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Research Article
Michael S. Xu1, Golnaz Karoubi1,2, Thomas K. Waddell1,3, Siba Haykal1,4
1Latner Thoracic Surgery Research Laboratories,Toronto General Hospital Research Institute, University Health Network, 2Institute of Laboratory Medicine and Pathobiology,University of Toronto, 3Division of Thoracic Surgery, Department of Surgery,University of Toronto, 4Division of Plastic and Reconstructive Surgery, Department of Surgery,University of Toronto
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
プロトコルは、カスタマイズされた灌流バイオリアクター内のフラップ血管系を介したドデシル硫酸ナトリウム界面活性剤の灌流による血管化ブタフラップの外科的調達とその後の脱細胞化について説明しています。
大量の軟部組織の欠陥は機能障害につながり、患者の生活の質に大きな影響を与える可能性があります。外科的再建は、自家遊離皮弁移植または血管新生複合同種移植(VCA)を用いて行うことができるが、そのような方法には欠点もある。ドナー部位の罹患率や組織の利用可能性などの問題は、自家の自由皮弁移植を制限しますが、免疫抑制はVCAの重要な制限です。脱細胞化/再細胞化法を用いた再建手術における人工組織は、可能な解決策を表しています。脱細胞化組織は、基礎となる細胞外マトリックス(ECM)マイクロアーキテクチャを維持しながら、天然の細胞物質を除去する方法を使用して生成されます。これらの無細胞足場は、その後、レシピエント特異的細胞で再細胞化することができる。
このプロトコルは、ブタモデルで無細胞足場を達成するために使用される調達および脱細胞化方法を詳述している。さらに、灌流バイオリアクターの設計とセットアップの説明も提供します。フラップには、ブタ大網、テンソル筋膜ラタ、および橈骨前腕が含まれます。脱細胞化は、低濃度ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)洗剤の ex vivo 灌流とそれに続くDNase酵素処理およびカスタマイズされた灌流バイオリアクターでの過酢酸滅菌によって行われます。
成功した組織脱細胞化は、巨視的にフラップの白色不透明な外観によって特徴付けられる。無細胞フラップは、組織学的染色で核が存在しないこと、およびDNA含有量の有意な減少を示す。このプロトコルは、ECMおよび血管マイクロアーキテクチャが保存された脱細胞化軟部組織足場を生成するために効率的に使用できます。このような足場は、その後の再細胞化研究に使用することができ、再建手術における臨床翻訳の可能性を秘めています。
外傷性損傷および腫瘍除去は、大きくて複雑な軟部組織の欠陥を引き起こす可能性があります。これらの欠陥は、患者の生活の質を損ない、機能の喪失を引き起こし、永続的な障害を引き起こす可能性があります。自家組織フラップ移植などの技術が一般的に実施されてきましたが、フラップの利用可能性とドナー部位の罹患率に関する問題は大きな制限です1、2、3。血管化複合同種移植(VCA)は、筋肉、皮膚、血管系などの複合組織を単一のユニットとしてレシピエントに移す有望な代替手段です。しかし、VCAは長期的な免疫抑制を必要とし、それは薬物毒性、日和見感染、および悪性腫瘍につながります4,5,6。
組織工学的無細胞足場は、これらの制限に対する潜在的な解決策です7。非細胞組織足場は、基礎となる細胞外マトリックス(ECM)マイクロアーキテクチャを維持しながら、天然組織から細胞物質を除去する脱細胞化法を使用して得ることができる。組織工学における合成材料の使用とは対照的に、生物学的に誘導された足場の使用は、生体適合性および臨床翻訳の可能性を可能にする生体模倣ECM基質を提供する8。脱細胞化に続いて、レシピエント特異的細胞を用いた足場のその後の再細胞化は、免疫原性がほとんどまたはまったくない機能的な血管新生組織を生成することができる9,10,11。灌流脱細胞化技術を使用して無細胞組織を得るための効果的なプロトコルを開発することにより、幅広い組織タイプを操作できます。次に、この技術に基づいて構築することで、より複雑な組織への適用が可能になります。これまでに、げっ歯類12、ブタ13、ヒトモデル14の全層筋膜皮膚皮弁などの単純な血管新生組織、ならびにブタ腹直筋骨格筋15を用いて、血管化軟組織の灌流脱細胞化が研究されてきた。さらに、複雑な血管新生組織は、ブタおよびヒト耳16、17モデルおよびヒト全面移植モデル18において実証されるように灌流脱細胞化もされている。
ここでは、プロトコルは、生物学的に誘導されたECM足場を用いた血管化遊離フラップの脱細胞化を記載する。臨床的に関連する3つのフラップの脱細胞化を提示します:1)大網、2)テンソル筋膜ラタ、および3)橈骨前腕、これらはすべて再建手術で日常的に使用される主力フラップの代表であり、組織脱細胞化の文脈の中で動物実験で以前に調べられていませんでした。これらのバイオエンジニアリングフラップは、汎用性が高く、すぐに利用できるプラットフォームを提供し、大きな軟部組織の欠陥の修復と再建の分野で使用するための臨床応用の可能性を秘めています。
動物被験者が関与するすべての手順は、大学保健ネットワーク施設動物管理および使用委員会(IACUC)によって承認されており、大学保健ネットワーク動物資源センターのプロトコルと手順、およびカナダ動物管理ガイドライン評議会に従って実施されています。5頭のヨークシャーブタ(35〜50kg、生後約12週齢)をすべての実験に使用した。
1. 灌流バイオリアクターの作製

図1:灌流バイオリアクターの作製。 灌流バイオリアクターは、(A)プラスチックポリプロピレン組織チャンバー(B)で構成され、気密および水密蓋を備えた灌流チューブを収容するために開けられた側面穴があります。(C)活栓はチューブに取り付けられており、洗剤リザーバーから廃棄物に脱細胞化剤をシングルパス方式で運ぶ灌流チューブを取り付けることができます。(D)互換性のあるポンプカセットを使用して、3ストップチューブを蠕動ポンプに接続します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2.脱細胞化溶液の調製
3. ブタフラップの調達
注: これはターミナルプロシージャです。1頭の豚を使用して3つのフラップすべてを調達しました。すべてのフラップを調達した後、動物を人道的に安楽死させます。

図2:3つのブタ血管化フラップの調達 。 (A)大網。右(i)および左(ii)の胃上過球動脈は、大網皮弁(iii)でカニューレ挿入されている。(B)テンソル筋膜ラタ。フラップの茎(iv)は、外側大腿回旋動脈(v)の上行枝です。(C)橈骨前腕フラップ。橈骨前腕フラップ(vi)の調達は、橈骨動脈と大静脈コミタント(vii)を血管茎として基づいています(注:ドレープはデモンストレーションの目的で省略されました)。スケールバー:3 cm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
4. 脱細胞化システムのセットアップ

図3:組み立てられた灌流脱細胞化システム 。 (a)灌流脱細胞化システムの概略図。流入チューブは、圧力センサーの監視により、洗剤リザーバーからティッシュチャンバーに灌流液をシングルパス方式で運びます。流出チューブは、組織チャンバーから廃棄物容器に灌流液を積極的に除去します。黒い矢印は灌流の方向を示します。蠕動ポンプは、流入を制御するために左側のポンプで使用されます。流出は、それぞれのチューブを通る第2の蠕動ポンプを使用して積極的に除去される。BioRender.com で作成された図。(B)流入蠕動ポンプ(i)を組織室(ii)に接続し、次に流出蠕動ポンプ(iii)を接続してベンチトップに組み立てた灌流脱細胞化システムの写真。流入灌流液圧力は、組織チャンバーに入る前にインライン圧力センサー(iv)で監視されます。ここでは、3つのフラップが並行して脱細胞化されています。洗剤と廃棄物の貯留層はどちらもベンチトップの下にあり、写真には写っていません。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
5.ブタフラップの脱細胞化
表1:灌流-脱細胞化プロトコルパラメータの要約。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
6. 脱細胞化の評価
血管化されたブタフラップを脱細胞化するためのこのプロトコルは、カスタマイズされた灌流バイオリアクター内のフラップ血管系を介したイオンベースの洗剤SDSの灌流に依存しています。脱細胞化に先立ち,ブタ模型の3つの血管化フラップを調達し,主供給容器に従ってカニューレ挿入した。フラップは、特許、灌流可能な血管系を維持するために、調達後すぐにフラッシュされ、脱細胞化が成功しました。気密スナップ蓋容器を使用して、カスタマイズされたバイオリアクターは、密閉された環境内でフラップ灌流を可能にするように設計されました。バイオリアクター内のフラップの灌流は、組織チャンバーに接続された2つの蠕動ポンプを使用してシングルパス方式で達成されました。灌流圧力はインライン圧力センサーで監視した。
脱細胞化中、SDS曝露の持続時間は、処理される組織の種類に依存していた。記載された灌流脱細胞化技術を用いて、大網、テンソル筋膜、および橈骨前腕フラップを、それぞれ0.05%SDSで2日間、3日間、および5日間脱細胞化した。脱細胞化後の滅菌の成功は、フラップを拭き取り、寒天プレート上で綿棒を14日間培養した後、微生物コロニーの増殖がないことによって実証されました。灌流圧力は2 mL / minの流速で監視され、3つのフラップすべての脱細胞化のすべての段階で20〜60 mmHgの範囲でした。脱細胞化の終了時に、フラップは手動制御下でフラッシュされ、自由排液に残された静脈カニューレからの流出の証拠を示しました(補足ビデオ1、補足ビデオ2、補足ビデオ3)。
合計15個のフラップが脱細胞化され、3つの組織タイプのそれぞれについて5回の反復が行われた。調べると、天然組織の肉眼的形態はピンク色に見えましたが(図4A、E、I)、脱細胞化組織は特徴的に白/不透明の外観でした(図4C、G、K)。H&Eによる天然組織の組織学的検査は、青い核の存在を示しています(図4B、F、J)。脱細胞化フラップでは、H&E染色は青色核染色の不在下で細胞物質の喪失を示し(図4D、H、L)、無細胞組織の足場を示した。5回の反復におけるDNA含有量の追加定量は、各フラップに対するスチューデントのt検定によって、天然組織と比較して無細胞足場のDNAの統計的に有意な減少を示しました(図5)。大網では、DNAは天然皮弁の460 ng / mgから124 ng / mgの乾燥組織±、脱細胞化皮弁の25.8 ng / mg±5.90 ng / mgの乾燥組織に減少しました(n = 5、p < 0.05)。テンソル筋膜ラタでは、天然フラップと脱細胞化フラップの間でDNAがそれぞれ297 ng / mgから68.2 ng / mg±58.3 ng / mg±13.5 ng / mgに減少しました(n = 5、p < 0.05)。橈骨前腕フラップは、天然フラップの1180 ng / mgから241 ng / mg±脱細胞化フラップの162 ng / mg±34.9 ng / mgへのDNA減少を示しました(n = 5、p < 0.05)。

図4:3つのブタフラップの脱細胞化。 (A)在来大網、(E)テンソル筋膜ラタ、および(I)橈骨前腕フラップの肉眼検査は、調達直後のフラップのピンク色の外観を示しています。天然組織の組織学的染色は、H&E(B、F、J)による細胞核の明確なヘマトキシリン染色を示しています。脱細胞化後、(C)大網、(G)テンソル筋膜、および(K)橈骨前腕はひどく白く不透明に見えます。組織学的には、3つの脱細胞化フラップはH&E(D、H、L)による核染色の欠如を示しています。スケールバー:200μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:無細胞足場におけるDNA含量の定量。 値は、乾燥足場質量のmgに正規化されます。天然の非脱細胞化組織(n = 5)および脱細胞化組織(n = 5)からの新鮮な組織サンプルを乾燥させ、定量化する前にパパインで一晩消化する前に重量を測定しました。統計的検定では、p値<0.05として定義された有意水準(**)を持つスチューデントのt検定を使用しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1. 0.05%ドデシル硫酸ナトリウムを用いた大網の灌流・脱細胞化の進行を肉眼検査(スケールバー=3cm)およびH&E組織像(スケールバー=200μm)による5日間にわたる経時的検討。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2. 0.05%ドデシル硫酸ナトリウムを用いたテンソル筋膜ラタの灌流・脱細胞化の進行を肉眼検査(スケールバー=3cm)およびH&E組織像(スケールバー=200μm)により5日間にわたって経時的に検討した。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3. 0.05%ドデシル硫酸ナトリウムを用いた橈骨前腕フラップの灌流・脱細胞化の進行を肉眼検査(スケールバー=3cm)およびH&E組織像(スケールバー=200μm)による5日間経時的検討。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ビデオ 1. 動脈カニューレ を介した 脱細胞化大網フラップの代表的な手動灌流(ピンク)は、自由に排出される静脈カニューレ(黄色)からの流出を示しています。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足動画 2.動脈カニューレ(ピンク)を介した脱細胞化テンソル筋膜ラタフラップの代表的な手動灌流は、自由に排出される静脈カニューレ ( 青)からの流出を示しています。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足動画 3.動脈カニューレ を介した 脱細胞化橈骨前腕フラップの代表的な手動灌流(青)は、自由に排出される静脈カニューレ(黄色)からの流出を示す。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
著者は開示する利益相反を持っていません。
プロトコルは、カスタマイズされた灌流バイオリアクター内のフラップ血管系を介したドデシル硫酸ナトリウム界面活性剤の灌流による血管化ブタフラップの外科的調達とその後の脱細胞化について説明しています。
何一つ
| 0.2 &マイクロ;m細孔Acrodisk | フィルターVWR | CA28143-310 | |
| 0.9 % 塩化ナトリウム溶液(通常の生理食塩水) | Baxter | JF7123 | |
| 20 Lポリプロピレンカーボー | イコールパー | マーRK-62507-20 | |
| 3-0 Sofsilk非吸収性外科用ネクタイ | Covidien | LS639 | |
| 3ウェイストップコック | コールパー | マーUZ-30600-04 | |
| 広告鉗子 | ファインサイエンスツール | 11027-12 | |
| 抗生物質-抗真菌溶液、100X | Wisent450-115-EL | ||
| アトロピン硫酸塩15mg / 30ml | 垂木8製品 | 238481 | |
| BD血管20ゲージ | VWR | BD381134 | |
| BD Angiocath 22-Gauge | VWR | BD381123 | |
| BD Angiocath 24-Gauge | VWR | BD381112 | |
| Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | C4901 | ウシ膵臓由来のDNAse 補因子 |
| DNase I | Sigma-Aldrich | DN25 | |
| DNA assay (Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit) | Invitrogen | P7589 | |
| DPBS, 10X | Wisent | 311-415-CL& | nbsp;Ca++/Mg++ |
| Halsted-Mosquito Hemostat | Fine Science Tools | 13008-12 | |
| ヘパリン、1000 I.U./mL | Leo Pharma A/S | 453811 | |
| Ketamine Hydrochloride 5000 mg/50 ml | Bimeda-MTC Animal Health Inc. | ||
| 612316 Ismatec ポンプ タイゴン 3 ストップ チューブ | コールパーマー | RK-96450-40 | 内径: 1.85 mm |
| Ismatec REGLO 4 チャンネル ポンプ | コールパーマー | 78001-78 | |
| イスマテック チューブ カセット | コールパーマー | RK-78016-98 | |
| イソフルラン 99.9%、250 ml | カナダ製薬パートナーズ | 2231929 | |
| LB 寒天 レノックス | バイオショップ カナダ | LBL406.500 | 無菌試験寒天プレート |
| 硫酸マグネシウム | Sigma-Aldrich | M7506 | DNAse 補因子 |
| Masterflex L/S 16 チューブ | コールパーマー | RK-96410-16 | |
| ミダゾラム 50 mg/10 ml | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2242905 | |
| モノポーラ 焼灼ペンシル | Valleylab | E2100 | |
| ノーマル バッファード ホルマリン、10% | シグマ アルドリッチ | HT501128 | |
| N°11メスの刃 | スワン・モートン | 303 | |
| パパイヤラテックスからのパパイン | シグマ・アルドリッチ | P3125 | |
| 過酢酸 | シグマ・アルドリッチ | 269336 | |
| 1/4 インチから 1/8 インチのプラスチック有刺鉄線コネクタ | マクマスター・カー | 5117K61 | |
| プラスチック有刺鉄線チューブ 90°エルボーコネクター | McMaster-Carr | 5117K76 | |
| プラスチッククイックターンチューブプラグ | McMaster-Carr | 51525K143 | オス ルアー |
| プラスチッククイックターンチューブソケット | McMaster-Carr | 51525K293 | メス ルアー |
| パンチ生検ツール | インテグラ ミルテックス | 3332 | |
| 塩化カリウム 40 mEq/20 ml | ホスピーラ ヘルスケア コーポレーション | 37869 | |
| ポビドン-ヨウ素、10% | Rougier | 833133 | |
| Serological Pipet、2mL | Fisher Science | 13-678-27D | |
| スナップ蓋 気密容器 | SnapLock | 142-3941-4 | |
| ドデシル硫酸ナトリウム粉末 | Sigma-Aldrich | L4509 | |
| 外科用金属結紮クリップ、小型 | テレフレックス | 001200 | |
| スティーブンス腱切開はさみ、115 mm、ストレート | B. Braun | BC004R | |
| TruWave 圧力監視セット | Edwards Lifesciences | PX260 |