鉄粒子が埋め込まれた超軟質シリコーンエラストマー(ポリジメチルシロキサン、PDMS)を使用して製造された動的で可逆的な剛性アッセイプラットフォームを紹介します。この新しいアッセイは、コンタクトガイダンスを含む、細胞表現型における創発的な時間依存的な物理的変化の研究に適しています。ここでは、マトリックス硬化時の新生仔ラット心筋細胞の整列をマグネティクスを用いて測定します。
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鉄粒子が埋め込まれた超軟質シリコーンエラストマー(ポリジメチルシロキサン、PDMS)を使用して製造された動的で可逆的な剛性アッセイプラットフォームを紹介します。この新しいアッセイは、コンタクトガイダンスを含む、細胞表現型における創発的な時間依存的な物理的変化の研究に適しています。ここでは、マトリックス硬化時の新生仔ラット心筋細胞の整列をマグネティクスを用いて測定します。
機械的およびトポグラフィーなどの基質関連の手がかりは、細胞応答に深く影響します。ただし、基礎研究の多くは、静的または孤立した効果を採用しています。これらの機械的影響が創発的な細胞応答に及ぼす影響の方向性と時間スケールは、まだほとんど解明されていません。時間とともに変化する基質関連刺激が生理学的および病理学的プロセスをどのように駆動するかを調べるツールは、機械生物学的洞察を次のレベルに引き上げることができます。ここでは、外部磁界に応答して急速に硬化および軟化できるマイクロパターン化された磁性流体エラストマー(MRE)を使用しており、新生仔ラットの心筋細胞の配向とアライメントに対する機械的(剛性)および接触誘導(トポグラフィー)刺激の影響をより厳密に調査することができます。機械的剛性の動的制御を時間的に調整および逆転させることにより、(1)同一条件下でのプレコンディショニング、および(2)心筋梗塞などの臨床的に関連する現象を適切に模倣するために in vitro バイオメカニクスを急激に変更することにより、負荷の影響を厳密にテストできます。このアプローチにより、負荷が細胞応答に与える影響をより現実的かつ制御された方法で研究することができます。
心臓が効率的に血液を送り出す能力は、心筋の構造と機械的特性(剛性)に依存しており、細胞と組織の正確な組織化は協調的な収縮と全体的な機能に不可欠です。心筋は主に心筋細胞(CM)で構成されており、成人では、細胞の長さに沿って整列したサルコメア(CMの収縮単位)を備えた細長い、ほぼ棒状の形態を示します。対照的に、胎児または人工多能性幹細胞(iPSC)由来のCMは、成人のCMとは大きく異なります。それらは、より丸みを帯びた形状、単一の核、無秩序または整列していないサルコマー体構造、および不規則な鼓動周波数を持つ傾向があります。心筋の生体内組織の構造的類似性により、収縮と力の伝達の同期が可能になります。これは、in vitroモデルを通じて天然の心筋を再現するために重要かつ不可欠です。成熟心筋と同様の構造特性を持つCMを生成するために、以前の研究では、基質剛性の操作1,2、機械的ひずみの適用3、接触ガイダンス4,5の利用、または電気的ペーシング6,7の採用を含む、成熟を促進するための成功した戦略が実証されています。
細胞外環境の硬さが細胞に影響を与えることは、以前から理解されてきました。人体には、脳内の数百パスカル(Pa)から骨8,9,10の数十ギガパスカル(GPa)まで、非常に多様な硬さが存在します。発生中に組織は硬直を変化させ、この変化が細胞レベルの分化と正常な機能に必要な成体表現型への成熟を調節することがわかっています11,12,13,14。こわばりの変化は、病状や特定の病状の進行にも関連しています15,16,17,18。具体的には、心筋の硬さは病気の発症と進行とともに変化します。例えば、健康な心筋の弾性率は~10kPaであるのに対し、心臓の障害は35-70kPa以上の弾性率である19。さらに、多数のin vitro研究により、天然の心筋硬直に類似した基質で培養された心筋細胞は、より優れたサルコメア組織20、最適な収縮1,19を生成し、および最も長い活動電位持続時間21を有することが報告されています。
さらに、in vivoの細胞は、その微小環境内で形状と機能を駆動する複雑で多様な地形的手がかりにさらされていることがよく認識されるようになっています。これらのトポグラフィーの手がかりは、分子レベルでのインテグリンのランダムな配置から、筋肉組織22,23の細胞のミクロンレベルの整列まで、さまざまなサイズと形状で提供されます。他の機械的調節因子と同様に、トポグラフィーは、広がり、伸長、整列、運動性、分化、およびアポトーシス24,25,26などの細胞形態にとって重要である。合成培養基質の導入により、細胞および組織培養のための制御された表面トポグラフィーを作製する方法が開発された27,28,29。例えば、マイクロパターン化されたナノグルーブやマイクログルーブは、哺乳類細胞の接触誘導に使用されており、細胞が培養基質のトポグラフィー構造に追従するように細胞骨格を方向付け、再モデル化しています。
ここでは、磁場の強度を調整することで硬化または軟化できる調整可能な材料であるパターン化された磁性流体エラストマー(MRE)基板を使用して、構造的(接触手がかり)と機械的(剛性)ガイダンスの両方を統合したin vitro培養方法を紹介します17,30,31,32.培養基質の近くに磁石を配置することで、サンプルと磁石の間の距離を変えることで硬化の程度を変更できるため、剛性を高めることができます。逆に、磁石を全て外すことで剛性を下げることができます。このアプローチは、in vivoのような機械的条件を再現するための堅牢で動的、かつ制御可能な方法を提供するとともに、表面のマイクロパターニングにより異方性を導入し、より生体模倣的な2D細胞培養基質の作成を可能にします。
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1. パターン化されたPDMSスタンプの作製
注:PDMSスタンプは、その柔軟性に不可欠であり、パターン化されたMRE表面を準備する際に簡単な操作と正確な接触を可能にします。また、スタンプの柔軟性により、パターンを損傷することなくMRE PDMS層から簡単に除去でき、正確なパターン転写とMRE表面の保存の両方が保証されます。
2. PDMSスタンプの表面コーティング
注:シラン処理により、スタンピング中のPDMS層間の不要な付着を防ぐ表面コーティングが作成され、スムーズな分離が保証され、パターン転写の品質が維持されます。
3. 磁性流体エラストマーの調製
注:チューナブルMREとリバーシブルMREを作成するために、カルボニル鉄粒子とエラストマーの正確な比率と磁場の印加を組み合わせることで、さまざまな値で剛性を調整できます。粒子分率、ベースエラストマー弾性率、磁場強度を変化させることで、材料の剛性を特定の要件を満たすように微調整できます。
| 剛性範囲 | 料 | 重量の例 | ||
| 柔らかい | 10〜80 kPa | エコ(A + B) | 11.25 グラム (A) | 11.25グラム(B) |
| シリコーンシンナー | 22.5 グラム | |||
| 鉄粒子 | 45グラム | |||
| 硬 め | 60〜120kPa | 527 PDMS (A+B) | 18.75 グラム (A) | 18.75 グラム (B) |
| 鉄粒子 | 37.5グラム | |||
| 184 PDMS(ベース+キュア) | 14.5 g (ベース) | 0.5g(キュア) | ||
表1:より柔らかいMREとより硬いMREの両方を製造するためのすべての材料の重量例。 表のウェイトは、合計90gのMRE材料を作るためのものです。表の例の重量と同じ比率ですべての成分を混合することで、より少ない調製で達成できます。
4. 細胞培養の準備
注:細胞培養の準備には、適切な細胞株の選択、必要な栄養素と成長因子を含む培地の調製、および汚染を防ぐための無菌状態の確保が含まれます。細胞を培養容器に播種し、最適な条件(通常は制御されたCO2で37°C)でインキュベートします。定期的なモニタリング、培地交換、継代などを行い、細胞の増殖を健康に維持します。
5. 染色とイメージング
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超軟質シリコーンベースの磁性流体エラストマー(MRE)は、磁場を印加することで正確に調整できる弾性率を持っています。これにより、生理学的範囲内での迅速な双方向の調整が可能になり、変化の速度と大きさの両方を正確に制御できます(図1)。ゲル力学は、前述のように弾性率を測定することによって評価され、平均弾性率は、よりソフトなダイナミックレンジのMREでは磁石ありで36.3±5.2kPa、磁石なしで9.3±1.2kPaであり、より硬いMREは磁石ありで51.3±7.0kPa、磁石なしで40.2±3.7kPaの範囲であることがわかりました(図1)30、33,34.MREマイクロパターンは、市販の回折格子を使用した成形技術を使用して作成され、高さは約5.5μm、ピッチ(ピーク間の...
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この手法は厳密にテストされていますが、実験を成功させるには、いくつかのステップに細心の注意を払うことが不可欠です。
このプロトコルでは、パターニングのマスターモールドとして市販の回折格子を使用します。しかし、代替のパターン化されたモールド−シリコンまたはSU8マイクロ製造されたモールド−もまた、異なるサイズ33,35で多種多様なパターンを作成するために用いることができる。市販のPDMS材料の中には、あらかじめパターン化されたものもあり36,37、これは、機械制御環境をパターン化するための効果的なスタンプとしても機能します。スピードミキサーは、PDMSまたはシリコーンをカルボニル鉄粒子と混合するプロセスを簡素化しますが、スピードミキサーで使用される時間の約2倍の時間、手作業による混合と...
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著者は、利益相反を宣言しません。
この研究は、デラウェア州筋骨格研究センターCOBRE(P20 GM139760)によって部分的に支援され、国立衛生研究所およびデラウェア州の国立総合医科学研究所からの助成金を受けました。Center for Composite Materials(CCM)のSagar Doshi氏とデラウェア大学Dhong研究室のAshika Singh氏には、レーザー共焦点顕微鏡の使用許可と材料の表面特性評価に必要な専門知識を提供してくださった貴重なご支援をいただき、心から感謝申し上げます。彼らの貢献により、私たちの仕事の質が大幅に向上しました。
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