January 11th, 2016
私たちは、マイクロパターン化されたハイドロゲルシートの簡単なプロセスでの製造について説明しています。これは、自立した形で組み立てて操作することができます。これらのモジュール式ハイドロゲルシートを使用すると、制御された細胞微小環境でシンプルなマクロスケールの3D細胞培養システムを生成できます。
この手順の全体的な目標は、3D細胞培養システム用のモジュール式ヒドロゲルシートの簡単な製造、操作、および組み立てを実証することです。この方法は、培養された微小環境でin vivoのような機能改変組織をより作製する方法など、組織工学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、細胞性ハイドロゲルコンストラクトをコストのかかる増加なしに生成できることです。
3D細胞培養条件は、各モジュール式ハイドロゲルシートによって異なります。この手法は、3D細胞のミクロおよびマクロ環境のさまざまな形状と組成を提供できるため、この手法の影響は、細胞ベースのアッセイや生物学的研究の改善にまで及びます。この方法は、in vitro細胞ベースのアッセイに関する洞察を提供しますが、3D組織モデルの移植可能な足場などの別のシステムにも適用できます。
まず、標準的なフォトリソグラフィー技術を使用して、目的のマイクロスケールパターンを作成します。このビデオで示されている例では、ここに示すような肝小葉のようなメッシュパターンを使用します。次に、2.5グラムのPDMSと2.5グラムの硬化剤溶液を計量し、成分を完全に混合します。
真空チャンバー内で溶液を脱気し、混合溶液を箔鋳造皿内のシリコンウェーハのマイクロパターン表面に均一に広げます。次に、摂氏65度の加熱プレートの平らな面に皿を90分間置いて、PDMSを硬化させます。硬化したら、PDMSをキャスティングディッシュから取り出し、シリコンウェーハから慎重に剥がします。
PDMSの端を切り取り、パターン化された部分を直径100mmのシャーレに置き、マイクロパターンの面を上に向けます。次に、マイクロパターン化されたPDMSを70%エタノールで洗浄し、続いて蒸留水で洗浄して一次滅菌します。その後、セットアップを摂氏65度のオーブンで10分間完全に乾かします。
次に、マイクロパターン化されたPDMSモールドをプラズマクリーナーに入れ、1分間洗浄して親水性の表面を作成します。これにより、水性液体の装填が容易になります。次に、PDMSの表面を、材料表に記載されている界面活性剤溶液100ミリリットルでコーティングします。
サンプルを実験室のロッカーで少なくとも3時間インキュベートします。次に、PDMS型に付着した界面活性剤溶液を滅菌水で洗い流し、65°Cのオーブンで10分間完全に乾燥させます。次に、マイクロパターン化された各型を紫外線に30分間さらして滅菌します。
まず、標準的な技術を用いてhepg2細胞を培養します。細胞が70%から80%コンフルエントになったら、PBSを使用して細胞を一度洗浄します。次に、1ミリリットルの05%tripsin edtaを加え、摂氏37度で4分間インキュベートして細胞を収穫します。
分離したら、細胞を遠心チューブに集め、250 gで3分間ペレット化します。上清を取り除き、細胞を1ミリリットルのPBSに再懸濁します。自動セルカウンターを使用して、PBS内の単一の分布セルの数をカウントします。
次に、細胞を再び250 gで3分間ペレット化します。PBS上清を取り除き、1パーセントのアルギン酸ナトリウム溶液を細胞に十分に追加して、最終的な播種密度がミリレータあたり500万から1,000万個の細胞になるようにします。ピペットを使用して細胞溶液を穏やかに混合し、細胞ヒドロゲル懸濁液を摂氏37度の5%CO2加湿インキュベーターでインキュベー
トします。細胞がインキュベートしている間に、マイクロパターン化されたPDMSモールドをプラズマクリーナーに入れ、85ワットで1分間洗浄して親水性の表面を作ります。細胞ハイドロゲル懸濁液を静かにピペッティングして混合し、次いで7.2マイクロリットルの懸濁液を金型内のマイクロパターンの端に着実にロードします。次いで、架橋試薬のミストを加湿器で毎時250ミリリットルの割合で生成し、それをヒドロゲル前駆体に5分間噴霧することにより、細胞ハイドロゲル懸濁液をゲル化する。
この手順がPDMS金型のトポグラフィー面を5センチメートルの範囲で覆うことを確認します。架橋プロセスに従って、加湿器の電源を切り、PDMS型にPBSを充填します。200マイクロリットルのピペットを使用して、硬化したハイドロゲルシートの端にPBSを穏やかに分注し、各ハイドロゲルを取り外してください。
次に、エンドカットの1, 000マイクロリットルのピペットチップを使用して、各フローティングヒドロゲルシートをピックアップします。ハイドロゲルの各シートを、1ミリリットルの予熱済みDMEMを含む12ウェルプレートの個々のウェルに移し、培地の表面に浮かべます。このように細胞を1週間培養し、1日おきに培地を交換します。
次に、付属のテキストプロトコルで説明されているように、下面に高さ170ミクロンのピラー構造を含むPDMSフレームを作成します。製作時には、PDMSフレーム用のシリコンウェーハに専用のポリカーボネートモールドを装着し、幅8mm、高さ9mm、奥行き2mmの内部フレームを作成します。滅菌したら、PDMSフレームを60mmのペトリ皿にセットされたナイロン濾紙の4分の1に置きます。
インキュベーターからヒドロゲルシートを取り外し、エンドカットの1, 000マイクロリットルのピペットチップを使用して、モジュラーヒドロゲルシートの最初のシートをPDMSフレームの内部に移します。空の200マイクロリットルピペットチップを使用して、モジュラーヒドロゲルシートの端をPDMSフレームに合わせます。4〜6層のスタックが達成されるまで、追加のヒドロゲルシートでこのプロセスを繰り返します。
次に、PDMSフレームの下部にある柱構造に培養液を流して、培地を取り出します。次に、多層構造の1つのコーナーに2マイクロリットルの2パーセントアルギン酸溶液を追加します。加湿器を使用して、架橋試薬のミストを毎時250ミリリットルの速度で多層構造に30秒間噴霧し、各層の端を一緒に取り付けます。
次に、多層構造を400マイクロリットルのDMEMでやさしくすすぎ、ピンセットを使用してPDMSフレームを取り外します。次に、さらに4ミリリットルのDMEMを追加します。多層構造の構造体をセルリフターでやさしく拭くことにより、濾紙で剥離し、濾紙を使用して3ミリリットルのDMEMを含む6ウェルプレートに移します。
細胞をハイドロゲルコンストラクトをマルチスケール細胞足場として、6ウェルプレート内で少なくとも1週間浮遊的に培養します。培地は一日おきに交換してください。ここには、緑色に蛍光を発するヒト肝がん細胞と赤色に蛍光を発するNIH-3T3線維芽細胞を、結合メッシュ上で共培養して増殖させた、肝小葉様のマイクロパターン化ヒドロゲルシートを層ごとに組み立てた結果が示されています。
ここで紹介する手法を使用すると、六角形の柱、細いメッシュ、全体の配列、および100〜200マイクロメートルのオーダーの薄いヒドロゲル構造を形成する複数のマイクロコーム状のマイクロファイバーなど、多くのパターンバリエーションを作成できます。これらの構造は、多くの異なる細胞タイプに豊かな3D培養環境を提供します。このビデオを見れば、in vivoのような3D培養システムをエンジニアリングするための細胞性ハイドロゲルシートをボトムアップで作成する方法について十分に理解できるはずです。
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この記事では、操作して組み立てて3D細胞培養システムにすることができるモジュラー型ハイドロゲルシートの製造方法について説明します。この技術により、制御された細胞の微小環境の作成が可能となり、組織工学の進歩を促進します。
Modular hydrogel sheet fabrication enables precise control over cellular microenvironments in 3D culture systems, supporting more physiologically relevant models for drug screening and mechanistic studies. This approach reduces reliance on animal testing by providing scalable, reproducible in vitro platforms for tissue-level functional assessments. The method enhances predictive confidence in early discovery by allowing systematic interrogation of tissue architecture effects on cellular behavior.
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead optimization, where 3D microenvironmental control improves the translatability of cellular phenotypes.