이 프로토콜은 3차원(3D) 프린팅 골격으로 두 종류의 부착 세포주의 생물학을 재현할 수 있는 새로운 체외 실험 모델을 보여줍니다. 이 모델의 구성과 세포 준비 및 세포 배양에서 분석 및 평가에 이르는 운영 절차에 대해 설명합니다.
방법 논문
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이 프로토콜은 3차원(3D) 프린팅 골격으로 두 종류의 부착 세포주의 생물학을 재현할 수 있는 새로운 체외 실험 모델을 보여줍니다. 이 모델의 구성과 세포 준비 및 세포 배양에서 분석 및 평가에 이르는 운영 절차에 대해 설명합니다.
배아 착상은 모체-배아 계면에서 서로 다른 세포 유형 간의 상호 작용에 의해 영향을 받습니다. decidua 내의 다양한 세포 유형 간의 직간접적인 의사소통은 자궁내막 수용성을 조절하는 데 중요합니다. 그러나 이러한 상호 작용을 매개하는 분자 메커니즘은 아직 불분명합니다. 이와 관련하여, 자궁내막 상피-기질 상호작용의 생물학을 요약할 수 있는 포괄적인 체외 모델을 확립하기 위해서는 이식 과정을 연구하기 위한 모델이 필요합니다. 이 모델은 일반 세포 배양 플레이트와 일치하는 스캐폴드로 구성되며, 이는 저비용 재료로 3차원(3D) 프린팅으로 생성됩니다. 여기에서는 모델 구성, 세포 준비, 세포 파종, 세포 배양, 관찰 및 평가를 위한 일련의 프로토콜에 대해 자세히 설명합니다. 또한, 현미경 아래에서 양호한 성장 조건을 보이는 세포에 대한 대표적인 결과를 포함시켰습니다. 이 연구는 자궁내막 기질 세포와 상피 세포 사이, 영양막 세포와 자궁 내막 세포 사이의 상호 작용을 모방하는 체외 모델을 개발하는 것을 목표로 했습니다.
인간 임신에 대한 광범위한 연구에도 불구하고, 착상과 임신 초기에 모체-태아 계면의 분자 메커니즘은 여전히 잘 이해되지 않고 있다1. 인간의 자궁내막은 주로 자궁내막 상피세포(EEC)와 자궁내막기질세포(ESC)의 두 가지 세포 유형으로 구성됩니다. 착상은 고정(apposition), 부착(attachment), 침입(invasion)의 세 단계를 거쳐 유능한 배아(competent embryo)와 수용성 자궁내막(receptive endometrium)2의 발달로 이어집니다. 인간 피험자에 대한 생체 내 연구의 윤리적 제약과 동물의 인간 상태를 완전히 시뮬레이션하는 것의 어려움을 고려할 때, 체외 인간 자궁 내막 배양 모델의 구축은 이식 및 초기 임신 과정을 복제하는 효과적인 수단이 되었습니다3. 이러한 모델은 정상 임신과 병리학적 임신 모두를 조사하는 데 가치가 있으며 중개 의학에서 치료 개입의 예비 테스트 및 검증을 위한 기초 플랫폼을 제공합니다.
상업용 챔버는 세포 생물학 연구에 널리 활용되어 왔습니다. 이 챔버는 세포 이동과 서로 다른 유형의 세포 간의 누화에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 그러나 상업용 챔버는 일반적으로 일회용이며 비용이 많이 들 수 있습니다4.
자궁내막과 배반포 또는 배반포 대리모로 구성된 수많은 체외 인간 배양 모델이 개발되어 이식의 자세한 과정을 더 잘 이해할 수 있습니다. 그러나 이러한 모델은 3D 구조가 매우 복잡한 실험 설정이고 특정 특정 차별화 매체가 비싸기 때문에 여전히 초기 응용 단계에 있습니다 5,6,7.
저렴한 3D 프린팅 하드웨어를 사용하고 제조 기간이 비교적 짧기 때문에 다양한 실험 목적을 목표로 구조를 조정할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술은 시간 비용을 줄이고 복잡한 맞춤형 구조를 만들 수 있도록 합니다. 이 기술은 프로토타입 설계 및 반복을 크게 가속화하여 다양한 분야의 연구자에게 유용한 도구가 되어 작업을 보다 효율적으로 완료할 수 있도록 합니다 8,9,10.
여기에서는 배아 착상 중 자궁내막 수용성을 조사하기 위해 자궁내막 기질 세포와 상피 세포 간의 상호 작용을 시뮬레이션할 수 있는 3D 구조의 구성 및 세포 배양 시스템으로의 사용을 위한 실현 가능하고 경제적인 실험 프로토콜을 제시합니다. 이것은 상업용 일회용 재료에 대한 맞춤형 및 저렴한 대안을 제공합니다.
참고: 이 프로토콜에 사용된 모든 시약은 Table of Materials에서 확인할 수 있습니다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 매체는 사용 전에 37°C로 사전 평형화되었습니다.
비계 및 모형 건설의 1. 3D 인쇄
참고: 여기에 있는 단계는 상업용 3D 금속 인쇄기의 매뉴얼 북에 따라 수행되었습니다. 단계는 아래에 간략하게 설명되어 있습니다(보충 파일 1).
2. 3D 모델에서 세포 공동 배양을 위한 준비
참고: 세포 배양 실험에 사용하기 전에 오토클레이브 멸균을 용이하게 하기 위해 고온 내성 재료를 3D 프린팅 셀 커버슬립 스캐폴드 지지대의 소모품으로 사용하는 것이 좋습니다. 이 연구에서는 불멸화된 인간 자궁내막 기질 세포(HESC)와 인간 자궁내막 상피 세포(이시카와)를 사용했습니다. 이러한 세포주의 특성화는 이전에 보고된 바 있습니다 5,6.
3. 공동 문화 모델의 조립
4. 이미지 획득
5. 이미지 처리
6. 세포 수확
그림 1은 이 공정에 사용되는 세포 슬라이드용 수제 스캐폴드를 보여주며, 이는 표준 12웰 세포 배양 플레이트에 부착할 수 있도록 맞춤화된 상부 지지 링으로 구성되며 4개의 L자형 막대 모양의 구조를 특징으로 하는 기저 세포 슬라이드 홀더로 보완됩니다.
그림 2에 따르면, 공동 배양 조건(그림 2A, B)에서 두 세포 유형의 밀도는 공동 배양 72시간 후에도 낮게 유지되었습니다. 그러나 독립적으로 배양된 두 세포 유형의 밀도는 크게 증가했습니다(그림 2C, D). 또한, 공동 배양된 hESC의 길이는 독립적으로 배양된 hESC에 비해 짧았습니다(그림 2E-G).
이시카와 세포와 hESC 세포의 프로필은 두 가지 유형의 세포 사이에 상호 작용이 존재함을 나타냅니다. 동시에 이 시스템을 통해 면역화학 염색 및 웨스턴 블롯을 포함한 별도의 세포주에 대한 후속 실험을 계속 수행할 수 있습니다.

그림 1: 실험 프로토콜에 사용된 3D 프린팅 커버슬립 스캐폴드. (A) 모노 형태의 스캐폴드. (B) 이진 형식의 스캐폴드. (C) 비계에 커버슬립의 배치를 보여주는 그림. (D) 표준 12웰 플레이트에 스캐폴드를 배치하는 것을 보여주는 그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 서로 다른 조건에서 3일 동안 처리된 hESC 및 Ishikawa 세포주의 프로필. (A) 스캐폴드(Bar=200 μm)에 의해 hESC와 공동 배양된 커버슬립의 이시카와 종자. (B) 스캐폴드를 사용하여 이시카와와 공동 배양한 커버슬립의 hESC 종자. (C) 이시카와 세포는 10% FBS를 갖는 상보적 배지에서 배양하였다. (D) hESC 세포를 10% FBS와 상보적 배지에서 배양하였다. (E) 공동 배양 조건에서 hESC의 세포 밀도는 독립 배양 조건에서보다 현저히 낮습니다. (F) 공동 배양 조건에서 ISHIKAWA 세포의 세포 밀도는 독립 배양 조건에서보다 현저히 낮습니다. (G) 공동 배양 조건에서 hESC의 길이는 상당히 짧습니다. N=3; , p<0.05, 오류 표시줄에 표준 오류가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 3D 프린팅 코딩 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
자궁내막 기질 세포와 상피 세포의 간접 공동 배양을 위해 단순화되고 비용 효율적인 프로토콜이 설명됩니다. 이 방법은 표준 12웰 세포 배양 플레이트에 부착할 수 있도록 맞춤화된 상부 지지 링으로 구성된 세포 슬라이드용 수제 스캐폴드를 사용하며, 4개의 L자형 막대 모양의 구조를 특징으로 하는 기저 세포 슬라이드 홀더로 보완됩니다. 이 설정은 자궁내막 기질 세포와 상피 세포의 분리를 용이하게 하는 동시에 배양 배지에서 신호 분자의 교환을 통해 상호 작용을 가능하게 합니다. 이 접근법의 주요 장점 중 하나는 상업적으로 이용 가능한 공동 배양 시스템에 비해 시간과 지출이 크게 줄어든다는 것입니다11. 수제 비계는 쉽게 구할 수 있는 재료로 제작되어 설치 비용을 크게 낮춥니다. 또한 설계가 간단하여 연구원이 골격을 쉽게 조립 및 분해할 수 있으므로 실험실에서 시간과 노력을 절약할 수 있습니다. 또한 수제 골격은 여러 용도로 세척 및 살균할 수 있어 진행 중인 연구를 위한 지속 가능하고 경제적인 옵션입니다. 이 기능은 일관되고 신뢰할 수 있는 결과가 중요한 장기 연구에 특히 유용합니다.
자궁내막 기질 세포와 상피 세포는 성공적인 배아 착상을 촉진하는 데 중추적인 역할을 합니다. 생리학적 조건에서 자궁내막의 자궁내막 상피 세포와 기질 세포는 일반적으로 직접 접촉하지 않습니다. 인간 자궁내막 기질 세포 탈락에 대한 연구는 상피 세포가 부분비에 의한 탈피 과정에 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 상피 세포와 기질 세포가 가까이 있기 때문에 부분비 신호전달을 통한 효과적인 의사소통이 가능합니다12. 이러한 상호작용은 자궁내막의 주기적 변화를 조율하는 데 필수적이며, 여기에는 착상 준비 및 착상이 이루어지지 않을 경우 후속 조직 탈락이 포함된다11. 상피 세포와 기질 세포는 모두 에스트로겐과 프로게스테론에 대한 수용체를 발현하며, 이는 에스트로겐의 증식, 분화 및 분비 활동을 조절합니다. 상피-기질 누화(epithelial-stromal crosstalk)는 이러한 반응이 잘 조정되도록 보장한다13. 따라서, 이러한 세포 간의 복잡한 누화는 자궁 내막 수용성과 배아14의 착상의 기초가 되는 복잡한 과정을 이해하는 것이 필수적이기 때문에 중요한 연구 영역으로 남아 있습니다. 생식 생물학의 상당한 발전에도 불구하고, 이식 중 이러한 세포 유형 간의 자세한 통신 메커니즘은 아직 완전히 설명되지 않았습니다15.
골격은 두 종류의 부착 세포의 공동 배양을 달성하는 편리한 방법을 제공합니다. 그러나 장기간의 공동 배양 과정에서 커버슬립 세포는 시간이 지남에 따라 계속 성장하고 재생되며 죽은 세포는 떨어져 하층 세포와 접촉하여 하층 세포에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한, 커버슬립에 종자된 세포는 골격에 앞면이 아래로 향하게 놓입니다. 중력이 세포의 상태에 어떤 영향을 미치는지의 여부는 알려져 있지 않다. 이 연구에서는 hESC와 Ishikawa의 두 세포주를 시연에 사용했습니다. 스캐폴드는 두 가지 다른 종류의 부착 세포주의 공동 배양에 널리 사용될 수 있습니다. 또한 스캐폴드는 다른 화합물 또는 의약품 이형 매체를 위한 플랫폼으로 사용할 수 있으며 발광, 가열 및 전극 장치와 같은 다양한 장치의 장착 플랫폼으로도 사용할 수 있습니다.
여기에서는 배아와 모계 자궁 세포 상호 작용의 분자 메커니즘을 더 자세히 연구하는 데 유용하고 편리한 도구인 특정 골격을 활용하는 신뢰할 수 있고 강력한 체외 세포 배양 시스템을 제시합니다. 또한, 우리는 확립된 골격의 타당성을 배반포/영양막 연구를 위한 모델로 특성화했습니다. 이 프로토콜을 사용하면 3D 프린팅을 통해 적절한 스캐폴드를 구성할 수 있으며, 이미징 정량화 시스템을 사용하여 다양한 요인을 평가할 수 있는 소량(12웰 플레이트)의 마이그레이션 또는 침입 플랫폼을 위한 3D 구조로서의 기능을 수행할 수 있습니다.
세포주를 사용하면 모델을 표준화하여 다양한 조건을 비교할 수 있으며, 이는 새로운 1차 융모 조직을 사용하여 적용할 수 없습니다. 그러나 모든 세포주 성분은 검증을 위해 1차 배양으로 대체할 수 있습니다. 관심 환자에서 유래한 세포와 조직을 통합함으로써, 제안된 모델은 불임 및 임신 실패에 기여하는 것으로 알려진 다양한 질병의 시연 및 모델링을 용이하게 할 수 있습니다.
중요한 단계
첫째, 공동 배양을 위한 이시카와 세포의 밀도는 약 60%-70% 포화도로 제한되어야 합니다. 둘째, 셀이 있는 커버슬립 덮개를 아래로 유지해야 합니다. 셋째, ECM의 농도는 겔 형성을 방지하기 위해 3mg/mL 미만이어야 합니다. 넷째, 공동 배양 시스템에서 배지의 액체 레벨은 커버 슬립을 덮어야합니다.
제한
위에서 언급한 모델은 자궁내막 상피 세포와 기질 세포를 포함합니다. 이 연구의 한 가지 한계는 일차 세포 대신 선암 이시카와 세포를 상피 세포 대리모로 사용하는 것이었습니다. 동일한 환자의 일차 상피 세포와 기질 세포를 통합하면 인간 자궁 내막의 생리학적 조건을 복제할 수 있습니다. 일부 실험 응용 분야의 경우, 내피 세포 및 면역 세포와 같은 다른 세포 유형이 없다는 점이 제한될 수 있으며, 이 모델에서는 자궁내막샘이 다른 자궁내막 세포 유형에 미치는 상호 작용 영향을 평가하기 위한 선상 구조의 특성화가 없습니다. 그러나 생리학적 조건에서 상피 세포는 극성을 나타내며, 이 특성은 자궁 발광 환경 없이는 체외 조건을 거의 시뮬레이션하지 않습니다. 자궁내막 기질 세포는 월경 주기의 결정적 과정에 있습니다16,17. 그러나 탈이중화의 분자 메커니즘은 불분명합니다. 면역세포(immunocytes 및 내피 세포)를 포함한 여러 요인이 탈이중화(decidualization)에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이 모델은 탈피 과정 동안 기질 세포와 상피 세포 사이의 간접 누화를 검사하는 제한된 방법을 제공합니다. 또한, 탈이중화(decidualization) 중 생물학적 마커의 수준과 역할은 여전히 불분명하므로 추가 연구가 필요합니다
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 연구에 참여한 모든 피험자에게 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 우리는 또한 Shenzhen에 있는 Light Innovation Technology Ltd의 이미징 지원에 감사드립니다. 이 연구는 중국 자연과학 기금(보조금 번호 82201851), 선전 과학 기술 프로그램(보조금 번호 JCYJ20210324141403009, RCYX20210609104608036), Shenzhen Key Medical Discipline Construction Fund (보조금 번호. SZXK028), Shenzhen Baoan Women's and Children's Hospital(보조금 번호. BAFY 2023003).
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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