Primary Human Umbilical Vein endothelial cells (HUVECs)は、マイクロ流体ネットワークデバイス内で合流するように増殖しました。内皮細胞結合とF-アクチンの分布が示され、アデノシン三リン酸(ATP)に応答した細胞内カルシウム濃度と一酸化窒素産生の変化が個々の細胞レベルでリアルタイムで定量されました。
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Primary Human Umbilical Vein endothelial cells (HUVECs)は、マイクロ流体ネットワークデバイス内で合流するように増殖しました。内皮細胞結合とF-アクチンの分布が示され、アデノシン三リン酸(ATP)に応答した細胞内カルシウム濃度と一酸化窒素産生の変化が個々の細胞レベルでリアルタイムで定量されました。
インビボでの血管壁の内側を覆う内皮細胞(EC)は、常に流れるように露出しているが、培養された電気部品は、多くの場合、静的な条件下で増殖させ、炎症促進性の表現型を示しています。マイクロ流体デバイスの開発は、二十年以上のエンジニアに受け入れてきたが、それらの生物学的用途が限定されたまま。より生理学的に関連する生物学的用途によって検証試験管内微小血管モデル内のフィールドを進め、in vivoでおよびin vitroの研究で間のギャップを埋めることが重要です。ここで、我々は長期的な灌流能力を備えたマイクロ流体デバイスを用いて培養微小血管網の開発のための詳細な手順を提示します。また、共焦点と従来の蛍光顕微鏡を用いてリアルタイムでECの[Ca 2+] iおよび一酸化窒素(NO)の生産におけるアゴニスト誘発変化の定量的測定のためのアプリケーションを示しています。形成された微小血管ネット連続灌流との仕事は、ECの間でよく発達した接合部を示しました。 VEカドヘリン分布を静的培養EC単層よりも無傷の微小血管で観察されたものと近かったです。 EC過渡増加するATP誘発性の[Ca 2+] iとNO産生を定量的培養微小血管の機能性を検証し、個々の細胞レベルで測定しました。このマイクロ流体デバイスは、電気部品が近いin vivoでの従来の静的な2D培養に比べ細胞培養環境を作るよく制御され、生理学的に関連する流れ、下に成長することができます。マイクロチャンネルネットワーク設計は、非常に汎用性があり、製造プロセスが簡単で、再現性があります。デバイスは、容易に高解像度の画像化を可能にする共焦点又は従来の顕微鏡システムに一体化することができます。培養された微小血管ネットワークが初代ヒトのECにより形成することができるので、最も重要なのは、このアプローチはどのように調査するために有用なツールとして機能します病理学的に患者サンプルから変更された血液成分は人間のECに影響を与え、臨床問題への洞察を提供します。それはまた、薬物スクリーニングのためのプラットフォームとして開発することができます。
インビボでの血管壁の内側を覆う内皮細胞(EC)は、常に流れるように露出しているが、培養された電気部品は、多くの場合、静的な条件下で増殖させ、炎症促進性の表現型1,2を示しています。マイクロフルイディクス技術は、所望の流れ条件の下で成長し、特に血管のECのために、培養細胞のための機会を提供する幾何学的に拘束されたマイクロスケール(サブミリメートル)チャネル3を介して正確に制御された流体を可能にします。これらの機能は、従来の静的な2D細胞培養物よりもin vivoでの細胞培養条件近づけます。彼らは、マイクロ流体デバイスは、血管系の種類をモデル化するために使用され、機械的および/または化学的な刺激に対するEC応答を研究する際に非常に重要です。
静的な細胞培養、生物医学Fにおける適応とマイクロフルイディクスのアプリケーションの上にマイクロチャネルネットワークによって実証利点にもかかわらずieldは限られたままです。最近のレビューによって報告された、この分野(85%)の出版物の大半は、エンジニアリングジャーナル4に残っています。マイクロ流体デバイスの性能は、ほとんどの生物学者は、このようなトランスウェルアッセイおよびこの小型化されたデバイスへのマクロスケール培養皿/ガラススライドのような現在の技術からスイッチするための十分な説得力はなかったです。マイクロフルイディクスは、前方にこのフィールドを移動するには学際的なコラボレーションを必要とする学際的なフィールドです。この技術的な記事の目的は、生物学的なアプリケーションおよびマイクロ流体微小血管の機能的検証を提供しながら、専門分野間の知識のギャップを減らし、生物学者によって製造手順が理解できるようにすることです。可視化実験プロトコルは、マイクロ流体デバイスとエンジニアと生物学者の間で緊密な連携を表し、それらの生物学的ユーティリティ、両方の製造を含みます。
我々は最近、いくつかの報告しましたマイクロ流体素子5でのin vitro微小血管ネットワークを使用して生物学的用途。適切マイクロチャネルネットワークの寸法を設計し、所望のせん断応力を適用するためには、数値モデルは密接に流れプロファイルを推定する計算流体力学ソフトウェアで構築されました。 すなわちコンフルエンスに達したマイクロチャンネル中に播種した一次ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)を、連続灌流で3~4日で、マイクロチャネルの全内面を覆っ。適切なバリアの形成はVE-カドヘリン染色によって実証および静的細胞培養条件下で無傷の微小血管内に形成されたものと比較しました。個別に灌流し、無傷の微小血管6-8で開発された実験プロトコルを適用することにより、我々は定量的に蛍光とアデノシン三リン酸(ATP)に応答して、ECの変化の[Ca 2+] iおよび一酸化窒素(NO)の産生を測定しましたdicators共焦点と従来の蛍光顕微鏡。 ECにおけるアゴニスト誘導増加は、の[Ca 2+] iおよびNO産生は、微小血管の透過性6-15における炎症性メディエータによって誘発される増加のために必要な細胞内シグナルとして報告されています。いくつかの以前の研究は、DAF-2 DAロードマイクロ流体デバイス16,17の画像を示したが、適切な解像度およびデータ分析はまだ18を達成していませんでした。我々の知る限りでは、この研究は、内皮におけるアゴニスト誘導性の動的変化の[Ca 2+] iとNO産生利用マイクロ流体ベースのシステムの最初の定量的測定を示しています。
微細加工技術は、ダウンして数ミクロンのマイクロチャネルを作製し、in vivoでの微小血管系の幾何学的構造を模倣するために複雑なパターンの開発を可能にする柔軟性を持っています。ここでは、分岐、3つのレベルを持つ典型的なマイクロチャネルネットワークを提示しました。このネットワークは、微細加工クリーンルーム及びソフトリソグラフィーで行われるフォトリソグラフィ技術の組合せによって製造されます。
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1.マイクロ流体デバイスの製造
2.内皮細胞播種と文化
3. Immunofluorescent染色
内皮の4蛍光イメージングの[Ca 2+] i の
一酸化窒素生産の5蛍光イメージング
6.データ解析
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このセクションでは、このプロトコルを使用して開発した培養微小血管網で得られた結果の一部を示しています。マイクロチャネルのパターンは、3レベルの分岐ネットワーク( 図1A)です。この設計では、4幅100μm娘チャネルに再び2 126ミクロン幅チャネル、および支店に159μmの広い母のチャネルブランチ。 3次元数値シミュレーションは、このマイクロチャネルネットワーク内のせん断応力の3つの異なるレベルを示し0.35μL/分の流速( 図1B)、下のせん断応力分布を推定するために行きました。マイクロチャネル内の層流は、乱れまたは二次流の存在なしに流体力学的に安定であることが予測されます。 SU-8マスター型は、標準的なフォトリソグラフィ工程( 図1C)で作製した後、PDMSデバイスは、マイクロチャネルねを複製するために、ソフトリソグラフィ技術によって作製しました透明、通気性足場( - E 図1D)にtworkデザイ...
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この記事では、の[Ca 2+] iおよびNO産生が、マイクロ流体デバイスを用いて培養微小血管ネットワーク、ECジャンクションおよび細胞骨格F-アクチン分布の特徴付け、およびECの定量的測定の開発のための詳細なプロトコルを提示します。灌流マイクロ流体デバイスは、生体内微小血管の形状とせん断流動条件の近いシミュレーションを可能にするin vitroモデルを提供します。培養された微小血管ネットワークは、初代ヒトECを用いて形成することができるので、この方法は患者のサンプルから変更された血液成分を培養微小血管への患者の血液サンプルの直接灌流により人間のECにどのように影響するかを病理学的に調査し、臨床への洞察を提供するための有用なツールとして機能することができます問題。微小血管開発人間のECは、ヒトおよび動物の組織との間の薬物応答の潜在的矛盾を回避するために、薬物スクリーニングのために使用することができます。
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著者らは、開示することは一切競合する利益や利害を持っていません。
この作品は、国立心肺血液研究所によってサポートされていましたHL56237、糖尿病および消化器の国立研究所腎臓病研究所DK97391-03、国立科学財団(NSF-1227359およびEPS-1003907)を付与します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ATP | Sigma-Aldrich | A2383 | |
| アセトン | フィッシャー サイエンティフィ | A929 | |
| 生検パンチ | ミルテック | 33-31 AA | |
| ウシ アルブミン | MP バイオメディカル | 810014 | |
| ウシ脳抽出物 (BBE) | ロンザ | CC-4098 | |
| カバースリップ | フィッシャー サイエンティフィック | 12-542C | |
| DAF-2 DA | Calbiochem | 251505 | |
| Dextran | Sigma-Aldrich | 31390 | |
| ロバ抗ヤギ IgG (H+L) 二次抗体 | ライフテクノロジー | A-11055 | |
| DPBS、カルシウム、マグネシウムなし | Gibco | 14190-250 | |
| DRAQ5 (核染色) | Cell Signaling Technology | 4084 | |
| Endothelial Cell Growth Supplement (ECGS) | Sigma-Aldrich | E2759-15MG | |
| ウシ胎児血清 | Gibco | 16000-044 | |
| フィブロネクチン | Gibco | PHE0023 | |
| Fluo-4 AM | Life technologies | F-14201 | |
| ブタ皮からのゼラチン | Sigma-Aldrich | G1890-100G | |
| ゲンタマイシン (50 mg/ml) | Gibco | 15750-078 | |
| ガラスカバースリップ | フィッシャーサイエンティフィック | 12-548B | |
| ガラスパスツールピペット | VWR | 14672 | |
| 豚腸粘膜由来ヘパリンナトリウム塩 | Sigma-Aldrich | H3393-10KU | |
| HEPES 緩衝生理食塩水 | ロンザ | CC-5024 | |
| ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVECs) | Lonza | CC-2517 | |
| Isopropyl alcohol (IPA) | VWR | 89125 | |
| L-Glutamine (200 mM) | Gibco | 25030-081 | |
| Mammalian Ringer Solution Ingredient | |||
| NaCl (132 mM) | Fisher Scientific | S671-3 | |
| KCl (4.6 mM) | FisherScientific | P217-500 | |
| CaCl2 · 2H2O (2.0 mM) | Fisher Scientific | C79-500 | |
| MgSO4 ·7H2O (1.2 mM) | フィッシャーサイエンティフィック | M63-500 | |
| グルコース (5.5 mM) | フィッシャーサイエンティフィック | BP350-1 | |
| NaHCO<サブ>3 (5.0 mM) | フィッシャーサイエンティフィック | S233-500 | |
| ヘペスソルト (9.1 mM) | Research Organics | 6007H | |
| ヘペス酸 (10.9 mM) | Research Organics | 6003H | |
| MCDB 131 Culture Medium | Life Technologies | 10372-019 | |
| パラホルムアルデヒド | 電子顕微鏡科学 | 15710 | |
| ファロイジン(F-アクチン染色) | Sigma-Aldrich | P1951 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 | Life technologies | 14040-133 | |
| ポリジメチルシロキサン (PDMS) | Dow Corning Corporation | Sylgard 184 | |
| Scalpel | Exel Int | 29552 | |
| Scotch tape | 3M | 34-8711-3070-3 | |
| Silicon wafer | VWR | 14672 | |
| SU-8 photoresist | MicroChem | SU-8 2050 Y111072 | |
| SU-8 開発者 | MicroChem | Y020100 | |
| 組織培養フラスコ | Sigma-Aldrich | Z707503-100EA | |
| Triton X-100 | Chemical Book | T6878 | |
| トリプシン中和剤溶液 | Gibco | R-002-100 | |
| トリプシン/EDTA 溶液 (TE) | Gibco | R-001-100 | |
| チューブ | コールパーマー | PTFEマイクロボアチューブ、0.012 "ID x 0.030" OD | |
| VE-cadherin | サンタクルス | バイオテクノロジーSC-6458 | |
| 機器の名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント/説明 |
| バイオセーフティ層流フード | NuAire | NU-425クラスII、タイプA2 | |
| CCDカメラ | 浜松 | オルカ | |
| 共焦点顕微鏡 | ライカ | TCS SL | |
| デシケーター | Bel-Art | F42022 | |
| ホットプレート | ウェネスコ | HP-1212 | |
| インキュベーター | Forma Scientific | 3110 | |
| Isotemp oven | Barnstead | 3608-5 | |
| リソグラフィーベンチ | Karl Suss | MA6 接触式リソグラフィー | |
| 光学顕微鏡 | Nikon | L200 ND &CCDカメラ用Diaphod 300 | |
| シャッター | サッター機器 | ラムダ10-2 | |
| プラズマクリーナー | PVA TePla/Harrick プラズマ | M4L/PDC-32G | |
| スピンコーター | Brewer Science | Cee 200X | |
| シリンジポンプシステム | ハーバード装置 | 703005 | |
| ソフトウェア名 | 会社名 | カタログ番号 | コメント/説明 |
| CADソフトウェア | Autodesk | AutoCAD 2015 | |
| CFDシミュレーションソフトウェア | COMSOL | COMSOL Multiphysics 4.0.0.982 | |
| 画像はNOプロダクションで取得および分析します | ユニバーサルイメージングメタ | フロー |
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