A. Przygotowanie i sterylizacja materiałów
- Przed przygotowaniem materiałów do enkapsulacji przygotować 0,5 wt% roztwór fotoinicjatora Irgacure 2959 (I2959) w soli fizjologicznej z buforem fosforanowym (PBS), mieszając i inkubując przez kilka dni w 37°C. Roztwór można następnie przefiltrować za pomocą strzykawki w celu sterylizacji i przechowywać w temperaturze pokojowej do długotrwałego użytku.
- Na podstawie pożądanego składu syntetyzowanych żeli obliczyć (za pomocą programu do arkuszy kalkulacyjnych, np. Microsoft Excel) masę potrzebnego polimeru i sieciowania. Ponieważ określona masa polimeru musi zostać rozpuszczona w zdefiniowanej objętości całkowitej, aby uzyskać pożądane stężenie w hydrożelach, za pomocą arkusza kalkulacyjnego należy również wyznaczyć udziały sieciowania oraz roztworu polimeru w całkowitej objętości żelu. Podobne obliczenia należy przeprowadzić, jeśli przed sieciowaniem mają zostać włączone jakiekolwiek grupy boczne (np. adhezyjny oligopeptyd zawierający RGD lub YGSR).
- Odważyć wymaganą ilość polimeru i sieciowania i umieścić w probówkach Eppendorf. Odpowiednio dostosować arkusz obliczeń do faktycznie uzyskanej masy polimeru. (Uwaga: objętości można zmienić, aby skompensować faktyczną masę uzyskanego polimeru i sieciowania).
- Przygotować formy do żelu, odcinając żyletką końcówki sterylnych jednorazowych strzykawek o pojemności 1 mL w indywidualnych opakowaniach. W przypadku form przeznaczonych do żeli fotowzorowanych należy upewnić się, że cięcie jest płaskie.
- Umieścić formy ze strzykawek, probówki Eppendorf (z otwartymi nakrętkami) oraz wszelkie inne niezbędne materiały pod bakteriobójczym źródłem światła (zazwyczaj wbudowanym w komory bezpieczeństwa biologicznego) i sterylizować przez 30 minut.
B. Przygotowanie komórek
- Po sterylizacji do probówki Eppendorf z polimerem należy dodać odpowiednią objętość sterylnego buforu (zgodnie z obliczeniami w arkuszu; choć wybór buforu może się różnić, do sieciowania wolnorodnikowego zazwyczaj stosuje się PBS, a do sieciowania typu Michaela bufor słabo zasadowy, np. trietanoloaminę) oraz (opcjonalnie) grupę boczną, która ma zostać włączona (np. peptyd adhezyjny), a następnie wymieszać w wstrząsarku w celu rozpuszczenia (jeśli wstrząsanie odbywa się poza komorą sterylną, probówkę Eppendorf należy owinąć parafilmem).
- Do roztworu polimeru należy dodać odpowiednią objętość roztworu grupy bocznej i zabezpieczyć zamknięcie parafilmem. Krótko wymieszać w wstrząsarku i inkubować w 37°C w celu przeprowadzenia reakcji (jeżeli to możliwe, na mieszadle obrotowym) podczas przygotowywania komórek. Proces ten obejmuje reakcję tiolu w peptydzie (poprzez grupę cysteiny) z akrylanem lub metakrylanem, tak aby peptyd został włączony jako grupa boczna w końcowym hydrożelu.
- Komórki należy poddać trypsynizacji, policzyć i rozdzielić na porcje zawierające odpowiednią liczbę dla każdego zestawu żeli. Na przykład dla zestawu trzech żeli o objętości 50 μL przy gęstości 10 milionów komórek/mL, należy odseparować 1,5 miliona komórek do oddzielnej probówki stożkowej. Ze względu na czas żelowania zaleca się, aby w jednym zestawie przygotowywać nie więcej niż 4 żele (uwaga: w przypadku syntezy wielu zestawów żeli można przygotować jedną probówkę Eppendorf zawierającą odpowiednią objętość roztworu polimeru dla wszystkich zestawów).
- Komórki należy odwirować.
- Podczas wirowania komórek:
- Sieciowanie wolnorodnikowe inicjowane światłem: do roztworu polimeru dodać roztwór I2959 o stężeniu 0,5 wt% w ilości odpowiadającej 10% całkowitej objętości zestawu żeli (aby uzyskać końcowe stężenie inicjatora 0,05 wt%).
- Sieciowanie typu Michaela (addycyjne): do sieciowania dodać bufor w celu uzyskania odpowiedniego stężenia roztworu.
- W przypadku sieciowania sekwencyjnego: żele te obejmują oba typy sieciowania i wymagają wykonania obu poprzednich kroków.
C. Tworzenie hydrożelu
- Odssać nadsącz z odwirowanej frakcji komórek. Odczekać, aż ciecz opadnie po wstępnym odsysaniu, a następnie odessać ponownie, aby usunąć jak najwięcej pożywki bez naruszenia osadu komórkowego.
- Resuspender osad komórkowy w roztworze polimeru aż do równomiernego rozprzestrzenienia komórek. Zminimalizować powstawanie pęcherzyków powietrza poprzez powolne pipetowanie roztworu w górę i w dół (około 10 cykli powinno być wystarczających do rozprzestrzenienia komórek).
- Sieciowanie hydrożeli
- Sieciowanie wolnorodnikowe inicjowane światłem: Odmierzyć odpowiednią objętość do form z końcówek strzykawki. Naświetlić strzykawki światłem UV w celu sieciowania wolnorodnikowego (np. 10-minutowa ekspozycja na światło UV o długości fali 365 nm i mocy 4 mW/cm2 jest powszechna dla polimerów funkcjonalizowanych akrylanem). Krok ten należy wykonać szybko, aby zminimalizować osiadanie komórek przed ekspozycją na światło UV.
- Sieciowanie typu Michaela (addycyjne): Używając końcówki pipety o szerokim otworze, dodać odpowiednią objętość roztworu sieciującego do roztworu polimeru/komórek, ustawić pipetę na pożądaną objętość pojedynczego żelu, pipetować roztwór w górę i w dół w celu homogenizacji, a następnie rozdzielić do form z końcówek strzykawki. Krok ten należy wykonać szybko, aby zapewnić równomierny rozkład komórek. Pozostawić na 10-30 minut (w zależności od konkretnego systemu) w dygestorium do inkubacji w celu sieciowania.
- Sieciowanie sekwencyjne: Proces ten obejmuje najpierw reakcję addycji typu Michaela, a następnie naświetlanie w celu drugiego sieciowania. Podczas pierwszego sieciowania powinna zajść reakcja tylko części teoretycznych wiązań sieciujących, a następnie przed naświetlaniem należy za pomocą wysterylizowanej pęsety nałożyć sterylną maskę bezpośrednio na powierzchnię żelu. Do początkowego roztworu można dodać funkcjonalizowany barwnik (np. metakrylowaną rodaminę (MeRho) w końcowym stężeniu w żelu 20 nM) w celu wizualizacji wzoru, ponieważ będzie on wbudowywać się preferencyjnie w regionach żelu sieciowanych wolnorodnikowo (Rysunek 2).
D. Hodowla i analiza komórek
- Po sieciowaniu umieść żele w dołkach płytki do hodowli tkankowej zawierającej pożywkę do inkubacji i analizy (patrz następne kroki).
- Morfologię komórek można wizualizować za pomocą mikroskopii świetlnej (Rysunek 3; zazwyczaj syntetyzowane hydrożele są przezroczyste), a żywotność za pomocą fluorescencyjnego zestawu do barwienia żywe/martwe (Rysunki 3 i 4). Barwienie aktyny komórkowej (np. faloidyną znakowaną rodaminą lub fluoresceiną) oraz jąder komórkowych (np. 4’-6-diamidino-2-fenyloindolem (DAPI)) można przeprowadzić przy użyciu standardowych procedur fiksacji i permeabilizacji (Rysunek 4) zgodnie z poniższą procedurą.
- Płucz konstrukty 3 razy przez 5 min w PBS.
- Utrwal żele poprzez inkubację w 1 mL 4% formaldehydu przez 30 min w temperaturze pokojowej.
- Płucz konstrukty 3 razy roztworem blokującym zawierającym 3% (w/v) BSA i 0,5% (w/v) Tween w PBS.
- Przeprowadź permeabilizację błony za pomocą 0,25% (w/v) Triton X w roztworze blokującym przez 20 min.
- Płucz konstrukty 3 razy roztworem blokującym.
- Barw F-aktynę za pomocą 0,66 μg/mL faloidyny z FITC lub rodaminą w roztworze blokującym przez dwie godziny w temperaturze pokojowej.
- Płucz 3 razy roztworem blokującym.
- Barw jądra komórkowe za pomocą 0,4 μL/mL DAPI w PBS przez 20 min.
- Płucz 3 razy w PBS.
- Wizualizuj komórki za pomocą mikroskopii epifluorescencyjnej lub konfokalnej.
- Proliferację komórek w żelach zazwyczaj ocenia się przy użyciu dostępnych komercyjnie testów (np. całkowitej zawartości DNA lub zawartości biochemicznej). PicoGreen jest powszechnie stosowanym i czułym fluorescencyjnym barwnikiem kwasów nukleinowych do kwantyfikacji dwuniciowego DNA (Singer et al.). Komórki można również policzyć i znormalizować do początkowej liczby kontrolnej, korzystając z metod wizualizacji opisanych w kroku 2.
- Do wizualizacji komórek i utworzonej macierzy można również zastosować cięcie histologiczne i barwienie. Poniższy protokół odwodnienia i cięcia hydrożeli 3D może zostać wykorzystany do uzyskania przekrojów poprzecznych na szkiełkach przedmiotowych:
- Fiksacja i odwodnienie
- Płucz preparat 3 razy w PBS.
- Utrwal przez 5–30 minut w 4% paraformaldehydzie.
- Płucz preparat 3 razy w PBS.
- Inkubuj próbkę w EtOH w 25°C przez 1 godzinę dla każdego z następujących stężeń EtOH (v/v) w wodzie (w podanej kolejności): 50%, 70%, 95%, 95%, 100% (na tym etapie próbki można przechowywać przez noc w 25°C).
- Przezroczystość i infiltracja
- Przenieś do 100% Citrisolv na 1 h w 25°C, a następnie na jedną godzinę w 65°C.
- Przetnij próbki na pół żyletką w szalce Petriego tak, aby odsłonić przekrój poprzeczny próbki.
- Przenieś do mieszaniny Citrisolv/Micro-cut Paraffin w stosunku 1:1 na 1 h w 65°C.
- Przenieś do 100% Micro-cut Paraffin na 1 h w 65°C.
- Przenieś do 100% Micro-cut Paraffin na noc w 65°C.
- Przenieś do 100% Micro-cut Paraffin na 1–2 godziny w 65°C.
- Zatapianie
- Umieść preparat w formie odrywanej z 100% parafiną.
- Nałóż niewielką ilość wosku do dna formy i włóż dwie połowy próbki przekrojem poprzecznym do dołu.
- Nałóż górny element filtra
- Dodaj dodatkowy wosk, aby zanurzyć górną część, i pozostaw do stwardnienia przez ok. 10 minut.
- Przenieś wkłady do lodówki w 4°C, aby preparat stwardniał przez noc.
- Preparat można pociąć następnego dnia, zazwyczaj z grubością plastra 5–10 μm, używając dostępnych komercyjnie mikrotomów. Zazwyczaj forma odrywana jest montowana pionowo względem stołu mikrotomu, a do ustawienia grubości cięcia, noża i wyrównania próbki z ostrzem używa się sterowania ręcznego.
- Ekstrakcja RNA
Ekspresję genów można również ocenić ilościowo (np. za pomocą reakcji polimerazy łańcuchowej w czasie rzeczywistym (RT-PCR)). Protokół ekstrakcji RNA z hydrożeli 3D, którego przykład podano poniżej, różni się znacząco od znacznie prostszego przypadku 2D.
- Oznacz certyfikowaną probówkę Eppendorf wolną od RNazy dla każdego hydrożelu 3D i dodaj do każdej probówki 500 μL odczynnika Trizol®.
- Użyj tłuczka (homogenizatora tkanek), aby ręcznie rozetrzeć hydrożele, aż do uzyskania przejrzystego roztworu. Upewnij się, że dla każdego wariantu badania używane są oddzielne homogenizatory.
- Wymieszaj każdą probówkę Eppendorf w wortexie przez 20 sekund w celu homogenizacji próbek.
- Inkubuj próbki w temperaturze pokojowej przez pięć minut, aby umożliwić całkowitą dysocjację kompleksów nukleoproteinowych.
- Schładzaj próbki na lodzie przez 20 min.
- Dodaj 200 μL (na mL Trizolu) chloroformu do każdej próbki i wymieszaj w wortexie.
- Inkubuj próbki w temperaturze pokojowej przez pięć min.
- Wiruj próbki z prędkością 12 000 ×g w 4°C przez 15 min.
- Przenieś fazę wodną (przejrzysta górna warstwa) do nowych probówek Eppendorf (unikając regionu międzyfazowego i dolnej czerwonej fazy fenolowo-chloroformowej). RNA pozostaje w przejrzystej fazie wodnej.
- Można teraz zastosować standardowe techniki izolacji i przechowywania RNA.
- Po ekstrakcji RNA często stosuje się dostępne komercyjnie zestawy do odwrotnej transkrypcji i RT-PCR z pewnymi modyfikacjami (Elisseff et al., Strehin et al.).
Reprezentatywne wyniki:
Wyniki reprezentatywne dla wizualizacji fotowzorowanych hydrożeli oraz enkapsulacji komórek w żelach przedstawiono na Rysunkach 2-4 (zgodnie z odniesieniami w powyższych protokołach).

Rysunek 1. Przegląd procedury enkapsulacji 3D. Kroki na schemacie odpowiadają tytułom sekcji w protokołach krok po kroku.

Rysunek 2. Fotolitograficzny wzór hydrożelu otrzymanego poprzez sekwencyjną addycję typu Michaela, a następnie polimeryzację rodnikową. (A) Schemat fotolitografii częściowo sieciowanego hydrożelu z włączeniem fotoreaktywnego barwnika. Hydrożele z kwasu hialuronowego wzorowane za pomocą (B) kołowej lub (C) prążkowanej maski z folii przezroczystej. Metakrylowana rodamina (MeRho) została wbudowana tylko w obszarach żelu, które były wystawione na działanie światła. Paski skali = 100 μm.

Rysunek 3. Wizualizacja komórek w hydrożelach 3D. Komórki macierzyste wizualizowane za pomocą (a) mikroskopii świetlnej lub (b) barwienia żywych (zielony, Calcein AM) i martwych (czerwony, Ethidium homodimer-1) komórek 24 godziny po enkapsulacji w stężeniu 1 milion cells/mL w hydrożelu z kwasu hialuronowego sieciowanym poprzez mechanizm wolnorodnikowy inicjowany światłem. Paski skali = 100 μm.

Rysunek 4. Wizualizacja komórek w hydrożelach 3D. hMSC barwione na (a) żywe komórki (Calcein AM) lub (b) aktynę komórkową (rodamina falloidyna) i jądra komórkowe (DAPI) pięć dni po enkapsulacji w zagęszczeniu 1 milion cells/mL w hydrożelu z kwasu hialuronowego sieciowanym poprzez mechanizm typu Michaela (z użyciem wiszących peptydów adhezyjnych i bifunkcyjnych proteolitycznie degradowalnych peptydów sieciujących). Paski skali = 100 μm.