배양된 세포에 생리학적으로 관련된 진동 자극을 전달할 수 있는 새로운 성대 생물반응기가 구성되고 특성화됩니다. 이 동적 배양 장치는 섬유질 폴리(ε-카프로락톤) 골격과 결합될 때 중간엽 줄기 세포의 행동을 조절하는 성대 모방 환경을 만듭니다.
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배양된 세포에 생리학적으로 관련된 진동 자극을 전달할 수 있는 새로운 성대 생물반응기가 구성되고 특성화됩니다. 이 동적 배양 장치는 섬유질 폴리(ε-카프로락톤) 골격과 결합될 때 중간엽 줄기 세포의 행동을 조절하는 성대 모방 환경을 만듭니다.
기계적으로 활성화된 조직의 체외 엔지니어링은 배양된 세포에 생리학적으로 관련된 기계적 조건을 제시해야 합니다. 성대의 역동적인 환경을 모방하기 위해 기본 발성 주파수에서 진동 자극을 생성할 수 있는 새로운 성대 생물반응기가 구축되고 특성화됩니다. 이 장치는 함수 발생기, 전력 증폭기, 스피커 선택기 및 병렬 진동 챔버로 구성됩니다. 개별 진동 챔버는 한 쌍의 아크릴 블록 사이에 맞춤형 실리콘 멤브레인을 끼워 만듭니다. 실리콘 멤브레인은 챔버의 바닥 역할을 할 뿐만 아니라 셀이 포함된 골격을 고정하는 메커니즘을 제공합니다. 바닥 아크릴 블록 아래에 장착된 스피커에서 생성된 진동 신호는 진동하는 공기에 의해 공기역학적으로 멤브레인으로 전달됩니다. 2개의 고정식 금속 막대에 고정된 8개의 동일한 진동 모듈이 세포 배양 인큐베이터에서 장기간 작동할 수 있도록 방습 챔버에 보관됩니다. 성대 생물반응기의 진동 특성은 레이저 도플러 진동계(LDV)를 사용하여 비파괴적으로 분석됩니다. 동적 배양 장치의 유용성은 40μm의 중간 멤브레인 변위와 함께 200Hz 정현파 진동이 있는 곳에서 세포 구조를 배양함으로써 입증됩니다. 생물반응기에서 배양된 중간엽 줄기세포는 성대와 관련된 세포외 기질 구성 요소의 합성 및 분해를 변경하여 진동 신호에 반응합니다. 여기에 제시된 새로운 바이오리액터 시스템은 진동 유도 기계 전달을 연구하고 기능적 성대 조직의 엔지니어링을 위한 우수한 체외 플랫폼을 제공합니다.
상피 층으로 구성된 인간의 성대는 고유 층 (LP) 및 vocalis 근육, 사운드 제작을위한 음향 파에 폐에서 공기 흐름을 변환하는 전문 부드러운 조직이다. 1 성대가 정상 발성을하는 동안 정기적으로 진동, 에 이르기까지 기본 주파수에서 최대 30 %의 변종을 나타내는 100 ~ 300 Hz에서에서. 2 성인 성대 LP는 표면 (SLP)로 구성된 그라데이션 구조, 중간 (ILP)과 깊이 (DLP) 층이다. 또한 분류 그룹 상피 세포와 점막 층으로 SLP, 그리고 보컬 인대에 ILP 및 DLP를 결합합니다. 3 인대가 성숙 콜라겐과 엘라스틴 섬유가 풍부하면서 SLP 층, 띄엄 띄엄 분산 된 콜라겐 섬유와 주로 비정질 매트릭스를 포함 충분한 강도를 제공 할 수 있습니다. 4의 구조와 신생아 성대의 역학은 성숙한 대응 크게 다릅니다. 비록 메커니즘성대의 발전과 성숙을 조절의는 아직 완전히 실험적인 증거가 발성 파생 기계적 스트레스의 정의 역할을 지적했다, 이해되지 않습니다.
음성 남용, 감염, 화학적 자극 및 수술 등 여러 가지 건강 상태는 성대가 손상 될 수 있습니다. 성대 장애는 미국 인구의 추정 3-9% 영향을 미친다. 성대 질환에 대한 현재의 치료 방법은 5 개 제한하고 줄기 세포 기반 조직 공학 방법은 성대 기능 복원을위한 유망한 전략으로 떠오르고있다. 중간 엽 줄기 세포 (MSC) 성대 조직 공학에 대한 기본 성대 섬유 아 세포에 대한 적절한 대안입니다. 6-9 줄기 세포의 운명 사양 및 이후의 조직 개발은 기계 상태가되는가에있는 특정 틈새 시장에 의해 매개되는 중요한 요소. 10 기계적 힘은 조직의 형태 형성에 필수적인 레귤레이터이다ND 특히 일상적으로 조직 공학의 관점에서로드. 11을 실시하고 조직에 대한 항상성은, 그것은 노출 생리학 관련 기계적 자극이 세포 분화 및 조직 별 매트릭스 리모델링 줄기 촉진하는 것으로 입증되었다. 12-15
조직 배양 용 바이오 리액터는 시험 관내 세포 또는 조직 성장을위한 바람직한 생리적 환경을 시뮬레이션하기 위해 설계된다. 성대 조직 공학의 경우, phonating 성대의 기계적인 환경을 재현하는 것이 특히 중요합니다. 이상적인 성대 생물 반응기 효과적으로 주파수, 진폭과 진동의 기간 동안 손쉬운 제어를 허용, 배양 세포에 진동 신호를 제공한다. Titze 및 동료 기질 단백질의 세포 생산을 자극하는 높은 주파수 (20 ~ 200 Hz에서) 진동과 정적 스트레칭을 결합한 성대 생물 반응기 (T1 생물 반응기) 16을 고안했습니다. 저기서g이 생물 반응기, 웹의 동료 (17)은 히알루 론산 (HA) 기반의 하이드로 겔에서 배양 피부 섬유 아세포에서 10 일, 100 Hz에서 진동의 영향을 연구했다. 진동이 구문은 HA 합성 효소-2 (HAS2) 정적 컨트롤을 기준으로, decorin, fibromodulin 매트릭스 메탈-1 (MMP1)의 높은 발현을 보였다. 자극 효과가 따라 시간이 될 것으로 밝혀졌다. 더 최근에는, 단체 (18)는 전력 증폭기, 함수 발생기, 봉입 시끄러운 스피커 및 세포 부착에 진동 공기 전송 원주 정박 실리콘 막을 사용 성대 생물 반응기 (J1 생물 반응기)를 조립했다. J1 생물 반응기에서 배양 신생아 포피의 섬유 아 세포는 최대 0.05 %의 평면 변형으로, 60, 110 또는 300 Hz에서 진동이 1 시간을 실시 하였다. qPCR의 결과는 몇 가지 ECM 유전자의 발현이 적당히 다양한 진동 주파수에 대한 응답으로 변경된 것을 제안및 진폭.
이러한 생물 반응기 설계, 음모를 꾸미는 동안, 몇 가지 제한이 있습니다. 예를 들어, T1 시스템이 달성 가능한 최대 주파수를 제한하는 기계적 결합을위한 커넥터와 바의 다수를 필요로한다. 또한, 세포는 데이터 해석을 복잡 바람직 기계적 교반 및 액체 섭동을 거치게된다. J1 생물 반응기는, 반면에, 상대적으로 낮은 에너지 변환 효율을 나타내고 사용자 친화적 아니다. 또, 진동이 빈번 내부 실리콘 막에서 세포 함유 구조물을 분리. J1 버전과 동일한 원칙에 따라 설계 여기에보고 J2 성대 생물 반응기는, 일관성과 재현성에 최적화되어 있습니다. 발성을 흉내 낸 진동은 MSC-채워 섬유 폴리 (ε-카프로 락톤) (PCL) 발판이 effectiv 있습니다 개별적으로 장착되어 진동 챔버에 공기 역학적으로 생성됩니다엘리 확보했다. 레이저 도플러 진동계 (LDV)는 사용자가 멤브레인 / 지지체 조립체의 진동 프로파일을 확인한다. 우리의 데모에서는 중간 엽 줄기 세포 7 일 동안 12 시간의 매일의 총 1 시간 -에 - 1 - 시간 - 오프 (의) 패턴으로 200 Hz의 정현파 진동에 노출되어 있습니다. 부과 된 진동 신호에 대한 세포 반응을 체계적으로 조사하고 있습니다. 전반적으로, J2 성대 동적 세포 배양 연구는 높은 처리량과 재생 가능한 방식으로 수행 할 수 있도록, 가장 사용자 친화적 인 기능을 제공합니다.
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1. 생물 반응기 조립 (비디오 1)
2. 비계 제조 및 특성
3. 생물 반응기 조립 및 특성
4. 진동 세포 배양
5. 생물 대한 평가
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전기 방사에 의해 제조 된 PCL 발판은 마이크론 크기의 중간 세공 및 4.7 μm의 (그림 4A)의 평균 직경이 무작위로 얽혀 섬유가 포함되어 있습니다. 높은 배율에서, 나노 그루브와 모공 개별 섬유 (그림 4B)에서 볼 수 있습니다. 피브로넥틴과 비계의 코팅은 친수성을 향상시키고 초기 세포 부착 / PCL 지지체 (게시되지 않은 관찰)의 확산을 용이하게한다.
원하는 주파수 (F, 100 ~ 300 Hz에서) 및 전압의 사인 파형 (Vpp로 : 0-0.125 V)의 각 진동 챔버 아래의 스피커 및 실리콘 막의 바닥의 종이 콘 사이에 밀폐 된 공기에 소개 미니 우퍼는 진동으로 구동된다. 공기의 진동은 또는 세포없이 PCL 지지체에 전달된다. LDV는 F와 관련 Vpp로에서 지지체의 진동 특성을 분석하는 데 사용고려 물의 굴절율 (1.33)을 복용. 20도
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체외에서 기능 성대 조직의 성공적인 설계는 다 능성 세포의 행동을 중재하기 위해 성대와 같은 미세 환경의 휴양이 필요합니다. 그것은 일반적으로 조직 또는 장기 구조 그들이 수행하는 데 필요한 기능을 반영하는 것으로 받아 들여진다. 성대 조직 22는, 발성 중에 발생 고주파 진동은 조직의 성숙을위한 중요한 것으로 제시된다. 성대 생물 반응기 배양 된 중간 엽 줄기 세포에 생리 학적으로 관련된 기계적인 신호를 소개하기 위해 설계되었습니다 동안 우리의 연구에서, PCL 지지체는 인대와 같은 구조 지원을 제공하는 데 사용됩니다. (J2) 여기에 설명 된 생물 반응기는 전자 기적으로 각각의 스피커를 통해 진동을 생성하고 배양 된 세포에 에너지의 공기 역학적으로 전송합니다. 우리의 이전의 설계에 비해, 18 현재 시스템은 fo를 허용 직접적 아니라 각 샘플 아래에 진동 자극의 소스 이동라보다 효율적인 에너지 변환. 결과적으로, 상당히 큰 통상의 변위 및 높은 가속도가...
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우리는 공 촛점 이미징에 대한 자신의 훈련과 조언을 닥터 제프리 캐플란 감사합니다. 우리는 또한 SEM의 지원 중사 전자 현미경 연구소 박사 Chaoying 니켈 감사합니다. 이 작품은 건강 (NIDCD, R01DC008965 및 R01DC011377)의 국립 연구소에 의해 자금 지원됩니다. ABZ은 NSF 통합 대학원 교육 및 연구 훈련생 자금 (IGERT) 프로그램을 인정합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 실리콘 엘라스토머 키트 | Dow Corning | Sylgard 184 | 100 °에서 멤브레인 경화; C 2 시간 |
| PCL | 시그마 Aldrich | 440744-500G | Mn ~ 80 kDa, O/N |
| 클로로포름 | 시그마 Aldrich | C7559-5VL | |
| 인간 골수 유래 MSC | Lonza | PT-2501 | 통로 2 |
| MSC 유지 관리 매체 | Lonza | PT-3001 | 10% FBS L-글루타민, 겐타마이신 및 암포테리신 |
| 이 보충된 기저 배지 와 함께 수신Accutase 세포 해리 시약 | Life Technologies | A11105-01 | |
| 에탄올 | 시그마 Aldrich | E7023-500ML | |
| 피브로넥틴 | 시그마 Aldrich | F2006-1MG | |
| MMP1 DuoSet ELISA 키트 | R& D 시스템 | DY901 | |
| HA ELISA 키트 | Echelon Biosciences | K-1200 | |
| PBS | Life Technologies | 14190-136 | |
| 프로피듐 요오드 | 생명 기술 | P1304MP | |
| Syto-13 | Life Technologies | S7575 | |
| QuantiTect 역전사 키트 | Qiagen | 205311 | |
| SYBR Green PCR 마스터 믹스 | Life Technologies | 4309155 | |
| 교체 스피커 | DAYTON 오디오 (Parts Express를 통해) | DS90-8 | 페이퍼 콘, 전체 범위 (80-13,000 Hz), 85 dB |
| Ergo 마이크로 토크 스크루드라이버 | Mountz | # 020377 | 토크 범위: 20-120 cN· m |
| 스테레오 스피커 선택기 | RadioShack | 40-244 | 최대 전력 처리 50W |
| 함수 발생기 | 애질런트 | 33220A | 주파수 범위 1 &마이크로; Hz-20MHz |
| 전력 증폭기 | PYLE 오디오 | PylePro PT2400 | 주파수 응답: 10 Hz-50 kHz, 두 개의 스피커 채널 |
| 세포 배양 인큐베이터 | 써모 피셔 | Steri-Cult 3307 | |
| 주사기 펌프 | New Era 펌프 시스템 | NE-300 | |
| 고전압 전원 공급 장치 | Spellman | CZE 1000R | 출력 전압: 0-30 kV |
| 주사 전자 현미경 | JEOL-USA | JSM-7400F | |
| 데스크 골드 스퍼터 코터 | Denton Vacuum | DSK00V-0013 | |
| 도플러 레이저 진동계 | Polytec | PDV-100 | 비접촉 속도 측정(0-22kHz) |
| PCR 염기서열 검출 시스템 | Applied Biosystems | ABI7300 | |
| 다광자 컨포칼 현미경 | Zeiss | Zeiss 510Meta NLO | |
| UV-VIS 분광 광도계 | NanoDrop 제품 Thermo Scientific | ND-2000 | |
| VibSoft 데이터 수집 소프트웨어를 | Polytec | 수집 대역폭 최대 40MHz | |
| Origin 8.5 데이터 분석 소프트웨어 | OriginLab | ||
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| 악어 클립 어댑터 | RadioShack | 270-354 | 완전 절연 |
| 8mm 생검 펀치 | Sklar 수술 기구 | >96-1152 | 멸균, 일회용 |
| 12mm 생검 펀치 | 아퀴덤(Fisher Scientific 제공) | NC9998681 | |
| 조직 배양 플라스크 | 코닝 | 세포 배양 처리 |
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