ここでは、ナノファイバー膜ベースの2層システムで線維芽細胞を培養した上皮細胞が、膜に安定して付着して増殖する様子を示します。
このコンテンツを表示するには、JoVEへの購読が必要です。 または、無料トライアルをお申し込みください。
ここでは、ナノファイバー膜ベースの2層システムで線維芽細胞を培養した上皮細胞が、膜に安定して付着して増殖する様子を示します。
上皮細胞の培養における技術的なハードルには、脱分化や機能の喪失などがあります。バイオミメティック3次元(3D)細胞培養法は、細胞培養の効率を高めることができます。本研究では、3次元環境下で線維芽細胞を培養し、上皮細胞を組織様層として培養することを目的とした先進的な2層培養システムを紹介する。ポリビニルアルコール(PVA)およびポリ(ε-カプロラクトン)(PCL)ナノ繊維膜(NM)は、エレクトロスピニングによって作製され、それぞれ上皮細胞および線維芽細胞の培養に生理学的に関連する細胞外マトリックスとして利用されました。上部インサートウェルでは、肺上皮細胞をPVA NMで培養し、下部チャンバーでは、線維芽細胞をPCL NMで培養しました。この構成により、細胞間直接の接触が排除され、可溶性因子によって媒介されるパラクリンシグナル伝達の検査が容易になります。共焦点顕微鏡法を用いて、上皮細胞の閉塞帯を含む細胞内タンパク質の分布、成長パターン、および発現を解析しました。Zスタッキング技術により、詳細な3D再構成が可能になり、上皮層内のタイトジャンクションと空間構成の完全性に関する正確な洞察が得られました。走査型電子顕微鏡(SEM)は、ナノファイバー膜上の細胞タイプの形態学的特性を評価しました。SEMイメージングにより、複雑な細胞表面構造とナノファイバーとの相互作用が明らかになり、細胞構造とナノファイバー構造との細胞相互作用に関する包括的な視点が得られました。Cell Counting Kit-8(CCK-8)アッセイは、上皮細胞および線維芽細胞の増殖速度を経時的に測定するための簡単な方法です。これは、これらの細胞を共培養することによる増殖挙動と潜在的な相乗効果を提供します。これらの知見は、上皮組織の再生、内皮細胞、免疫細胞、その他の間質細胞による腫瘍微小環境、毒性アッセイ、薬物活性試験など、さまざまな生理学的および薬理学的状況で重要な、線維芽細胞と上皮細胞の同時培養のための単純なインサート共培養システムの有効性を強調しています。
何十年にもわたって、古典的な二次元(2D)単層培養は、感染症、薬理学、毒物学を理解するために不可欠でした1,2。ただし、組織微小環境の複雑さ、マルチコンポジション間の動的相互作用、および3次元(3D)アーキテクチャを考慮することが重要です。したがって、2D細胞培養は、組織様構造を模倣することに限界がある3,4。例えば、細胞間および細胞間マトリックス(ECM)シグナル伝達が欠如しており、これは生体内微小環境における細胞分化、増殖、細胞機能に不可欠です。これらの理由から、3D細胞培養のシステムが開発されてきました5。3D培養中の細胞は、周囲の細胞外マトリックスと3次元で増殖し、相互作用します。さらに、単純な単一細胞タイプのin vitroモデルとin vivoで発生する動的な細胞相互作用との間のギャップを埋めるために、複数の細胞タイプで構成される3D共培養アプローチが開発されました6。3D共培養システムは、細胞間コミュニケーションおよび細胞-細胞外マトリックス(ECM)相互作用の研究で人気を博しています7,8,9,10。現在の3D共培養システムにはいくつかの形態があり、直接共培養と間接共培養に分けることができる8,9。直接共培養では、培養細胞のさまざまな細胞機能が、パラクリン効果ではなく直接接触によって主に影響を受ける可能性があります。これに対し、間接共培養は、バリアや層を使用して異なる細胞タイプを分離することにより、パラクリンの相互作用を研究する上でより大きな利点があります。
生体適合性および生分解性物質10を用いてECMを模倣した生体模倣スキャフォールドを作製するために、種々の材料および方法が利用されている。ナノファイバー状の足場構造は、生体組織における天然ECMの形状を模倣し、細胞培養のための3D構造を提供する11,12。エレクトロスピニングナノファイバー膜(NM)は、異なる種類の細胞の直接的および間接的な共培養に使用されてきた13,14,15。
上皮細胞は主要な器官の物理的障壁を形成しますが、線維芽細胞はECMリモデリングを媒介し、隣接する上皮を調節する主要な間質細胞です6,16,17。上皮細胞および線維芽細胞は、細胞表面上のインテグリン受容体を介して、それぞれ基底膜のラミニンおよび間質マトリックスのフィブロネクチンと相互作用する18。直径150-250nmのポリ(ビニルアルコール)(PVA)NMと微細孔で上皮細胞を培養すると、細胞凝集体やスフェロイドの代わりに多層を形成し、その増殖パターンは上皮組織の細胞と類似している19。これに対し、直径400-1,500 nmおよび10-50 μmの微細孔を有するポリ(カプロラクトン)(PCL) NMは、培養線維芽細胞の増殖のための間質マトリックスと同様の空間的次元を提供する13,14。PVAおよびPCLメンブレンは、その生体適合性により、組織工学で一般的に使用されるポリマーです20,21。
本研究では、多孔質エレクトロスピニングNMを用いて、上皮細胞を組織状層として、また3次元構造内の線維芽細胞として培養する先進的な2層培養システムを紹介します。このプロトコールは、ナノファイバーの作製、ファイバーの架橋後および品質評価、膜付着培養ウェルの調製、細胞播種および3D共培養、3D培養細胞のアッセイの5つの主要な段階に分けることができます。
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。
1. 水安定性PVAナノファイバーの作製
2. 塩酸(HCl)蒸気によるPVAナノファイバー膜の処理と繊維品質評価
注:PVA NMsの水安定性は、HCl蒸気による架橋後反応後も良好に維持されます。PVAは非常に親水性のポリマーであり、エレクトロスピニングPVAナノファイバーは水との接触や湿度の高い条件下では不安定です。PVA NMは、PVAポリマーの製造直後にHCl蒸気で処理する必要があります。
3. PCLナノファイバーの作製とナノファイバー品質評価
4. トランスウェル内での2層のメンブレンの組み立て
注:このプロトコルでは、24ウェルプレートとそれに対応するインサートウェルを使用します。PVA NMはインサートウェルに取り付けられ、PCL NMはボトムウェルに取り付けられています。
5. 共培養モデルのための細胞播種と2層の組み立て
注:MLE-12細胞は、10%ウシ胎児血清(FBS)および1%ペニシリン/ストレプトマイシン抗生物質を含む1x Dulbecco's Modified Eagle Medium(DMEM)/F12で培養しました。NIH3T3細胞を、10%FBSおよび1%ペニシリン/ストレプトマイシン系抗生物質を含む1x DMEM高グルコースで培養しました。
6. 細胞分布アッセイ
7. 3D共培養細胞の共焦点観察
注:PVA NMへの上皮細胞の接着は、PCL NMへの線維芽細胞のそれに比べて弱いです。ピペット吸引で古い培地を手動で廃棄し、新しい培地または溶液をウェルの壁にそっと加えます。染色中は、メンブレンを乾燥させないようにしてください。
注:細胞接着は、ラミニンをコーティングするか、またはインテグリン結合モチーフのペプチドをPVAナノファイバーに組み込むことによって改善することができる19。
8. ナノファイバーへの細胞接着のアッセイ
9. 細胞増殖アッセイ
注:このプロトコルでは、CCK-8アッセイを使用して、製造元の指示に従って細胞増殖速度を定量化します。
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。
このプロトコルは、ナノファイバー膜ベースの2層モデルを構築することにより、MLE-12肺上皮細胞とNIH3T3線維芽細胞を共培養するための重要なステップを概説しています(図1)。このモデルは、共培養細胞の生細胞イメージング、免疫組織化学、およびエンドポイント定量分析に適しています。他の細胞型も、細胞密度および増殖条件を最適化することによって利用することができる。
SEMは、ビード形成なしで作製されたPVAナノファイバーの均一な分布を示しています(図2A)。PVAナノファイバーの直径は、150nm〜230nm(180nm±25nm、平均±標準偏差(SD))の範囲でした。エレクトロスピニングPCL NM中のナノファイバーはランダムに配向しており、構造的にはコラーゲンに類似していました(図2B)。PCL NMのほとんどのファイバーの直径は300 nm〜7 μm(3.8 μ ± 2.5 μm)でした。したがって、...
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。
2D培養モデルから3D培養モデルへの移行は、 in vitro 共培養モデルの開発における大きな進歩を表しています。3D培養モデルは、細胞が増殖、凝集、および分化できる組織微小環境を模倣する必要があります22。スキャフォールドベースの3D共培養モデルを使用することで、組織構造の複製が強化されます。本研究では、NMベースのトランスウェルシステムにより、2種類の細胞を間接的に3D共培養します。下部チャンバーに大きな細孔を持つPCL NMは、細胞への浸潤を可能にし、間質マトリックスを模倣します。この足場は、線維芽細胞の成長と空間的組織をサポートします。上部チャンバーにPVAナノファイバーメンブレンを使用すると、層内にMLE-12上皮細胞を形成できます。PVAナノファイバー膜の直径および細孔サイズは、それを上皮細胞の接着および増殖を支持するための理想的な基質にしており、これは上皮組織の基底膜上の上皮細胞を模倣している19。
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、利益相反を宣言しません。
この研究は、韓国保健福祉部(HR16C0001)が資金提供する韓国健康産業開発院(KHIDI)を通じた韓国医療技術研究開発プロジェクトからの助成金によって支援されました。教育部の資金提供による韓国基礎科学院(国立研究施設設備センター)の助成金による基礎科学研究能力強化プロジェクト(2019R1A6C1010003)。韓国政府(MSIT)の資金提供を受けた韓国国立研究財団(NRF)の助成金(2022R1A4A5032702)。
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。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.05% トリプシン/EDTA | Welgene | LS015-01 | |
| 100x ペニシリン/ストレプトマイシン | Gibco | 10378016 | |
| 20x PBS | LPS solution | CBP007A | |
| 4% パラホルムアルデヒド | Biosesang | PC2031-050-00 | |
| Alexa Fluor-594 標識 ZO-1 抗体 | Invitrogen | 339194 | |
| 抗体希釈剤OP Quanto | Epredia | 10129-576 | |
| CCK-8 assay kit | Donginbio | CCK-3000 | |
| Cell culture dish (150x20) | SPL | 20151 | |
| CellTracker Green CMFDA | Invitrogen | C7025 | |
| CellTracker Red CMTPX | Invitrogen | C34552 | |
| Chloroform | Samchun | C0584 | |
| 円錐管 | SPL | 50050 | |
| カバーガラス | コーニング | CLS2980245 | |
| DMEM 高グルコース | Welgene | LM001-05 | |
| DMEM/F12 | Welgene | LM 002-05 | |
| DURAN デシケーターベース、平面フランジ、ねじ山付き | DWK Life Sciences | 7.022 260 | |
| DURANガラスデシケーター蓋&ストップコック | ダイハンサイエンス | SM.2444061 | |
| DURANストップコック PTFEスピンドル付 | DWKライフサイエンス | ||
| エレクトロスピニングマシン | ナノNC | ESR200RD | |
| エチルアルコール ピュア | シグマ アルドリッチ | 459844 | |
| FBS | シグマ アルドリッチ | TMS-013-BKR | |
| 蛍光レーザー共焦点スキャナーモジュール K1-fluo | ナノスコープシステム | ||
| ゲル/マウント | Biomeda Corp. | M01 | |
| グルタルアルデヒド溶液 | Sigma Aldrich | 340855 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H1399 | |
| 金属ノズル 27G | NanoNC | ||
| マニキュア ネイチャー | リパブリック | ||
| ノーマルヤギ血清 | ベクターラボラトリーズ | S-1000 | |
| 四酸化オスミウム | Sigma Aldrich | 201030 | |
| Phalloidin-iFlour 488 | abcam | ab176753 | |
| プラスチックSyringe_Lureロック (10 mL) | HENKE SASS WOLF | AL10 | |
| ポリ(アクリル酸) | Sigma Aldrich | 323667 | |
| Poly(ビニルアルコール) | Sigma Aldrich | 341584 | |
| Polycaprolactone | Sigma Aldrich | 440744 | |
| PureHCL | Duksan | 1129 | |
| 走査型電子顕微鏡 | SEC | SNE-4500M | |
| スライドガラス | マリエンフェルド スーペリア | K15663717 | |
| シルガード 184 セット | 全知 | OMNI.05255 | |
| シナジー H1 マルチモード リーダー | Biotek | ||
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 |
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。