次のプロトコルは、ナノスケールのパターン化されたフィブリルを用いたコラーゲンハイドロゲルの製造のためのせん断ベースの押出法を示しており、これは幅広い組織工学アプリケーションに適用することができます。
方法論記事
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次のプロトコルは、ナノスケールのパターン化されたフィブリルを用いたコラーゲンハイドロゲルの製造のためのせん断ベースの押出法を示しており、これは幅広い組織工学アプリケーションに適用することができます。
再生バイオマテリアルは、細胞と材料の相互作用を促進し、損傷した組織や臓器の修復を導くように設計されています。これらの材料は、天然組織の生物物理学的特性を模倣するように設計されており、再生組織ニッチの回復に貢献する細胞表現型および形態学的ガイダンスを提供します。一般的な細胞外マトリックスタンパク質であるコラーゲンは、その生体適合性やその他の好ましい特性により、これらの再生生体材料の一般的な成分です。現在の研究では、指向性フィブリルパターニングを備えた人工ナノフィブリルコラーゲンの作製のための新しく簡単な方法について説明しています。せん断応力、温度、pHの操作により、コラーゲンの線維化と整列は、特殊な機器を必要とせずに正確に制御されます。このアプローチにより、異方性または等方性を示す組織の天然構造を模倣するナノフィブリルコラーゲン生体材料の作成が可能になります。コラーゲンナノフィブリルパターニングの柔軟性は、細胞挙動のナノスケールパターニングの研究を容易にするだけでなく、パターン化された組織工学の応用に多様な可能性を提供します。
再生医療の目標は、工学的治療薬の応用を通じて組織の再生と治癒を促進することです。1つのアプローチには、天然組織の組成と構造を密接に模倣する生体材料構築物の作製が含まれます。これらのコンストラクトを設計する際には、細胞の増殖、遊走、分化の指導的な手がかりを提供し、最終的に組織再生を促進する天然の細胞外マトリックス(ECM)が重要な考慮事項となります1,2。天然のECMは、主に繊維状コラーゲン3,4で構成されています。骨格筋や腱などの高度に組織化された組織では、これらのECMは整列したパターンを示し、これは組織全体の力の伝達と運動機能をサポートするための鍵となります5,6。
組織工学用途の生体材料としてのコラーゲンの有用性は、天然組織での広範な普及を超えて、優れた生体適合性、生分解性、および細胞親和性も示しています7,8,9。コラーゲンベースの生体材料の開発における最近の進歩は、特定の組織再生に不可欠な機械的および生化学的手がかりをより良く導くための生物物理学的特性の改良に焦点を当てています。in vitroで繊維構造を持つコラーゲン生体材料を作製することは比較的簡単で、酸可溶性コラーゲン分子は暖かい温度と中性のpH10,11にさらされるとナノフィブリルに自己組織化することができます。しかし、ガイド付きの操作を行わないと、これらのフィブリルはランダムなネットワークを形成し、異方性組織工学アプリケーションには適していません。整列したフィブリルを製造できる技術には、エレクトロスピニングおよびウェットスピニング、他の溶液押出技術12、13、凍結乾燥14、電気化学的または磁気的加工15、16、せん断流堆積17、流動誘起結晶化18、ゲル押出し19、ひずみ誘起アライメント20、および流体の操作による力誘導アライメントが含まれるフロー 21,22.しかし、これらの方法の多くは、コラーゲンとの適合性があまり高くない、マイクロスケールではアライメントを生成するがナノスケールでは生成しない、アライメントと安定性を誘導するために追加の後処理ステップが必要、または高度に専門化された機器や試薬を必要とするため、広く採用することが困難です。
現在の研究では、シリンジポンプやエレクトロスピナーなどの特殊な機器を必要とせずに、整列またはランダムに配向した線維パターニングを備えたナノフィブリルコラーゲンの作製のための簡単なせん断ベースの方法が示されています。この技術は、コラーゲン線維形成のpH依存性を利用しています。中和バッファー内の酸性モノマーコラーゲンにせん断力を加えると、せん断方向に沿った整列した線維化が促進されます。同様に、コラーゲンは、せん断がない場合に線維形成を受けるように誘導することができ、これによりランダムなパターンの線維が生成されます。得られた3Dコラーゲンストリップは、整列したまたはランダムにパターン化されたナノフィブリルコラーゲンで構成されており、ナノスケールのパターニングが細胞の挙動に及ぼす影響を研究するためのツールとして役立ちます。さらに、それらは、異方性および等方性組織工学アプリケーション23,24,25,26,27の両方に対して多様な可能性を提供する。パターニングは、目的の天然組織の構造に一致するようにカスタマイズできます。コラーゲンストリップは、さまざまなサイズの束に組み合わせて、さまざまなサイズや形状の損傷で移植された人工治療薬として機能することもできます。
1. 透析コラーゲンの調製(図1)
2. ガラスチップの調製(図1)
注意:プロトコルのこの部分には目の保護具を使用してください。
注:細胞培養実験には、特別にコーティングされた疎水性スライドガラスが使用されます。スライドは、表面コーティングの除去を防ぐために、エッジで取り扱う必要があります。適切な切断面でガラス切断手順を実行します。
3. 10xリン酸緩衝生理食塩水(PBS)の調製
4. 整列したコラーゲンナノフィブリルの作製(図2)
5. ランダムコラーゲンナノフィブリルの作製(図3)
6.滅菌と再水和
注意: バイオセーフティキャビネットで次の手順をすべて完了します
このプロトコルは、整列(図2)またはランダム(図3)配向したナノフィブリルで構成されるコラーゲンハイドロゲルを製造するための簡単なせん断ベースの押出技術について説明しています。ナノフィブリルパターニングは、シリンジ速度とコラーゲン押出速度の組み合わせによる調整によって達成されるせん断力の精密な制御に依存しています。フィブリルアライメントを誘導するための最適値は、以前に340 mm / sのシリンジ速度と3.2 mL / minのコラーゲン押出速度であると決定されています28,29。このバランスは、整列したナノフィブリルの形成だけでなく、マクロスケールでのハイドロゲルの機能を確保するためにも重要です。この比率がずれていると、思った通りにパターン化されていないハイドロゲルや、コラーゲンストリップを含むハイドロゲルが薄すぎる(直径<0.5mm)、厚い(直径>1.5mm)、波状になって使用する恐れがあります。たとえば、シリンジの動きが速すぎると、押し出し速度が遅すぎると、ストリップが薄くなりますが、反対の比率では、比率の不均衡の程度に応じて、厚いまたは波状のストリップが生成されます(図4A-D)。これらの巨視的な特性の違いは、細胞の沈着と局所接着に影響を与えるのに十分なストリップ間のばらつきを生み出す可能性があります。
コラーゲンの押し出しと組み立てに続いて、ハイドロゲルの作製は初期乾燥段階(多くの場合は1〜3時間)を経て進行し、その後、1x PBSで洗浄ステップを受けます(図2 および 図3)。最適なトポグラフィー結果を達成するには、洗浄ステップのタイミングと強度の微妙なバランスが必要です。洗浄が不十分または遅延すると、繊維トポグラフィーが乱れ、フィブリル上のPBS塩結晶の痕跡によって示されます。対照的に、製造後のコラーゲンの過剰または時期尚早な洗浄は、トポグラフィーの特徴を覆うコラーゲンの溶解層をもたらします(図4E、F)。
走査型電子顕微鏡(SEM)は、コラーゲンハイドロゲル内の整列したまたはランダムなナノフィブリル配向の存在を確認します。配向したヒドロゲルとランダムヒドロゲルの両方において、ナノフィブリルは30〜50 nm29のフィブリル直径を示す。定性的には、整列したハイドロゲルが一軸整列したナノフィブリルを含んでいることは明らかです(図5)。このアライメントは、以前に2D高速フーリエ変換解析を使用して定量化されており、アライメントプロットは、アライメントされたハイドロゲルに対して180°間隔で2つの異なるピークを表示し、低周波のピークのみを示すランダムに配向されたハイドロゲルとは対照的です28。
初代マウス骨格筋筋芽細胞の明視野画像は、コラーゲン線維の異方性ナノトポグラフィー誘導が細胞の整列を促進することを示しています(図6)。これらのナノパターン化されたコラーゲンハイドロゲルは、筋芽細胞26だけでなく、内皮細胞23,24などの他の細胞タイプでも細胞の整列を誘導することが示されています。

図1:超高密度コラーゲンとカットガラススライド調製の概略図:(A-F)コラーゲン透析のプロセス:(A)透析チューブを3インチストリップに調製し、最初のクリップを固定、(B)高密度ストックコラーゲンをチューブに装填して2番目のクリップを固定、(C)ロードされた透析チューブをポリエチレングリコール(PEG)フレークで包む、 (D)飽和PEGフレークの除去、(E)PEGフレークの水洗い、(F)超高密度コラーゲンの微量遠心チューブへの保存。(G-L)スライドガラスの切断プロセス:(G)研究用スライドガラスの入手、(H,I)ダイヤモンドチップガラスカッターによるスライドガラスのスコアリング、(J)スコアのない側からのスライドガラスの破損、(K)カットガラスの水洗い、(L)スライドガラスの乾燥。BioRenderを使用して作成。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2:整列したコラーゲンハイドロゲルの作製プロセス ステップ1:10x PBS温めたバッファーへのコラーゲンのせん断下での押し出しと線維化の誘導。 ステップ2:カットガラススライドへの押し出しコラーゲンの取り付け。 ステップ3:ヒドロゲルのサイズを拡大するための追加の押し出しコラーゲンの取り付け。 ステップ4:コラーゲンハイドロゲルの乾燥。BioRenderを使用して作成。 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3:ランダムコラーゲンハイドロゲルの作製プロセス。ステップ1:カットされたスライドガラス(シングルストリップ)へのコラーゲンの押し出し。 ステップ2:コラーゲンの継続的な押し出しはサイズを増加させます(複数のストリップ)。 ステップ3:押し出しコラーゲンを10X PBSバッファーに浸して、線維化を開始します。 ステップ4:ハイドロゲルの乾燥。BioRenderを使用して作成。 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4:コラーゲンハイドロゲルの作製プロセスで起こりうるエラーステップ(A-F)最適な厚さのコラーゲンストリップ、(B)過度に厚いコラーゲンストリップ、(C)厚さが不十分なコラーゲンストリップ、(D)波状のコラーゲンストリップ、(E、F)走査型電子顕微鏡で示したコラーゲン表面の過剰洗浄の例。スケールバー = 1 μm. 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:整列したコラーゲンハイドロゲルとランダムコラーゲンハイドロゲルの走査型電子顕微鏡画像。 画像は電子顕微鏡を使用して撮影しました。ビーム条件は2keV、電流範囲は25〜100pA、作動距離は4〜5mmに設定されました。画像は、6144 x 4096 ピクセルの解像度で一貫して 1 μs の滞留時間で保存されました。スケールバー = 1 μm. 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6:整列したランダムなコラーゲンハイドロゲルで培養した初代マウス筋芽細胞。 筋芽細胞は、イメージングに先立って3日間、ハイドロゲル上で培養しました。明視野画像は、倒立顕微鏡を使用して10倍の倍率で撮影されました。矢印は整列したナノフィブリルの配向を示します。スケールバー = 100 μm. 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。
プロトコールの重要なステップは、1)コラーゲン線維化、2)ハイドロゲルのマウント、3)洗浄の3つの主要な部分に蒸留できます。コラーゲン線維形成の過程は、中和条件下で自発的に起こり、個々のコラーゲン分子のより大きな安定化線維構造への自己組織化に依存している10,11。これは、37°Cに温められた10x PBSのような中和緩衝培地を適用することで達成され、コラーゲンのフィブリルへの完全な発達を保証する静電相互作用を導くために重要です。ナノスケールの繊維状直線は、線維形成の発生と同時にせん断力を加えることによって達成されます。せん断の有無、およびせん断速度によって、フィブリルのパターン化が決まります。第二に、ハイドロゲルの取り付けは、コラーゲンの収縮と脱水が起こる乾燥プロセス中に物理的なアンカーを提供することにより、材料の安定性を強化するための重要なステップです。このステップは、意図された使用がin vitro細胞播種である場合、コラーゲンを硬い基質に固定し、制御不能な収縮を防ぐため、特に重要です。取り付けプロセスは、ランダムパターン化ヒドロゲルと整列パターン化ヒドロゲルでわずかに異なります。ランダムなハイドロゲルを適切に接着するには、フィブリロジェネシスの前に、取り付け面(通常はガラス)の端に沿ってコラーゲンを追加で堆積させ、表面に固定する必要があります。整列したパターニングが施されたハイドロゲルは、取り付け面の端に巻き付けられ、同じ固定目的を果たします。整列したハイドロゲルに関する重要な追加考慮事項は、コラーゲンストリップの初期配置がハイドロゲルの形状と均一性を決定することです。その後のストリップの配置は、堆積したコラーゲンの表面張力によって導かれ、配置後にヒドロゲルに触れないように注意します。最後に、ハイドロゲルのトポグラフィー特性を維持するためには、取り付け後の適切なハイドロゲルの乾燥と洗浄が不可欠です。乾燥が不十分な場合、1x PBSまたは水で洗うと、コラーゲンの層が溶けたり、ケーキのような層になってしまうことがあります。これを防ぐためには、ハイドロゲルの完全な乾燥が不可欠であり、PBS結晶の形成とコラーゲン混濁の増加によって視覚的に確認することができます。
コラーゲンハイドロゲルは、in vitro研究とin vivo 23,24,25,26,27の再生工学アプリケーションの両方に使用されています。ハイドロゲルは非滅菌条件下で製造され、細胞培養または移植の形態の前に滅菌する必要があることに注意することが重要です。推奨される滅菌形態は70%エタノールであり、紫外線のような他の形態の滅菌は、コラーゲン分子30の架橋および分解を通じてナノフィブリルパターンを破壊する。しかし、蒸発および洗浄ステップによるエタノールの除去は、細胞適合性に悪影響を及ぼす可能性のある残留エタノールを最小限に抑えるために重要です。ストックコラーゲンのバッチ間のばらつきは、透析された高密度コラーゲンの作業濃度のばらつきにつながる可能性があり、それが線維形成プロセスに影響を与える可能性があります。アプリケーションによっては、アライメントされた異方性パターニングよりもランダムな等方性パターニングが好まれる場合があります。したがって、現在のプロトコルでは、フィブリル組織を調節するための両方のアプローチを含めました。
このプロトコルで説明されているせん断ベースの押出法の限界は、プロセスが高度に手動であり、ユーザーに依存することです。再現性のある結果を得るためには、各オペレーターをキャリブレーションするために、かなりのトレーニングと練習が必要です。これは、スループットが低くなり、精度を確保するために時間がかかる可能性があることを意味します。これらの制限の一部は、3Dプリンティング、エレクトロスピニング、ソフトリソグラフィー、サーフェスリソグラフィーなど、高度に自動化された機械ベースの製造方法を使用して解決できます。しかし、これらの他の方法とは異なり、この完全に手動のナノフィブリル作製手順は、特別な機器を必要とせず、アクセス可能で手頃な価格です。3Dプリンティング手法の進歩と費用対効果が向上するにつれて、このプロトコルを3Dプリンティング技術に適応させ、統合する可能性があります。このような統合は、まだ可能ではありませんが、このプロトコルの一貫性とスループットを向上させる役割を果たします。
2つの異なるハイドロゲルトポグラフィーの作製は、細胞の形態、挙動、および組織再生に関するコラーゲンフィブリルのナノトポグラフィーガイダンスを掘り下げるユニークな機会を提供します。さまざまな線維トポグラフィーに対する応答を観察することで、基質ナノスケールのパターニングが細胞の表現型にどのように影響するかについての洞察を得ることができます。例えば、以前の研究は、内皮細胞が整列したナノフィブリルの上に細長い形態を採用すると、抗炎症性の表現型を示し、乱れた流動条件に対する抵抗性が増加することを示している24。これらの知見は、アテローム性動脈硬化病変の発症に関する理解を深めるだけでなく、将来のアテローム性動脈保護バイパス移植片の設計にも期待が寄せられています。これらのコラーゲンハイドロゲルは、組織工学の用途に使用でき、移植前に成長因子または細胞を豊富にして治療効果を高めることができます25,26,27。比較分析により、整列したトポグラフィーを持つハイドロゲルは、ランダムなトポグラフィーを持つハイドロゲルと比較して優れた筋肉再生と血管新生を示すことが明らかになっています26、また、これらのハイドロゲルは、筋原性成長因子を含ませてマウス損傷モデル27の組織再生を促進するために、非細胞性の「既製」の形で使用できることが明らかになりました.これまでの主な焦点は、これらのハイドロゲルを筋肉損傷の潜在的な治療薬として使用することでしたが、それらは幅広い再生および組織工学のアプリケーションに適用できる可能性があります。
申告すべき利益相反はありません。
この研究は、Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training、MTF Biologics、Oregon Health & Science University Foundation、Collins Medical Trustからの資金提供によって部分的に支援されました。KMHは、全米科学財団大学院研究フェローシップ(DGE-1937961)およびオレゴン学生学習体験研究(OSLER)フェローシップ(5TL1TR2371-8)の支援を受けました。K.H.N.は、NIH/NHLBI(R00HL136701)およびNIH/NIAMS(R01AR080150)からの助成金によって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| コラーゲンI.、高濃度、ラットテール | ニング | CB354249 | |
| エクリプスTE-2000-U顕微鏡 | コン | TE-2000-U | 倒立顕微鏡 |
| 超厚手顕微鏡スライド | フィッシャーサイエンティフィック | 22-267-005 | コラーゲン押出面に適しています |
| FEI Helios G3 NanoLab DualBeam | サーモフィッシャーサイエンティフィック | N/A | 走査型電子顕微鏡 |
| ガラスカッターツールセット 2mm-20mm ペンシルスタイル オイルフィード カーバイドチップ | Amazon/MOARMOR | B07Y1D243Hガラス | カッターのオプション |
| ハミルトン Kel-F ハブ ブラントポイントニードル (ルアーロック、22 G) | Fisher Scientific | 14-815-574 | コラーゲン押出し用針 |
| Nexterion スライド H 3-D | ショット | NC0782819 | 疎水性スライド |
| PBS 錠剤 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 18912014 | |
| ポリエチレングリコール 8000 | フィッシャーバイオ試薬 | BP233-1 | |
| シームレスセルロース透析チューブ | フィッシャーサイエンティフィック | S25645G | |
| スネークスキン透析クリップ | サーモフィッシャーサイエンティフィック | PI68011 | |
| シンセグラスグラスカッター | シンセウェア | 31-501-927 | ガラスカッターのオプション |