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Research Article
Mirali Pandya1, Wei Ma1,2, Huling Lyu1,3, Xianghong Luan1, Thomas G. H. Diekwisch1
1Center for Craniofacial Research and Diagnosis,Texas A&M College of Dentistry, 2Department of Stomatology,The Fourth Affiliated Hospital, Harbin Medical University, 3Key Laboratory of Oral Medicine,Guangzhou Insititute of Oral Disease, Stomatology Hospital of Guangzhou Medical University
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
이 프로토콜은 미세중력에서 아멜로모세포 유사 세포의 배양 및 3D 성장을 통해 길쭉하고 분극된 형태와 에나멜 특이적 단백질 발현을 유지하는 방법을 제시합니다. 미세 중력에서 치주 공학 구조물 및 폐 기관의 배양을위한 배양 조건도 설명됩니다.
중력은 인간 세포 기능, 증식, 세포골격 구조 및 방향의 핵심 결정 요인 중 하나입니다. 회전식 생물 반응기 시스템 (RCCS)은 우주에서 발생하는 중력 손실을 모방하고 대신 배양 된 세포 또는 조직의 연속 회전을 통해 미세 중력 환경을 제공합니다. 이러한 RCCS는 영양소, 성장 및 전사 인자, 산소의 중단 없는 공급을 보장하고 움직이지 않는 2D(2차원) 세포 또는 장기 배양 접시에서 중력의 일부 단점을 해결합니다. 본 연구에서 우리는 RCCS를 사용하여 자궁 경부 루프 세포와 치수 세포를 공동 배양하여 ameloblasts가되고, 치주 전구 세포 / 스캐 폴드 상호 작용을 특성화하고, 폐 폐포에 대한 염증의 영향을 결정했습니다. RCCS 환경은 아멜로모세포 유사 세포의 성장을 촉진하고, 스캐폴드 코팅에 반응하여 치주 전구체 증식을 촉진했으며, 배양된 폐포에 대한 염증 변화의 영향을 평가할 수 있었습니다. 이 원고는 환경 조건, 재료 및 단계를 요약하고 중요한 측면과 실험 세부 사항을 강조합니다. 결론적으로, RCCS는 시험관 내 세포의 배양 및 3D(3차원) 성장을 마스터하고 기존의 2D 배양 환경에 적합하지 않은 세포 시스템 또는 상호 작용을 연구할 수 있는 혁신적인 도구입니다.
중력은 개별 세포의 생물학과 유기체 내에서의 기능을 포함하여 지구상의 생명체의 모든 측면에 영향을 미칩니다. 세포는 기계 수용체를 통해 중력을 감지하고 세포 골격 구조를 재구성하고 세포 분열 1,2,3을 변경하여 중력 변화에 반응합니다. 미세 중력의 다른 영향으로는 유체로 채워진 소포의 정수압, 세포 기관의 침강, 흐름과 열의 부력 구동 대류4가 있습니다. 인간 세포와 기관에 대한 중력 손실의 영향에 대한 연구는 원래 우주 비행 임무 중 우주 비행사에 대한 우주의 무중력 환경을 시뮬레이션하기 위해 수행되었습니다5. 그러나 최근 몇 년 동안 NASA가 원래 미세 중력을 시뮬레이션하기 위해 개발 한 이러한 3D 생물 반응기 기술은 2D 배양 시스템에 적용 할 수없는 세포 집단의 배양을위한 새로운 접근 방식으로 점점 더 관련성이 높아지고 있습니다.
3D 바이오리액터는 현탁액에서 세포를 성장시켜 일정한 "자유 낙하" 효과를 생성하여 미세 중력을 시뮬레이션합니다. 회전식 바이오리액터의 다른 장점으로는 장기 배양 시스템에서 발생하는 공기 노출 부족, 전단 응력 및 난류 감소, 변화하는 영양소 공급에 대한 지속적인 노출 등이 있습니다. 회전식 세포 배양 시스템(RCCS) 생물반응기가 제공하는 이러한 동적 조건은 공간 공동 국소화 및 단일 세포를 응집체로 3차원 조립하는 데유리합니다6,7.
이전 연구에서는 뼈 재생8, 치아 배아 배양9 및 인간 치용 여포 세포배양10을 위한 회전식 바이오리액터의 이점을 입증했습니다. RCCS가 EOE 세포 증식 및 ameloblasts11로의 분화를 향상시킨다는 보고도 있었다. 그러나, 분화된 세포는 그들의 길쭉한 형태 또는 편광된 세포 형태를 고려하지 않고 아멜로블라스틴 면역형광 및/또는 아멜로게닌 발현 단독11 에 기초한 아멜로모세포로 간주되었다.
NASA가 개발한 회전 벽 용기(RWV) 바이오리액터 외에도 세포에서 3D 응집체를 생성하는 다른 기술로는 자기 부상, 랜덤 포지셔닝 머신(RPM) 및 clinostat12가 있습니다. 자기 부상 달성을 달성하기 위해, 자성 나노 입자로 표지 된 세포는 외부 자기력을 사용하여 부상되고, 지방 세포 구조13,14,15의 생체 가공에 사용 된 스캐 폴드가없는 3D 구조의 형성을 초래한다. 미세중력을 시뮬레이션하기 위한 또 다른 접근법은 clinostat16이라는 장치의 중심에서 누적 중력 벡터의 상쇄를 초래하는 2개의 축에 대한 동시 회전을 제어함으로써 다방향 G 힘의 생성이다. 골수 줄기세포를 클리노스탯에서 배양하였을 때, 조골세포 분화의 억제를 통해 새로운 골형성이 억제되었으며, 이는 미세중력의 역분화 효과 중 하나를 예시한다16.
ameloblasts의 충실한 배양을 촉진하기위한 시험관 내 시스템은 치아 법랑질 조직 공학17을 향한 중요한 진전을 제공 할 것이다. 불행히도, 현재까지 ameloblasts의 문화는 도전적인 사업이었습니다18,19. 지금까지 마우스 아멜로모세포 계통 세포주(ALC), 래트 치과 상피 세포주(HAT-7), 마우스 LS8 세포주20, 돼지 PABSo-E 세포주 21 및 래트 SF2-24 세포주22를 포함하여 5개의 서로 다른 아멜로모세포 유사 세포주가 보고되었습니다. 그러나 이러한 세포의 대부분은 2D 배양에서 독특한 편광 세포 모양을 잃었습니다.
본 연구에서 우리는 중간엽 전구세포와 공동 배양된 자궁경부 루프 상피에서 아멜로모세포 유사 세포의 성장을 촉진하고 영양분의 흐름 감소 및 중력으로 인한 세포골격 변화를 포함한 2D 배양 시스템의 문제를 극복하기 위해 회전식 세포 배양 생물반응기 시스템(RCCS)으로 전환했습니다. 또한 RCCS는 치주 조직 공학과 관련된 세포/스캐폴드 상호작용을 연구하고 시험관 내에서 폐포 조직에 대한 염증 매개체의 효과를 조사하기 위한 새로운 방법을 제공했습니다. 함께, 이러한 연구의 결과는 분화된 상피의 전파 및 세포/스캐폴드 상호 작용 및 염증 상태에 대한 조직 반응을 포함하여 시험관 내에서 성장한 세포에 대한 환경 영향 평가를 위한 미세 중력 기반 회전 배양 시스템의 이점을 강조합니다.
연구가 TAMU 기관 동물 관리 지침을 준수하는지 확인하기 위해 필요한 모든 기관 승인을 받았습니다.
1. 생물 반응기 조립 및 살균
2. 생물반응기 공동배양 실험에 사용되는 스캐폴드
3. 자궁 경부 루프 (CL) 해부 및 단일 세포 준비
4. 치과용 치수 세포 배양 및 세포주 확장
5. RCCS 바이오리액터 내의 스캐폴드에서 경추 루프/치수 세포의 공동 배양
6. 폐 기관 준비 및 생물 반응기 기반 배양
참고: E15 야생형 마우스 새끼는 폐 기관의 준비에 사용되었습니다.
7. 인간 치주 인대(hPDL) 세포 배양으로 코팅된 스캐폴드
8. 생물 반응기 청소 및 유지 보수
생물 반응기의 내부 챔버는 세포가 증식 및 분화하거나 스캐 폴드에 부착되거나 집합체와 같은 조직을 형성하기 위해 모일 수있는 환경을 제공합니다. 각 HARV 용기는 최대 10 mL의 배지를 담을 수 있으며 영양소의 지속적인 순환을 촉진하여 각 세포가 생존할 수 있는 탁월한 기회를 제공합니다. 그림 1A 는 멸균 원스톱 밸브가 부착된 용기의 전면 플레이트에 주사기 포트를 부착하는 것을 보여줍니다. 이 밸브는 배양실의 문지기 역할을합니다. 매체를 변경하려면 새로운 매체가 들어있는 멸균 주사기를 쉽게 부착 할 수 있도록 스톱 콕 밸브를 열어야합니다. 바이오리액터 내의 미세중력 환경은 세포가 스캐폴드 상에 사전 시딩을 요구하지 않고 용기 내의 스캐폴드에 부착되도록 한다. 바이오리액터에 배치된 스캐폴드(그림 1B 및 1C)는 연속적으로 회전하여 세포가 스캐폴드 표면에 부착되어 세포골격 네트워크를 형성할 수 있습니다. 용기 플레이트 하단의 산소 공급기 멤브레인(그림 1B)은 지속적인 가스 교환을 허용하여 세포 생존과 수명을 향상시킵니다.
세포와 가장 상용성인 스캐폴드를 확인하기 위해 다양한 스캐폴드를 시험하였다. 도 2A 및 2B의 스캐폴드는 75% 그래핀과 25% PLG(폴리락트글리콜라이드)로 구성된 그래핀 시트이다. 이러한 전기 전도성 스캐폴드는 골격근 세포(26)와 같이 전기 자극을 필요로 할 수 있는 세포에 자주 사용된다. 우리의 연구에서 콜라겐 스캐폴드는 생체 적합성, 조직 성장 촉진 및 세포 분화 측면에서 테스트된 다른 모든 연구를 능가했습니다. 이 콜라겐 기반 스캐폴드의 특수 다공성 표면(그림 2C 및 2D)은 세포와 영양소가 스캐폴드 전체에 흐르도록 하여 세포 부착 및 세포 증식 영역을 증가시킵니다.
마우스 하악골에 대한 관계에서 자궁 경부 루프의 위치는 도 3A 및 3B에 도시되어 있다. 마우스 앞니 경추 루프 세포를 준비하기 위해, 골격화된 마우스 하악골을 해부하고 마우스 하부 앞니의 가장 말단 부분을 노출시켰다. 절제된 경추 루프의 정확한 위치는 출생 후 6일 마우스 앞니(그림 3B)에서 구분되는 반면, 성인 골격화된 마우스 하악골의 유사한 영역은 오리엔테이션 목적으로 그림 3A에 참조로 제공됩니다. 성인 골격화 (그림 3A)와 6 dpn 새로 준비된 마우스 절치에서 해당 자궁 경부 루프의 영역은 두 개의 파선으로 구성됩니다 (그림 3A 및 B). 하악골의 치열은 3 개의 하악 어금니와 지속적으로 성장하는 앞니로 구성되며, 자궁 경부 루프 세포 틈새는 내부 법랑질 상피, 외부 법랑질 상피, 별 모양 세망 및 지층 중간19와 같은 법랑질 형성에 관여하는 혼합 세포 집단으로 구성됩니다.
그림 4는 자궁 경부 루프 세포가 ameloblast-like 세포를 분비하는 길쭉한, 분극 된, 법랑질 단백질로의 성공적인 분화에 초점을 맞추고 있습니다. 데이터는 ameloblast-like 세포를 분비하는 길쭉하고 분극화 된 법랑질 단백질의 성공적인 분화를 위해서는 경추 루프 세포와 치과 용 펄프 줄기 세포와 같은 중간 엽 줄기 세포의 공동 배양이 필요하다는 것을 밝혀 냈습니다. 배양된 세포는 프로토콜의 3단계에 설명된 대로 맞춤형 미세환경을 제공받았고, 그 결과 한쪽 끝에 핵이 있고 다른쪽 끝에 긴 세포 과정이 있는 편광 세포가 형성되었으며, 이는 ameloblasts의 전형적인 특성입니다(그림 4A). 성장 인자 및/또는 스캐폴드 코팅 없이 배지만 적용하면 주요 법랑질 단백질을 분비하지만 늘어나거나 분극화되지 않는 자궁 경부 루프 세포가 생성되었습니다(그림 4B).
갈라닌-코팅된 및 코팅되지 않은 콜라겐 스캐폴드를 바이오리액터에서 14일 동안 hPDL 세포와 함께 바이오리액터에 두었다. 세포는 3D 배양 시스템에서 2주 배양 기간 동안 생존했으며 갈라닌 코팅 스캐폴드 그룹은 코팅되지 않은 스캐폴드를 포함하는 대조군에 비해 훨씬 더 높은 증식률(그림 5B)을 보여주었습니다(그림 5A). 실험군의 세포는 또한 대조군과 비교하여 결합 조직 섬유를 포함하는 세포외 기질의 상당히 높은 수준을 입증했습니다.
생물 반응기 환경은 3D 미세 중력 환경에서 폐 세그먼트의 성장에 성공한 것으로 입증되었습니다 (그림 6). 이 연구를 위해, E15 마우스로부터 수확 된 폐 조직 세그먼트 (그림 6C)를 2 시간 동안 장기 배양 접시의 니트로 셀룰로오스 막에 놓았다. 막에 대한 초기 조직 부착 후, 폐 조직/니트로세포막 복합체를 생물반응기 용기에 넣고 10일 동안 성공적으로 배양하였다(그림 6A). 폐 조직 성장에 대한 염증 상태의 영향을 연구하기 위해 배양 배지에 IL-6를 첨가하면 생체 내에서 보이는 것과 유사한 폐포 형태에서 전형적인 염증 관련 변화가 발생했습니다(그림 6B).

그림 1. 생물 반응기 용기의 구성 요소. 그림 1은 생물 반응기 용기의 주요 구성 요소와 사전 조립 단계에서의 위치를 보여줍니다. (A) 반응기 챔버, 주사기 포트 및 스캐폴드의 상대적 위치. (B) 전면 플레이트 (투명 커버)와 후면 플레이트 (산소 공급기 막으로 덮인 흰색 플레이트)의 반 개방 위치. 비계는 앞판과 뒷면 사이의 중앙에 위치합니다. 검은 색 그래 핀 스캐 폴드 (C)는 스캐 폴드가 용기 내에 배치되고 세포가 증식, 분화 및 세포 네트워크를 형성하기위한 지지체로 사용되는 방법을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2. 본 연구에서 시험한 비계의 대표적인 예시. 바이오리액터 연구를 위해 5개의 스캐폴드를 테스트했으며 그 중 2개의 예가 여기에 제시되어 있습니다. (A,B)는 아멜로모세포 유사 세포 성장을 위해 테스트된 그래핀 스캐폴드를 나타내고, (C,D)는 당사의 바이오리액터 기반 세포 배양 연구에서 가장 성공적인 콜라겐 스캐폴드를 나타냅니다. 콜라겐 스캐폴드(C,D)의 다공성 구조와 그래핀 스캐폴드(A,B)의 표면 엠보싱의 평행 배열에 주목하십시오. (A,C)는 수직 관점에서 찍은 매크로 그래프이고 (B,D)는 45° 각도로 이미지화되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 자궁 경부 루프 준비. A의 골격화된 성체 마우스 하악골은 ameloblast-like 세포 배양 및 분화를 위한 세포 틈새를 준비하는 데 사용되는 자궁 경부 루프 영역을 보여줍니다. 이 매크로 그래프는 또한 거의 전체 하악 길이에 걸쳐 지속적으로 성장하는 앞니 (inc), 하악의 각도와 함께 첫 번째 하악 어금니 (m1), 코로 노이드 과정 및 하악 과두의 위치를 포함하여 해부학 적 마커의 위치를 보여줍니다. 이 골격 준비는 (B)에서 준비된 자궁 경부 루프 영역에 대한 해부학 적 방향으로서 작용한다. 기준점에는 하악골(mand), 유두 조직(DP), 하악의 각도(각도) 및 ameloblast 생물 반응기 연구를 위한 세포를 수확한 경추 루프(CL)의 위치가 포함됩니다. 파선은 골격화 된 성인 하악골 (A)과 6 dpn 새로 해부 된 하악골 (B)에서 자궁 경부 루프 해부를 위해 준비된 하악 창의 전방 및 원위 부분을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4. 3D 공동 배양 접근법을 사용한 아멜로모세포 유사 세포 생성. (A) 적절한 미세 환경에서 치수 줄기 세포와 공동 배양 된 자궁 경부 루프 세포로부터 ameloblast-like 세포의 성공적인 분화. 생성 된 세포 집단은 에나멜 매트릭스 단백질을 분비하는 능력을 가진 길고 길쭉한 분극 된 세포로 구성되었습니다. 이 세포들은 한쪽 끝(nucl)의 핵과 다른 쪽 끝(A)의 진정한 ameloblasts에서 관찰되는 Tomes Process와 유사한 세포 과정(proc)을 특징으로 합니다. (B)는 공동 배양 조건도 받았지만 성장 인자 또는 분화 인자가없는 배지를 사용하여 전형적인 ameloblasts를 대표하지 않는 둥근 세포를 초래 한 대조군 세포 집단을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5. 코팅된 스캐폴드 표면과 코팅되지 않은 스캐폴드 표면을 가진 단일 세포 치주 전구체(pdl) 집단의 장기 3D 배양. 스캐폴드 코팅은 코팅되지 않은 스캐폴드(A)에 노출된 대조군 세포에 비해 갈라닌 코팅된 스캐폴드(B) 상에서 배양된 세포에서 hPDL 세포 증식 속도의 증가를 초래하였다. 실험군의 세포는 또한 대조군에 비해 결합 조직 섬유를 포함하는 세포 외 기질을 더 많이 분비했습니다 (B 대 A). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6. 생물 반응기에서 폐 조직 배양. (a) E15 폐 조직 세그먼트를 10일 동안 생물반응기에서 니트로셀룰로스 막 상에서 배양하였다. (B) E15 폐 조직 절편은 (A)와 유사하지만 IL-6를 배지 (B)에 첨가하여 염증 상태를 실시한다. (C) H & E로 염색 된 새로 해부 된 E15 폐 조직의 파라핀 절편. (A)와 (C)를 비교할 때 폐포 유형 I 및 유형 II 세포 형태의 유사성에 유의하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.
이 프로토콜은 미세중력에서 아멜로모세포 유사 세포의 배양 및 3D 성장을 통해 길쭉하고 분극된 형태와 에나멜 특이적 단백질 발현을 유지하는 방법을 제시합니다. 미세 중력에서 치주 공학 구조물 및 폐 기관의 배양을위한 배양 조건도 설명됩니다.
연구는 국립 치과 및 두개 안면 연구소 (UG3-DE028869 및 R01-DE027930)의 보조금으로 아낌없이 지원되었습니다.
| 항생제 - 항진균 | 성 ThermoFisher Scientfic | 15240096 | |
| Ascorbic Acid | Sigma Aldrich | A4544 | |
| BGJb Fitton-Jackson Modification media | ThermoFisher Scientfic | 12591 | |
| BIOST PGA scaffold | Synthecon | Custom | 맞춤 주문을 통해 회사에서 제공 |
| BMP-2 | R & D 시스템 | 355-BM | |
| BMP-4 | R& D Systems | 314-BP | |
| DMEM 미디어 | 시그마 Aldrich | D6429-500mL | |
| FBS | ThermoFisher Scientfic | 16140071 | |
| Fibricol | Advanced Biomatrix | 5133-20mL | |
| 피브로넥틴 | Corning | 354008 | |
| Galanin | Sigma Aldrich | G-0278 | |
| 젤라틴 디스크 | 고급 Biomatrix | CytoForm 500 | |
| 그래핀 시트 | Advanced Biomatrix | CytoForm 300 | |
| hEGF | Peprotech | AF-100-15 | |
| hFGF | ThermoFisher Scientfic | AA1-155 | |
| Hydroxyapatite disc | Advanced Biomatrix | CytoForm 200 | |
| Il-6 protein | PeproTech | 200-06 | |
| 각질 세포 SFM 매체 (1X) | ThermoFisher Scientfic | 17005042 | |
| 라미닌 | 코닝 | 354259 | |
| LRAP 펩타이드 | 펩타이드 2.0 | 맞춤 제작 서열 : MPLPPHPGSPGYINLSYEVLT PLKWYQSMIRQPPLSPILPEL< > PLEAWPATDKTKREEVD | |
| Matrigel | Corning | 354234 | |
| Millipore 니트로 셀룰로오스 멤브레인 | Merck Millipore | AABP04700 | |
| RCCS 생물 반응기 | Synthecon | RCCS 4HD | |
| SpongeCol | Advanced Biomatrix | 5135-25EA | |
| 주사기 밸브 편도 스톱콕 w/스위블 남성 루어 잠금 | Smiths Medical | MX5-61L | |
| 바늘 포함 주사기 3cc | McKESSON | 16-SN3C211 | |
| 트립신 EDTA (0.25%) | ThermoFisher Scientfic | 25200056 |