July 10th, 2016
この原稿は、細胞外マトリックスに囲まれた定義された幾何学的形状の3次元(3D)上皮組織の均一な配列を操作するソフトリソグラフィーベースの技術が記載されています。この方法は、細胞の種類および実験の文脈の多種多様に適していると同一の複製のハイスループットスクリーニングを可能にします。
この手順の目標は、分岐形態形成に対する機械的ストレスの影響を決定するなど、多くの実験的状況で使用するために、コラーゲンゲルに埋め込まれた同一の三次元組織の隆起を設計することです。この方法は、集団細胞の挙動の根底にあるメカニズムの決定など、組織形態形成における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、人工組織の形状が制御され、再現性があり、物理的および生化学的要因の正確な操作と測定が可能になることです。
したがって、サンプルサイズは十分に大きいため、高い統計的信頼性で結論を出すことができます。まず、標準的なフォトリソグラフィー技術を使用して、目的のアレイでフォトパターニングされたシリコンマスターを調製します。このビデオで使用されているパターンは、200 ミクロン間隔で配置された長方形の構造で構成されています。
次に、プレポリマーと硬化剤を使い捨て皿に10:1の割合で組み合わせて、50gのPDMSを混合します。次に、混合物を15〜30分間真空下に置き、混合プロセス中に導入された気泡を取り除きます。シリコンマスターテクスチャ面を上にしてプラスチック製の計量ボートに置き、脱気したPDMS溶液を金型の上に注ぎます。
次に、皿をオーブンに入れ、PDMSを摂氏60度で12時間硬化させます。硬化したら、PDMSとマスターをプラスチック容器から取り出します。PDMSをシリコンウェーハから慎重に分離します。
次に、清潔なカミソリの刃を使用して、刻印された特徴の周りから余分なPDMSを取り除きます。次に、かみそりの刃を使用して、パターン化されたPDMSを個々の長方形のスタンプにカットします。これらのスタンプの特徴を上にして、直径100mmのきれいなシャーレに保管します。
次に、プレポリマーと硬化剤の同じ10:1の比率を使用して、脱気したPDMS溶液の新しいバッチを調製します。この溶液を直径100mmのシャーレに2〜3gスピンコートし、PDMSを60°Cで12時間硬化させます。次に、かみそりの刃を使用して、PDMSの薄層を長方形にカットし、スタンプのサポートとして使用します。
スタンプごとに2つのサポートが必要です。すべてのサポートが切断されたら、PDMSスタンプとサポートを70%エタノールに浸し、バイオセーフティキャビネットのアスピレーターを使用して乾燥させて滅菌します。バイオセーフティキャビネットで、各スタンプの上部に50マイクロリットルの1%BSA含有PBSを追加します。
液滴で覆われたスタンプを摂氏4度に最低4時間置き、BSAがスタンプの表面に吸収されるようにします。次に、スタンプをバイオセーフティキャビネットに戻し、PDMSスタンプからBSA溶液を吸引します。次に、スタンプの表面を50マイクロリットルの細胞培養培地で2回洗浄します。
各洗浄後にメディウムを吸引します。PDMSスタンプごとに直径35mmの組織培養ディッシュを1枚並べます。各皿に、PDMSスタンプの長さよりわずかに短い距離で隔てられた2つのPDMSサポートを置きます。
次に、ピンセットを使用して直径15mmのガラスカバースリップを拾い上げ、70%エタノールを使用して滅菌します。カバースリップから余分な液体をピンセットで保持しながら吸引し、別のシャーレに保管します。次に、4ミリグラム/ミリリットルのコラーゲン混合物の50マイクロリットルを各スタンプに直接分注して、PDMSスタンプの表面を均一にコーティングします。
ピンセットを使用して、コラーゲンコーティングされたPDMSスタンプをそれぞれ手に取り、ゆっくりと反転させます。組織培養皿のPDMSサポートの上に、逆さにしたスタンプのコラーゲン側を下にして下げます。次に、皿を摂氏37度で30分間インキュベートします。
次に、残りのコラーゲン混合物50マイクロリットルを各円形カバースリップに分注し、摂氏37度で30分間インキュベートします。この時点で、目的の細胞タイプを採取します。ここでは、EpH4マウス乳腺上皮細胞を1ミリリットルあたり1000万から1000万の濃度で懸濁しています。
次に、ゲル化したコラーゲンサンプルをインキュベーターから取り出します。ピンセットを使用して、PDMSスタンプをゆっくりとまっすぐ上に持ち上げて、成形されたコラーゲンからそれらを剥がし、廃棄します。コラーゲンジェルの特徴を歪めないように、スタンプをまっすぐ上に持ち上げることが重要です。
30マイクロリットルの濃縮細胞懸濁液を、所望の形状の成形空洞を含む各コラーゲンゲルの表面に分注します。明視野顕微鏡で細胞を観察しながら、皿を左右に静かに振ると、空洞内に細胞が定着するのを促進します。空洞は5分以内に充填されます。
空洞の周りから余分な細胞を取り除くには、各組織培養皿を横に傾け、コラーゲンゲルの表面に400マイクロリットルの細胞培養培地を静かに分注します。ゲル表面の余分な細胞が除去され、ゲルの空洞内の細胞が移動しないように、皿を傾けながら、ゲル上に培養培地をゆっくりと分注して穏やかに洗うことが重要です。液体を吸引し、さらに2回洗浄を繰り返します。
各洗浄の合間に顕微鏡でコラーゲンゲルをチェックし、余分な細胞が洗い流された様子を観察します。細胞が満たされた空洞の周囲から余分な細胞が除去された後、組織培養皿を摂氏37度のインキュベーターに15分間入れます。次に、ピンセットを使用して、コラーゲンコーティングされたガラスカバースリップを静かに反転させ、細胞充填コラーゲン型の上に置き、カバースリップからのコラーゲンが細胞充填空洞にキャップを形成するようにします。
サンプルを摂氏37度で15分間インキュベートします。コラーゲンキャップが細胞充填コラーゲン型に付着したら、ゲルの上のガラスカバースリップの上に2〜2 1/2ミリリットルの細胞培養培地をゆっくりと分注し、サンプルを摂氏37度で1〜3日間培養します。これらの画像は、細胞播種前にI型コラーゲンゲルに成形されたアレイの低倍率および高倍率の画像です。
ウェルの形状は、シリコンマスター上のフィーチャの形状によって決まります。ここでは、長方形の井戸に乳房上皮細胞が充填されています。この例では、各200×50ミクロンの長方形のウェルには、約80〜100個の細胞が含まれています。
細胞播種から24時間後、ウェル内で細胞が互いに付着して組織を形成する様子が観察されました。培養液に成長因子HGFを添加してから24時間後、組織は分岐形態形成を受けていることが確認されました。細胞遊走に関与するタンパク質の1つは、この合成画像からわかるように、分岐が通常発生するウェルの端で増加する焦点接着キナーゼです。
このテクニックをマスターすると、適切に実行すれば2時間以内に完了できます。この手順に続いて、牽引力顕微鏡法、リアルタイムRT-PCR、ウェスタンブロッティングなどの他の方法を実行して、細胞が移動するときに加えられる力や、関心のある遺伝子の転写産物およびタンパク質レベルの変化を決定することができます。このビデオを見れば、定義された初期形状の組織がコラーゲンゲル内に埋め込まれるこの3D細胞培養モデルの設定方法について十分に理解できるはずです。
ご覧いただきありがとうございます、そしてあなたの実験に頑張ってください。
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この原稿では、コラーゲンゲルに埋め込まれた三次元(3D)上皮組織の均一な配列を設計する技術について説明しています。この方法により、物理的および生化学的因子の大規模スクリーニングと精密な操作が可能になります。
Engineering uniform 3D epithelial tissues embedded in ECM enables precise control over tissue geometry and microenvironmental factors, supporting mechanistic studies of branching morphogenesis and collective cell behavior. This approach enhances reproducibility and statistical power in preclinical discovery, facilitating target validation and pathway interrogation in disease-relevant systems. The method’s compatibility with downstream analytics such as traction force microscopy and molecular assays strengthens its utility in lead identification and predictive de-risking workflows.
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing to preclinical validation, particularly in studies requiring precise spatiotemporal control of cell-ECM interactions.