$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
In de afgelopen eeuw, tweedimensionale (2D) weefselkweek uitgegroeid tot een integraal toolset voor studeren fundamentele cel biologie in vitro. Bovendien, hebben de relatief goedkope en eenvoudige protocollen voor 2D celkweek geleid tot de goedkeuring ervan in veel biologische en medische disciplines. Afgelopen onderzoek heeft echter aangetoond dat de traditionele 2D platforms tot resultaten leiden kunnen dat afwijken aanmerkelijk van die verzameld in vivo, waardoor kostbare tijd en middelen verspild voor klinisch georiënteerd onderzoek1,2, 3. Wij en anderen veronderstellen dat deze discrepantie kan worden toegeschreven aan het ontbreken van inheemse biochemische en biofysische signalen aan de cellen gekweekt op 2D oppervlakken, die nodig zijn voor de optimale proliferatie en rijping van verschillende celtypes kunnen worden verstrekt.
Om deze beperkingen en help brug de kloof tussen 2D hebben in vitro en in vivo studies, onderzoekers ontwikkelde driedimensionale (3D) hydrogel platforms voor cel-inkapseling1,4,5 ,6. Hydrogels zijn ideale materialen te recapituleren de endogene communicatie van de extracellulaire matrix (ECM) in vivo als gevolg van hun weefsel-achtige mechanische eigenschappen en de water-gezwollen structuur waarmee snelle transport van voedingsstoffen en signalering factoren7,8. Bovendien kan 3D hydrogels worden ontworpen om onafhankelijke controle hebben over de mechanische en biochemische eigenschappen van de steiger. Matrix mechanica9,10,11,12 zowel cel-lijm liganden13,14,15 zijn bekend om te beïnvloeden van de cel gedrag in vitro en in vivo. Dus bieden 3D hydrogels met afstembare eigenschappen een platform om te bestuderen van de causale relaties tussen cellen en hun communicatie. Criteria voor een ideale 3D hydrogel matrix omvatten eenvoudige, niet-cytotoxische cel-inkapseling, alsmede onafhankelijke tunability van fysiologisch relevante mechanische eigenschappen en nabootsers van inheemse cel-lijm motieven.
Beide synthetische (bv., Polyethyleenglycol, polylactic acid, poly (glycolic zuur)) en natuurlijk afkomstige (bv., alginaat, collageen, Matrigel) hydrogels hebben voordelen ten opzichte van 2D in vitro cultuur platformen; echter, ze hebben ook aanzienlijke tekortkomingen waardoor hun toepasbaarheid beperkt. Eerste, vele synthetische en natuurlijk afkomstige platformen vereist harde crosslinking voorwaarden die potentieel giftig voor de cellen van zoogdieren kunnen, wat leidt tot verminderde cel levensvatbaarheid7. Bovendien, vele synthetische platformen gebrek aan inheemse topicale en moeten worden matiemaatschappij via secundaire chemische reacties, die meer kosten en complexiteit16kunnen toevoegen. Tot slot, terwijl natuurlijk afkomstige materialen doorgaans intrinsieke bio-actieve domeinen bevatten, ze worden vaak geplaagd door hoge-charges-variabiliteit en zijn vaak beperkt tot de vorming van relatief zwakke gels7,17.
Recombinante Eiwittechnologie presenteert een unieke toolset voor materialen ontwerp doordat expliciete controle over eiwit sequentie en, bij uitbreiding, de potentiële mechanische en biochemische eigenschappen van de definitieve hydrogel steigerwerk18. Bovendien, door gebruik te maken van de bekende biologische machines van Escherichia coli (E. coli) uitspreken eiwitten, kunnen materialen worden geproduceerd rendabel en consequent met beperkte inter - en intra-batch variabiliteit. De elastine-achtige eiwitten (ELP) hier gepresenteerd heeft drie gemanipuleerde domeinen: (1) een T7 en His6 tag waarmee voor labeling via fluorescently gelabeld antilichamen, (2) een 'elastine-like'-regio die verleent elastische mechanische eigenschappen en zorgt voor chemische crosslinking, en (3) een 'bio-active'-gebied dat voor cel-lijm motieven codeert.
Onze regio elastine-achtige is gebaseerd op de canonieke (Val-Pro-Glycine-Xaa-Glycine)5 elastine sequentie waar vier van de 'Xaa' aminozuur sites zijn isoleucine (Ile), maar kunnen worden ontworpen om elk aminozuur behalve proline. Deze reeks schenkt recombinante ELPs met lagere temperatuur (LCST) gedrag van kritische oplossing die kan worden benut voor eenvoudige reiniging na expressie via thermische fietsen19,20. Deze eigenschap van de LCST kan worden afgestemd op thermisch statistische bij verschillende temperaturen door aanpassing van de gast 'Xaa' residu21,22.
De positie van de 'Xaa' op één van de vijf elastine-achtige herhalingen is hier, met de amine-presenteren lysine (Lys) aminozuur, die wordt gebruikt voor de hydrogel crosslinking vervangen. Onze vorige werk is gebleken niet-cytotoxische en robuuste crosslinking via reactie met de amine-reactieve crosslinker tetrakis (hydroxymethyl) fosfonium chloride (THPC)23. Door verschillende algemene inhoud en crosslinker eiwitconcentratie kunnen we produceren hydrogels die kunnen worden afgestemd om te beslaan een fysiologisch relevante stijfheid bereik (~0.5-50 kPa)9,23,24. Naast tuning mechanische eigenschappen, cel adhesie binnen de hydrogel vloeit voort uit de integratie van canonieke cel-lijm domeinen binnen de ruggengraat van de ELP-eiwit. Bijvoorbeeld, de opneming van de uitgebreide fibronectine afkomstige 'RGDS' aminozuur sequentie zorgt voor cel adhesie en conformationele flexibiliteit, terwijl de gecodeerde, niet-bindende 'RDGS' variant cel-matrix hechting24beperkt. Door het moduleren van de verhouding van cel-lijm niet-klevende eiwitten, evenals de totale eiwitconcentratie, kunnen we effectief produceren hydrogels die een grote verscheidenheid aan ligand concentratie bestrijken. Resultantly, hebben we een hydrogel platform met ontkoppelde biochemische en biofysische eigenschappen, die onafhankelijk van elkaar kunnen worden afgestemd voor optimale 3D cultuur van verschillende celtypes.
Naast de matrix stijfheid en zelfklevende ligand tunability bieden recombinante hydrogels de mogelijkheid om ontwerp specifieke materiële achteruitgang profielen, die nodig voor het verspreiden van cel proliferatie en migratie binnen een 3D-kader4 is , 9. deze afbraak wordt geboden door cel secretie van proteasen die specifiek gericht zijn op de uitgebreide 'RGDS'9 of elastine-achtige reeks25. ELP hydrogels is ook gebleken dat ter ondersteuning van de latere biochemische tests die nodig zijn voor het bestuderen van de levensvatbaarheid van de cellen en de functie met inbegrip immunocytochemie evenals DNA/RNA/eiwit extractie voor kwantitatieve reverse transcriptie-polymerase-kettingreactie (qRT-PCR) en Western blot9. ELP varianten zijn ook gebruikt in een aantal in vivo modellen en is bekend dat ze goed worden verdragen door het immuunsysteem26.
Tezamen, ELP zoals een materiële platform voor cel-inkapseling studies beschikt over een breed scala aan voordelen ten opzichte van synthetisch of natuurlijk afgeleide materiaal platforms, die vaak niet dezelfde mate van biochemische en biofysische tunability en reproduceerbaarheid. Bovendien, ELP van eenvoudig en niet-cytotoxische gebruik met een breed scala aan celtypes (bv., chick dorsal root ganglia14,24, lymfkliertest neurale progenitor cells9, menselijke mesenchymale stamcellen cellen27, runderen neonatale chondrocyten28, mens endotheliale cellen29,30) zorgt voor een meer fysiologisch relevante model voor de endogene 3D ECM in vergelijking met 2D celkweek. Hierin presenteren we een protocol voor de expressie van het recombinantly-afgeleide, ELPs voor het gebruik als een afstembare hydrogel platform voor 3D cel inkapseling. Verder presenteren we de methodologie voor het stroomafwaarts fluorescerende benoemen en confocale microscopie van ingekapselde cellen.