이 기사에서는 세포외 기질 경화 및 섬유아세포 활성화를 연구하기 위해 광조정 가능 하이드로겔을 3D 바이오프린팅하는 방법을 설명합니다.
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이 기사에서는 세포외 기질 경화 및 섬유아세포 활성화를 연구하기 위해 광조정 가능 하이드로겔을 3D 바이오프린팅하는 방법을 설명합니다.
광조정 가능한 하이드로겔은 빛 노출에 반응하여 공간적, 시간적으로 변형될 수 있습니다. 이러한 유형의 생체 재료를 세포 배양 플랫폼에 통합하고 미세환경 강성 증가와 같은 변화를 동적으로 유발함으로써 연구자들은 섬유화 질환 진행 중에 발생하는 세포외 기질(ECM)의 변화를 모델링할 수 있습니다. 여기에서, 젤라틴 지지 수조 내에서 2개의 순차적 중합 반응이 가능한 광조정 가능한 하이드로겔 생체 재료를 3D 바이오프린팅하기 위한 방법이 제시된다. 부유 하이드로겔의 자유형 가역적 임베딩(FRESH) 바이오프린팅 기술은 마이클 첨가 반응을 촉진하기 위해 지지 수조의 pH를 조정하여 조정되었습니다. 먼저, 폴리(에틸렌글리콜)-알파메타크릴레이트(PEGαMA)를 함유하는 바이오잉크를 세포분해성 가교제와 화학량론적으로 반응시켜 연질 하이드로겔을 형성하였다. 이 연질 하이드로겔은 나중에 광자극제와 빛에 노출되어 미반응기의 동질중합을 유도하고 하이드로겔을 경화시켰습니다. 이 프로토콜은 하이드로겔 합성, 3D 바이오프린팅, 광보강 및 3D 구조 내에서 섬유아세포 활성화를 평가하기 위한 종말점 특성 분석을 다룹니다. 여기에 제시된 방법을 통해 연구자들은 pH 촉매 중합 반응을 겪는 다양한 물질을 3D 바이오프린팅할 수 있으며 조직 항상성, 질병 및 복구의 다양한 모델을 엔지니어링하는 데 구현할 수 있습니다.
3D 바이오프린팅은 연구자들이 3D 부피 내에 세포와 생체 재료를 정밀하게 증착하고 생체 조직의 복잡한 계층 구조를 재현할 수 있도록 하는 혁신적인 기술입니다. 지난 10년 동안 3D 바이오프린팅의 발전으로 박동하는 인간 심장 조직1, 신장 조직의 기능적 모델2, 폐 내 가스 교환 모델3, 암 연구를 위한 종양 모델4이 개발되었다. FRESH(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogel) 바이오프린팅과 같은 임베디드 3D 바이오프린팅 기술의 발명으로 폐 혈관(pulmonary blood vessel)5 및 심지어 인간의 심장( human heart)6 과 같은 복잡한 연조직 구조를 3D로 재현할 수 있게 되었습니다. FRESH 3D 바이오프린팅은 전단 담화 지지 수조로의 압출을 통해 부드러운 바이오잉크와 저점도 바이오잉크의 층별 프린팅을 용이하게 합니다. 서포트 수조는 Bingham 플라스틱 역할을 하고 인쇄 후 바이오잉크의 의도된 모양과 구조를 유지하는 밀접하게 포장된 젤라틴 미세 입자와 같은 재료로 구성됩니다. 인쇄된 구조체가 응고되면, 온도를 37°C7로 높여서 지지 수조를 용해시킬 수 있다.
최근 리뷰 기사는 FRESH 기술을 사용하여 다양한 출판물에서 3D 바이오프린팅된 재료를 요약했습니다. 이러한 천연 유래 물질은 콜라겐 유형 I에서 메타크릴레이트 히알루론산에 이르기까지 다양하며 여러 가지 겔화 메커니즘을 나타냅니다7. 이 3D 바이오프린팅 기술을 사용하여 수행된 대부분의 연구는 외부 자극에 반응하여 변하지 않는 정적 생체 재료를 사용합니다. 동적 광화 하이드로겔 생체 재료는 다양한 섬유화 질환을 모델링하기 위해 우리 연구실 및 기타 8,9,10,11,12에서 사용되었습니다. 정적 생체 재료와 달리 광조정 가능 바이오잉크를 사용하면 탄성 계수 값이 낮은 연화 모델을 생성하고 나중에 경질하여 미세 환경 경직 증가에 대한 세포 반응을 탐색할 수 있습니다.
섬유화 질환은 흉터와 경직을 유발할 수 있는 세포외 기질 생성의 증가를 특징으로 한다13. 조직 경직은 영향을 받은 조직의 추가 손상과 파괴를 시작하여 영구적인 장기 손상과 심지어 사망을 유발할 수 있습니다. 섬유화 질환은 전 세계 사망의 1/3을 차지합니다. 섬유아세포는 이 질병 상태에서 과잉 및 비정상적인 세포외 기질을 생성한다14,15. 증가된 섬유아세포 증식 및 세포외 기질 침착은 조직을 더욱 단단하게 하고 섬유화 양성 피드백 루프(profibrotic positive feedback loop)를 활성화시킨다16,17,18,19. 섬유아세포 활성화를 연구하는 것은 섬유화 질환을 이해하는 데 매우 중요합니다. 여기서는 3D 바이오프린팅을 사용하여 혈관의 3D 형상을 모방하는 것이 중요한 한 가지 섬유화 질환의 예로 인간 폐동맥 고혈압(PAH)을 제시하고 광조정 가능 하이드로겔의 동적 경화 기능을 소개합니다. PAH는 주요 폐동맥의 압력이 정상 수준을 초과하여 심장에 부담을 가하여 인간 폐동맥 외래 섬유아세포(HPAAF) 활성화를 증가시키고 혈관 조직을 경직시키는 상태입니다16,17,18,19. 광조정 가능한 폴리(에틸렌 글리콜)-알파 메타크릴레이트(PEGαMA) 바이오잉크 제형은 구조물의 시간적 경화를 허용하고 건강한 조직과 질병 진행을 모두 모델링하는 데 도움이 됩니다 5,8,9,10. 이 고유한 기능을 활용하면 미세환경 경화에 대한 반응으로 HPAAF 활성화 및 증식을 3D로 정량화할 수 있으며 이 질병과 관련된 세포 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 여기에 설명된 프로토콜을 통해 연구자들은 질병 진행 또는 조직 복구 중 세포 외 미세환경의 변화를 요약하는 3D 모델을 만들고 섬유아세포 활성화를 연구할 수 있습니다.
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1. PEGαMA 합성 및 특성화
참고 : 폴리 (에틸렌 글리콜) - 알파 메타 크릴 레이트 (PEGαMA) 합성은 Hewawasam et al .에서 채택되었으며 습기가없는 조건에서 수행되었습니다9.

그림 1: 양성자 NMR은 성공적인 PEGαMA 기능화를 확인했습니다. NMR 분석은 클로로포름-D(CDCl3)에서 수행되었으며 96.5%의 기능화를 보여주었습니다. PEGαMA 1 H NMR (300 MHz, CDCl3): d (ppm) 1.36(t, 3H, CH 3-),3.71 (s, 114H, PEG CH 2-CH 2), 4.29 (t, s, 4H, -CH 2-C(O)-O-O, -O-CH2-C(=CH 2)-), 5.93 (q, 1H, -C=CH 2), 6.34 (q, 1H, -C=CH 2). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 모델 설계 및 3D 바이오프린터 설정
참고: 시중에서 판매되는 3D 프린터(재료 표 참조)는 열가소성 압출기를 맞춤형 주사기 펌프 압출기로 교체하여 수정되었으며 Hinton et al.20에서 수정되었습니다. 오픈 소스 디자인은 온라인에서 사용할 수 있습니다 : https://3d.nih.gov/users/awfeinberg.
3. 지지 수조 및 시약의 준비
알림: 무균 기술을 사용하여 생물 안전 캐비닛의 모든 단계를 수행하십시오.

그림 2: 기본 3D 바이오프린팅 설정. 바이오프린터는 생물안전 캐비닛과 같은 멸균 환경 내에 설치되었으며, 프린트 헤드는 유리 주사기와 바늘이 아래의 지지 수조 인쇄 영역으로 수직으로 내려가도록 조립되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 세포 배양
알림: 무균 기술을 사용하여 생물 안전 캐비닛의 모든 단계를 수행하십시오.
5. 하이드로겔 바이오잉크의 제조
참고: 바이오잉크 제제는 Davis-Hall et al.5에서 채택되었습니다. 5.1-5.2단계는 4.1-4.3단계와 병행하여 완료하여 바이오잉크에서 세포 수집과 재현탁 사이의 시간을 최소화할 수 있습니다. 무균 기술을 사용하여 생물 안전 작업대에서 단계를 수행합니다.
| 구성 요소 | 원액 농도 | 추가할 금액 |
| PEGαMA | 0.25 밀리그램 / 밀리람베르트 | 140 μL |
| 디티에이치티 | 250 밀리미터 | 12.24 마이크로리터 |
| MMP2 분해성 교차결합제 | 250 밀리미터 | 5.25 마이크로리터 |
| RGD (RGD) | 250 밀리미터 | 1.6 μL |
| 고용전문회사(PEO) | 15중량% | 33.33 마이크로리터 |
| 활성화 배지 및/또는 pH 조정 시약 | - | 7.58 마이크로리터 |
| 섬유아세포(Fibroblasts) | - | 800000 셀 |
표 1: 200μL의 바이오잉크(하이드로겔 전구체 용액 및 섬유아세포 세포)를 준비하는 데 필요한 부피의 예.
6.3D 바이오프린팅
알림: 무균 기술을 사용하여 생물 안전 캐비닛의 모든 단계를 수행하십시오.

그림 3: 실험적 회로도. 이 프로토콜은 세 가지 주요 단계로 설명되었습니다: (A) 폐 혈관을 모방하기 위해 세포가 내장된 3D 바이오프린팅 PEGαMA 중공 튜브. (B) 세포 미세환경을 강화하기 위한 단일중합 반응의 광개시. (C) 증식 및 활성화를 위한 세포 마커 평가. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
7.3D 바이오프린팅 구조물 배양 및 광보강
알림: 모든 단계는 무균 기술을 사용하여 생물 안전 캐비닛에서 수행해야 합니다.

그림 4: 3D 바이오프린팅 하이드로겔 구조는 시간 경과에 따른 세포 생존력을 지원했습니다. (A) 24웰 플레이트의 3D 프린팅 하이드로겔 구조 사진. (B) 형광 표지된 PEGαMA 3D 프린팅 하이드로겔의 최대 강도 투영. 축척 막대 = 1mm. 고배율 현미경 검사는 FRESH 바이오프린팅 지지 수조에서 젤라틴 미세 입자에 의해 유도된 하이드로겔 구조 내의 기공을 보여주었습니다. (C) 컨포칼 현미경(최대 강도 투영으로 표시된 100μm z-stack)에서 형광 표지된 경화 영역이 있는 3D 프린팅 PEGαMA 튜브는 3D에서 경화에 대한 공간적 제어를 보여주었습니다. 스케일 바 = 500 μm. (D) Live/Dead 분석으로 측정한 3D 바이오프린팅 구조물의 HPAAF 생존력. 두께가 300μm이고 4 × 106 cells/mL의 구성물은 모든 시점에서 다른 모든 조건을 능가했습니다. 생존력은 7일째에 최고조에 달했습니다. 이 조건과 시점은 향후 실험을 위해 선택되었습니다. 열은 평균 ± SEM, n = 3을 표시합니다. *, p < 0.05, ANOVA, 터키 HSD. (E) 전체 생존율이 가장 높은 시점인 7일째에 살아있는/죽은 시약으로 염색된 3D 구조에서 세포의 대표 공초점 이미지. Calcein AM은 살아있는 세포를 녹색으로 표시하고 프로피듐 요오드화물은 죽은 세포를 빨간색으로 표시했습니다. 가장 오른쪽 열은 가장 성능이 좋은 조건이 균일한 세포 분포와 높은 비율의 살아있는 세포를 가지고 있음을 보여줍니다. 스케일 바 = 500μm. Davis-Hall et al.5의 허가를 받아 복제했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
8. 섬유아세포 생존력 평가
9. 섬유아세포 활성화 평가

그림 5: 폐동맥 외막증의 3D 바이오프린팅 모델에서의 섬유아세포 활성화. (A) αSMA 발현으로 측정한 연질 및 경직 3D 하이드로겔의 섬유화 활성화. 경화된 구조체의 HPAAF는 부드러운 구조체의 세포보다 αSMA에 대해 유의하게 더 양성이었습니다. 열은 평균± SEM, n = 3을 나타냅니다. *, p < 0.05, Mann-Whitney U 검정. (B) 연질 및 경화 3D 하이드로겔에서 αSMA, 액틴 및 DAPI에 대한 면역염색의 대표적인 컨포칼 이미지. 경화된 구조체의 HPAAF는 부드러운 구조체의 세포보다 더 흔한 αSMA 면역형광을 보여주었습니다. 스케일 바 = 250 μm. (C) EdU 양성으로 측정된 연질 및 경화 3D 바이오프린팅 구조물의 섬유아세포 증식. 경화된 구조체의 HPAAF는 연성 구조체의 세포보다 EdU에 대해 유의하게 더 긍정적이었습니다. 열은 평균± SEM, n = 3을 나타냅니다. *, p < 0.05, Mann-Whitney U 검정. (D) 부드럽고 경화된 3D 하이드로겔에서 EdU 및 Hoechst 염료에 대한 면역염색의 대표적인 컨포칼 이미지. 경화된 구조물의 HPAAF는 연성 구조물의 세포보다 더 흔한 EdU 면역형광을 보여주었습니다. 눈금 막대 = 300μm. Davis-Hall et al.5의 허가를 받아 복제했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
10. 섬유아세포 증식의 평가
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이 프로토콜은 인체 조직을 모방한 형상에서 섬유아세포 활성화를 연구하기 위해 동적 및 시간적 경화가 가능한 구조를 만들기 위해 지지 수조 내에서 광조정 가능한 하이드로겔을 3D 바이오프린팅하는 방법을 설명합니다. 먼저, 이 프로토콜은 이 광조정 가능 폴리머 시스템의 중추인 PEGαMA를 합성하는 방법을 설명했습니다. 핵 자기 공명(NMR) 분광법 측정은 96.5%에서 성공적인 PEGαMA 기능화를 보여주었습니다(그림 1). 이 절차에는 90% 이상의 기능화 값을 사용할 수 있습니다. 다음으로 폐 혈관을 모방하기 위해 중공 실린더의 3D CAD 모델을 만드는 방법에 대한 세부 정보가 제공됩니다. 다운로드 가능한 3D CAD 모델은 보충 파일 1에서 제공 되며, 이 설계에 대한 관련 G 코드는 보충 파일 2에서 사용할 수 있습니다. 이 CAD 모델은 높이 4mm, 내경 4mm, 벽 두께 300μm 치수의 구조를 생성했습...
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제어된 빛 노출에 대한 반응으로 2단계 중합 반응은 공간적 및 시간적 제어를 통해 생체 재료를 강화할 수 있습니다. 여러 연구에서 이 기술을 활용하여 다양한 플랫폼 5,8,9,10,11,21,22,23에서 세포-매트릭스 상호작용을 평가했습니다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 포토마스크 또는 이광자 여기 방법을 사용하여 3D 바이오프린팅 구조의 개별 절편을 강화하고 이전 간행물 5,8
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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다. 이 원고의 일부는 IOP Publishing https://doi.org/10.1088/1758-5090/aca8cf 의 © 허가를 받아 복제되었습니다. 5 판권 소유.
저자는 Adam Feinberg 박사(카네기 멜론 대학교)와 3D 바이오프린팅 오픈 소스 워크숍을 주최한 사람들에게 감사의 뜻을 전합니다. 이 사람들은 FRESH 바이오프린팅 기술을 배우고 이러한 연구에 사용되는 3D 바이오프린터를 구축할 수 있었습니다. 덧붙여, 저자들은 이 원고에서 인물을 생산하는 데 사용된 Biorender.com 인정하고 싶다. 이 연구는 Rose Community Foundation(DDH 및 CMM), Colorado Pulmonary Vascular Disease Research Award(DDH 및 CMM), Award 1941401(CMM)의 National Science Foundation, Award W81XWH-20-1-0037(CMM)의 미 육군부, Award R21 CA252172(CMM)의 NIH 국립 암 연구소, University of Colorado Anschutz Medical Campus의 Ludeman Family Center for Women's Health Research(DDH 및 CMM), R01 HL080396(CMM), R01 HL153096(CMM), F31 HL151122(DDH) 및 T32 HL072738(DDH 및 AT).
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