用して、基本的なビルディングブロックからin vitroで組織を組み立てることにより、組織を単純化して再構築することを目指しています。私たちのグループは、皮質の白質と灰白質に似た、シルクとコラーゲンをベースとした組織工学による脳の3D型モデルを開発しました。このモデルは、ラットの脳由来ニューロンをあらかじめ播種した絹の多孔質スポンジを、柔らかいコラーゲンマトリックスに浸したものです。分極したニューロンの成長とネットワーク形成は、軸索と細胞体の別々の局在化で観察されます。このコンパートメント構造により、天然の神経組織を模倣したニッチのユニークな開発が可能になり、ニューロンネットワークの組み立て、軸索の誘導、細胞間および細胞-マトリックスの相互作用、および電気的機能に関する研究が可能になります。
中枢神経系(CNS)は、血管構造、機能性、感染性または変性を伴う種々の障害の影響を受けることができます。推定680万の人々が世界中で成長している社会経済的負担1を表し、神経学的障害の結果として毎年死にます。しかし、障害のほんの数は、利用可能な治療法があります。したがって、神経障害に罹患している患者のための革新的な治療戦略のための重要な必要性が存在します。残念ながら、多くのCNS標的治療による生理学的に関連する機能の読み出しと急性および慢性影響の評価を可能にしない不十分な前臨床研究モデルの利用、一部には、臨床試験中に失敗。
過去数十年にわたる重要な研究努力にもかかわらず、CNSの構造と機能についての未知の膨大な量があります。より多くの知識を得るために、動物モデルは、頻繁に私達でありますEDは、特に前臨床試験において、例えば、外傷性脳損傷(TBI)、または認知症のような病理学的状態をモデル化します。しかし、動物は、遺伝子発現および代謝2-4、CNSの解剖学だけでなく、機能の両方で人間とは大きく異なります。一方、2D インビトロ培養は、細胞生物学を研究するための一般的な方法であり、日常的に薬物発見のために使用されます。しかし、二次元細胞培養物は、人間の脳5-7と比較して複雑さおよび生理学的関連性を欠いています。動物モデルにより提供される2次元細胞培養研究や複雑さの低コストと単純に代わるはありませんが、3D組織工学は 、in vitroおよびin vivoのアプローチで 、2Dの間に存在するギャップを埋めるために改良された研究のモデルを生成することができます。 3D組織工学は、生体材料足場が提供する3D細胞 - 細胞相互作用および細胞外の合図によって達成より生理学的に関連する実験条件を提供します。 Desp3D培養物の値の背後にある重要な証拠をITEは、このような幹細胞由来オルガノイド文化8-10としてわずか数3D CNS組織モデルは、現在ありますが、11を neurospheroidsヒドロゲル培養12,13を分散させました。多層リソグラフィー14、および3D印刷15を含む高度な技術の方法は、肺、肝臓、及び腎臓の組織を研究するために利用されています。しかし、そのような皮質アーキテクチャと生物学を模倣するように区画ニューロンの成長を可能にする3D CNSモデルの欠如があります。神経細胞体から神経突起の分離された成長は、以前に軸索道のトレース、カルシウム流入、ネットワークアーキテクチャや活動の研究を可能にする微細加工16,17を使用することにより、2D培養で実証されています。この考えは、細胞体と軸索路は、脳18の階層化アーキテクチャを模倣異なる区画に配置されている3D偏神経組織を開発するために私たちに影響を与えました。我々のアプローチは、限られた容量で高密度の細胞を収容し、コラーゲンゲルに密な軸索ネットワークの伸長を可能にするユニークなシルク足場の設計の使用に基づいています。ここでは、足場の製造および神経文化などの脳のような組織の完全な組み立て手順を示しています。
脳組織の分離プロトコルは、タフツ大学施設内動物管理使用委員会によって承認され、実験動物の管理と使用に関する健康ガイド(施設内動物管理使用委員会B2011-45)の国立研究所に準拠していました。
1.シルク足場の準備
ラット皮質ニューロンの2の単離
3.アセンブリと文化を構築
4.顕微鏡分析
ドーナツ状にソリッドシルクスポンジのプレカットは、神経組織( 図2A)に似た区画化アーキテクチャを実現するために、ユニークでシンプルなアイデアを表しています。小容積内の高細胞密度のシーディング及び成長を可能にする非常に高い表面積(2×10 7 / mlで)( 図2B)で約500μmの結果の細孔径を有する足場の高度に多孔性の構造。さらに、足場の高気孔率は、延長時間枠を超える高密度の細胞培養物の優れた生存性が得られ栄養素や老廃物の無制限の拡散を可能にします。神経細胞を播種時に迅速かつ均一に足場孔の表面に付着します。
細胞接着が完了し、細胞が絹基板上に平衡化された後、スポンジ足場は、軸索ネットワーク形成( 図3では 、3D環境を提供するために、柔らかいコラーゲンマトリックスが充填されています)。ニューロンが唯一の2次元面( 図3B)で見られるような混合ネットワークでは、得られた細孔の表面に拡張を成長するにつれてコラーゲンマトリックスが存在しない場合には、軸索および細胞体の区画化することはできません。これとは対照的に、コラーゲンゲルは、神経細胞体はシルク足場( 図3C)に付着したままながら、3Dで大規模な軸索 伸長をサポートしている網目構造を提供します。この成長パターンは、細胞体および純粋な軸索 ネットワーク、脳内の皮質の灰白質と白質に似ている( 図3D)の区画につながります。
顕微鏡から離れて、構築物は、実験の背後にある問題に応じて、他の方法18の様々な評価することができます。例えば、構築物からのDNA、RNAおよびタンパク質の単離を容易に市販のキット( 図4)を用いて行うことができます。核酸およびタンパク質PEの収率R構築物は、最初は絹の足場に播種した細胞の数によって異なります。より多くの細胞を播種したDNA、RNAおよびタンパク質の収率が高いです。

シルクスポンジ足場調製のために使用される図1のPTFE金型寸法:直径10cm、2cmの高さ、この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2. 3D脳のような組織モデル。(A)は、多孔質シルクスポンジ足場。前コラーゲン(緑生細胞、赤死細胞)を埋め込 むシルク足場に播種時の1日目でのニューロンの(B)生/死染色。右側のパネルは、MAを表示赤いフレームでキャプチャエリアのgnification。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3.神経3D脳のような組織モデルで区画さ伸長(A)足場コンパートメント:赤細胞体コンパートメント、青軸索コンパートメント。 (B)コラーゲン埋め込 み前に播種時の1日目に神経成長パターン。 (C)。細胞体コンパートメントに播種時の7日目の神経突起伸長。 (D)軸索の区画に播種時の7日目の神経突起伸長。 βIIITubulin -グリーン。 これの拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図。

(A)RNAおよびDNA、および足場ごとに播種された細胞の量に関連した構造物あたり(B)は、タンパク質の図4の期待利回り(±SD、n = 5)であった。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
ここでは、区画化された3D脳様組織モデルを組み立てるためのガイドラインを説明しました。このモデルは、ニューロンの高密度に分極した培養によって特徴付けられ、その結果、形態学的に異なる2つのコンパートメントが発達します:1つは密に詰め込まれた細胞体を含み、もう1つは純粋な軸索ネットワークを含みます。全体として、足場の構造と成長パターンは、6つの層層と白質路を含む脳皮質組織を模倣しています21。
ドーナツ型のシルクタンパク質ベースの組織モデルにより、機械的特性、多彩な構造形態、ハイドロゲル充填剤、細胞成分の変更と調整が可能になります。したがって、この組織モデルは、幅広い研究のためのベースプラットフォームを確立します。シルクは、その生体適合性、水性ベースの処理、および堅牢な機械的および分解特性により、生体材料プラットフォームの好ましい候補です22。シルクマトリックスは、培養中の時間の経過に伴うコラーゲンゲルの収縮を軽減するための安定したアンカーとしても機能します。このモデルで使用される足場の絹濃度および多孔性などの特性は、最適な細胞増殖および機械的特性を達成するために以前に調整されており、その結果、脳のような組織弾力性が生じる18,23,24。実験の成功と再現性を確保するために、これらのパラメータを一定に保つことをお勧めします。
3Dニューロンネットワークの形成は、機械的特性の異なる2種類の生体材料、つまりニューロンの固定を提供する硬い足場と、3Dでの軸索の浸透と接続を可能にするより柔らかいゲルマトリックスを組み合わせることによって達成されました。シルク足場とソフトハイドロゲルの選択的な材料の好みは、軸索接続からニューロンを区画化するための基本的な原理を提供します。シルク足場の不活性な性質により、ニューロンの付着にはポリ-D-リジンによる官能基化が必要です。ただし、RGD25 またはフィブロネクチン26などの他の細胞接着促進因子を適用できます。3Dネットワーク形成を実現するには、ニューロンが足場に付着するとすぐに、シルク足場を適時にヒドロゲルで満たす必要があります。同様に、コラーゲンマトリックスフィラーは他のヒドロゲルに置き換えることができるため、軸索ネットワーク形成に対する3D細胞外環境の影響の研究が可能になり、ニューロン適合性の観点から新しいヒドロゲルを評価するためのプラットフォームとして機能します。さらに、ラットの皮質ニューロンとは別に、海馬ニューロンや人工多能性細胞(iPSc)由来のニューロンなどの他のニューロン源を利用することができます。さらに、この組織モデルは、グリア細胞をニューロンと一緒に含めることで異細胞相互作用を研究し、より複雑な脳様組織を構築するために使用できます。
前述のように、私たちのモデルは、細胞生存率、遺伝子発現、LC-MS/MS、電気生理学などのさまざまなアッセイを使用して、3D微小環境におけるニューロンの機能を評価するために利用でき、モデルの生理学的関連性を実証できます18。免疫染色や顕微鏡検査8、9、11 など、3D組織工学的構築物を評価するために頻繁に利用される他の方法も、細胞分布および軸索ネットワーク形成の程度を評価するために使用することができる。ただし、コラーゲンマトリックスの密度が高いため、抗体の浸透とイメージングの深さは数百マイクロメートルに制限されていることに注意する必要があります。さらに、信号対雑音比は、非特異的なバックグラウンド蛍光の影響を受ける可能性があります。これは、親油性細胞トレーサーと遺伝的に発現した蛍光タンパク質を使用することで克服でき、免疫染色の必要性が減ります11。あるいは、通常の単光子技術の代わりに2光子顕微鏡でイメージングを行うこともでき、これにより信号損失、光退色が軽減され、数百マイクロメートルの深さまで拡張できます。
要約すると、シルクとコラーゲンベースの脳様組織は、ニューロンネットワークを3Dで研究するための堅牢なプラットフォームを提供し、将来の神経障害のより高度なモデルの開発の出発点となります。評価モードとは無関係に、この組織モデルの相対的な単純さは、その有用性、成功、再現性を裏付けています。
このビデオ記事の出版は、コーニングが主催しています。
私たちは、胚ラットの脳組織を提供してくださったスティーブン・モス博士の研究室に感謝します。M.D.T.はオリジナルのプロトコルを設計しました。この研究は、国立衛生研究所(NIH)のP41組織工学リソースセンターの助成金EB002520によって資金提供されました。K.C.は、ドイツ研究財団(DFG)からのポスドクフェローシップ(CH 1400/2-1)の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Na2CO3 | Sigma-Aldrich | 223530 | |
| LiBr | Sigma-Aldrich | 213225 | |
| MWCO 3500透析カセット | サーモフィッシャー | 66110 | |
| 加熱プレート | フィッシャー・サイエンティフィック | アイソテンプ | |
| 遠心分離機 5804 R | エッペンドルフ | ||
| ふるい | フィッシャー・サイエンティフィック | No. 270, No. 35, No. 30 | |
| 自社製 PTFE 金型 | (Figure 1) 直径 10 cm、高さ 2 cm | ||
| NaCl | Sigma-Aldrich | 71382 | |
| 生検パンチ5 mm | ワールド精密機器 | 501909 | |
| 生検パンチ2 mm | ワールド精密機器 | 501908 | |
| ポリ-D-リジン | Sigma-Aldrich | P6407-5MG | 最終濃度10 μg/ml、水PBSに溶かした |
| PBS | Sigma-Aldrich | D1283-500ML | |
| トリプシン | Sigma-Aldrich | T4049-500ML | |
| DNase | ロシュ | 10104159001 | 最終濃度 0.3% |
| 大豆タンパク質 | Sigma-Aldrich | T6522-100MG | 最終濃度 1 mg / ml |
| 神経基礎培地 | Gibco | 21103049 | 37 までウォームアップします。°C使用前の |
| B27サプリメント50x | Gibco | 17504-044 | |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | |
| ニシリンストレプトマイシン | コーニング | 30-002-CI | |
| コラーゲンI、ラットテール、100 mg | コーニング | 354236 | 最終濃度 3 mg/ml |
| NaOH | Sigma-Aldrich | S2770 | 腐食性 |
| ウ化プロピジウム | Sigma-Aldrich | P4170-10MG | 毒性 |
| オレセインジアセテート | Sigma-Aldrich | F7378-5G | |
| オリンパス MVX10 | オリンパス | ||
| パラホルムアルデヒド | Sigma-Aldrich | P6148 | 毒性、最終濃度 4% |
| ウシ血清アルブミン | Sigma-Aldrich | A7906-10G | |
| 抗β;IIIチューブリン抗体 | Sigma-Aldrich | T2200 | ウサギ 1:500 |
| 抗ウサギ Alexa-546 | 分子プローブ | A11010 | ヤギ 1:250 |
| ヤギ血清 | Sigma-Aldrich | G9023-5ML | |
| ライカ SP2 共焦点顕微鏡 | ライカ | 対物レンズ 20X | |
| QIAshredder | Qiagen | 79654 | |
| AllPrep DNA/RNA/Protein Mini Kit | Qiagen | 80004 | |
| エチルアルコール ピュア | シグマ アルドリッチ | E7023 | |
| 2-メルカプトエタノール | Sigma-Aldrich | 63689 | |
| NanoDrop 2000c/2000 UV-Vis 分光光度計 | Thermo Scientific | ||
| BCA タンパク質アッセイ | Thermo Scientific | 23225 | |
| プレートリーダー Spectramax M2 | 分子デバイス | 吸光度 562 nm | |
| マイクロハサミ エコノミー バンナス型 | TedPella | 1346 |