1.94μmの連続波レーザー放射を用いた培養皿内の細胞を加熱するための元の実験装置をここに導入する。この方法を用いて、異なる熱暴露後の網膜色素上皮(RPE)細胞の生物学的応答を調べることができる。
1.94μmの連続波レーザー放射を用いた培養皿内の細胞を加熱するための元の実験装置をここに導入する。この方法を用いて、異なる熱暴露後の網膜色素上皮(RPE)細胞の生物学的応答を調べることができる。
生物学的評価のために1.94μmの連続波ツリウムレーザーを用いて培養細胞を加熱する独自の方法をここに導入する。ツリウムレーザー放射は水に強く吸収され、培養皿の底の細胞は熱拡散によって加熱される。直径365μmのレーザーファイバーは培養ディッシュの約12cm上に置かれ、レーザービーム直径は培養ディッシュの内径(30mm)とほぼ等しくなるように光学的には設定されていない。各実験において培地の量を一定に保つことにより、再現性の高い温度上昇を細胞に照射することが可能である。
1つの細胞培養皿中の各パワー設定についての温度上昇およびその分布を較正するために、異なる位置および細胞レベルで10秒の照射中に温度を測定した。温度分布は、数学的グラフィックスソフトウェアプログラムであり、文化皿全体のパターンはガウス型であった。レーザー照射後、異なる生物学的実験を行って、温度依存性細胞応答を評価することができた。この原稿では、異なる時点後の細胞アポトーシスおよび死亡の閾値温度を決定するのを助けるために、生存率染色( すなわち 、生存細胞、アポトーシス細胞および死細胞の区別)を導入する。
この方法の利点は、温度および加熱時間の正確さ、ならびに細胞培養皿全体における加熱細胞におけるその高い効率である。さらに、コンピュータ化されたオペレーティングシステムによって十分に制御され得る、多種多様な温度および時間間隔での学習が可能になる。
温度依存性の細胞生物学的応答を理解することは、温熱治療を成功させるために非常に重要である。眼科で使用される熱レーザーによる網膜レーザー光凝固は、医学において最も確立されたレーザー治療の1つである。主に緑色から黄色の波長の可視光線が、網膜レーザー治療に使用されます。光は、網膜の最も外側の細胞単層を形成する網膜色素上皮(RPE)細胞のメラニンによって高度に吸収される。様々な種類の網膜障害に対する新しい治療戦略として、非常に軽度の熱照射(目に見える光凝固)の医師および研究者の間で最近の関心があった1,2 。この傾向に続いて、私たちの関心は、温度制御型光熱治療(TC-PTT)と呼ばれる技術である正確な温度制御下でRPE細胞を致死的に加熱することにあります。
最近のオプト我々の研究所の音響技術は、網膜の照射部位における温度上昇のリアルタイム測定を可能にしている。これにより、照射中の温度上昇を制御することができます3 。しかし、網膜上の致死量以下の温熱療法は、温度を測定し制御することが不可能であることから以前は考慮されていなかったため、熱レーザー照射後のRPE細胞の温度依存性細胞応答は、今日までほとんど研究されていない。さらに、温度差は詳細に議論されていないだけでなく、致死量以下の照射後の生き残った細胞の細胞挙動の差異も有する。したがって、TC-PTTに基づく治療法に関する科学的証拠を収集するために、温度依存性RPE細胞の生物学的応答およびそれらのメカニズムをin vitro実験装置を用いて解明することを目的とする。
t彼の目的は、1)迅速な温度上昇の可能性、2)正確に制御された時間および温度、および3)生物学的実験のための検査細胞の比較的高い数の条件を満たす細胞加熱装置を確立することが必要である。加熱方法に関しては、周波数が倍増されたNd.YAGレーザー(532nm)のような臨床レーザーは、残念なことに、細胞培養加熱には不適当である。これは、培養されたRPE細胞におけるメラノソームの数が著しく減少したためである。レーザ光の吸収は不均質であり、細胞レベルでの温度上昇は、同じ放射能を照射した場合であっても、実験の間に可変である。いくつかの以前の研究では、照射4の間の皿の底の下の黒い紙の使用、または実験5,6の前に培養細胞によって貪食された追加のメラノソームの使用が報告されている。たくさんの温熱プレート、水浴、または温度設定7の CO 2インキュベーターを使用して、温熱療法によって誘発された細胞応答を評価するためのin vitro生物学的研究を行った。これらの方法は、所望の温度に到達するまでにある時間( すなわち、数分)を要するため、長い加熱期間を必要とする。さらに、これらの方法を使用すると、細胞レベルでの詳細な熱履歴( すなわち、時間を掛けた温度)を得ることは困難である。さらに、1つの培養ディッシュ内の異なる位置にある細胞間の温度は、可変温度拡散によって異なる場合がある。大部分の場合、生物学的細胞応答は、温度の上昇および温度の持続時間によって致命的な影響を受ける可能性があるが、温熱療法中のこの時間的および空間的温度情報は、生物学的分析のため考慮されていない。
これらの問題を克服するために、contiここでは、セルを加熱するために裸波ツリウムレーザーを使用した。ツリウムレーザー放射(λ=1.94μm)は水8に強く吸収され、培養皿の底の細胞は熱拡散のみによって熱刺激される。直径365μmのレーザーファイバーは培養皿の約12cm上に置かれ、その間に光学機器はありません。レーザービームの直径は、培地の表面で培養ディッシュ(30mm)の内径とほぼ等しくなるように発散する。一定量の培養培地を用いて、温度上昇を細胞に照射することが可能である高い再現性があります。可変出力設定では最大20Wの照射が可能で、細胞レベルでの媒体温度は10秒でΔT≈26℃まで上昇する可能性があります。
照射条件を変更することにより、レーザビームプロファイルを変更して温度分布を変化させることも可能である文化皿で。例えば、現在の研究のように、ガウス様の温度分布で、または均一な温度分布で調べることが可能である。後者は、温度依存性細胞応答の影響を、より具体的には致死量以下の温度上昇について調べるのに有利であり得るが、細胞死ストレスまたは創傷治癒応答についてはそうではない。
総合的には、ツリウムレーザー照射は、異なる熱曝露の後に、遺伝子/タンパク質発現、細胞死速度論、細胞増殖、および細胞機能発現などの異なる種類の生物学的因子の調査を可能にすることができる。
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1.RPE細胞培養
2. Thuliumレーザー照射

図1:ツリウムレーザー照射ステーションの模式図培養プレートを加熱プレート上に置く。ビームサイズが培養皿の内径(約30mm)とほぼ同じになるように細胞をツリウムレーザーファイバーチップの12cm下に置く。レーザー照射手順は、カスタムメイドのシステム設計プラットフォームの時間制御ルーチンによって制御されます。照射プログラムを開始する前に、出力設定を決定する必要があります。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

図2:1つの細胞培養プレートにおける温度較正のポイント。温度データを中央で測定し、5℃で測定した。4つの異なる角度(青い点)上の放射状の点。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
異なる熱照射後の細胞応答の生物学的評価
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異なる電源設定後の温度分布
温度較正では、各単一照射のすべての温度の変化を監視した。このデータから、測定された点における最大温度が得られ、T max (℃)として定義された。 図3Aに示すように、培養皿を加熱プレート上に置いた時点でプログラムを実行した。安定した培地温度を37℃で保存するために必要とされた140秒の「予熱時間1」の後、培養皿のカバーを8秒の「予熱時間2」の間に除去した。 「予熱時間2」の終わりに、レーザ発光が自動的に開始された。この曲線は、10秒照射の代表的な温度進行である。照射中、温度が上昇し、レーザー放出直後にオフになり、温度が低下し始めた。培養皿の中央の最大温度をこの研究ではT max (℃)と定義した。 T maxはレーザー出力に比例していた( 図3B ...
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温度に関連する生物学的細胞応答を議論する際には、ほとんどの生化学的過程が時間依存的であるので、温度だけでなく、温度の上昇時間も重要である。特に、眼科におけるレーザー誘発高熱症の分野では、ミリ秒から秒までの短い時間範囲のため、正確な温度制御による細胞熱作用を調べることは困難である。したがって、厳密な温度および時間制御を可能にする操作システムを有する細胞培養モデルおよび適切なレーザー照射設定が望まれる。タンパク質発現または分泌などの熱暴露後の細胞応答の生物学的評価は、十分な数の罹患細胞についての反復定量評価を必要とする。これは、臨床治療の場合と同様に、直径数百マイクロメートルのレーザースポットを用いた研究の障害となっている。 1つのレーザースポットでの定量分析は非常に効率的ですrdensome。本研究では、これらの要求を可能な限り達成しようとする試みがなされている。照射制御プログラムを用いて1.94μm波長の連続波ツリウムレーザを使用することにより、時間的な温度上昇を、短い時間枠内で細胞培養全体で実施することができた。温度分布は光路を変えることによって調整できるので、この設定を使用して異なる種類の温熱関連実験を行うことができる。
<...アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
著者は何も開示することはない。
この研究は、ドイツ連邦教育研究省(BMBF)(助成金#13GW0043C)と欧州航空宇宙研究開発局(EOARD、助成金#FA9550-15-1-0443)
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 試薬 | |||
| ダルベッコ」のモディファイドイーグル」s ミディアム - 高グルコース | Sigma-Aldrich | D5796-500ML | 使用前に (2)-(4) を追加してください。37°Cで暖かい。使用前のCウォーターバス。 |
| 抗生物質抗真菌薬溶液(100回;) | Sigma-Aldrich | A5955-100ML | 10,000 ユニットのペニシリン、10 mg ストレプトマイシン、25 μ;g アムホテリシンBを1mLに含ませました。500mLの中瓶(1)に5.5mLを加えてからご使用ください。 |
| ピルビン酸ナトリウム (100 mM) | Sigma-Aldrich | S8636-100ML | 使用前に500 mL中瓶(1)に5.5 mLを添加(最終濃度:1 mM) |
| タ血清 | Sigma-Aldrich | 12736C-500ML | 使用前に500 mL中瓶(1)に50 mLを添加(最終:10%) |
| リン酸緩衝生理食塩水(PBS) | Sigma-Aldrich | D8537-500ML | |
| ブタ膵臓Sigma-Aldrich | 由来トリプシンT4799-25G | ||
| エチレンジアミン四酢酸 (EDTA) | Sigma-Aldrich | ED-100G | |
| ヒト VEGF Quantikine ELISA キット | R&Dシステム | DVE00 | |
| オキシセレクト総グルタチオンアッセイキット | Cell Biolabs、Inc | STA-312 | |
| アポトーシス/壊死/健康な細胞検出キット | PromoKine | PK-CA707-30018 | |
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
| Equipments | |||
| Thulium laser | Starmedtec GmbH | Prototype | 0-20 W |
| 365 mm core diameter fiber | LASER COMPONENTS Germany | CF01493-52 | |
| Thermocouple | Omega Engineering Inc | HYP-0- 33-1-T-G-60-SMPW-M | |
| 加熱プレート | MEDAX | ||
| マイクロプレート リーダー (分光蛍光光度計) | 分子デバイス | Spectramax M4 | |
| 細胞ホモジナイザー | QIAGEN | TissueLyser LT | |
| 蛍光顕微鏡 | Nikon | ECLIPSE Ti | |
| 数学ソフトウェアプログラム | The Mathworks.Inc | MATLAB、Release 2015b | |
| 、システム設計プラットフォーム | 、National Instrument | Labview | 、Laboratory、Virtual Instrument、Engineering Workbench |
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