Trójwymiarowy system hodowli ludzkich chondrocytów stawowych w płynie stawowym
W niniejszej pracy enkapsulowano ludzkie chondrocyty stawowe w kule alginianowe, stosując zmodyfikowany protokół enkapsulacji sugerowany przez producenta (Lonza, oraz 31). Wykorzystując te konstrukty 3D, opracowaliśmy system hodowli komórek w pożywce zawierającej różne stężenia ludzkiego płynu stawowego i oceniliśmy ekspresję genów chrząstki w tych konstruktach 3D.
1. Przygotowanie ludzkich chondrocytów stawowych (HAC) do enkapsulacji trójwymiarowej (3D)
- Rozmrozić fiolkę (1 ml) ludzkich chondrocytów stawowych (HAC) (Lonza) (pasaż 2) w kąpieli wodnej o temperaturze 37°C przez 1 min.
- Wymieszać z 1 ml pożywki do wzrostu chondrocytów (Lonza) i wirować przy 3000 rpm przez 3-5 min w celu zebrania komórek. Odrzucić nadsącz.
- Resuspendować pellet komórkowy w pożywce do wzrostu chondrocytów (Lonza).
- Przesiać komórki do 10 cm płytki do hodowli tkanek (BD Biosciences) i hodować w pożywce do wzrostu chondrocytów (Lonza) aż do uzyskania konfluencji. HAC powinny być wykorzystywane w pasażu nie wyższym niż 3 lub 4 (P3 lub P4).
- Przemyć HAC na płytce za pomocą 155 mM NaCl zamiast standardowego PBS, a następnie przeprowadzić trypsynizację w celu zebrania komórek do enkapsulacji w kuleczkach alginianowych. Po odczepieniu komórek wirować je przy 3000 rpm przez 5 min. Komórki są teraz gotowe do enkapsulacji 3D.
2. Enkapsulacja HAC w koralikach 3D
Resuspender HAC w 1,2% roztworze alginianu (Sigma) przy gęstości 8x105cells/ml. Liczbę komórek określono przed enkapsulacją, korzystając ze standardowego licznika komórek. Bardzo ważne jest dokładne wymieszanie, aby zapewnić równomierny rozkład komórek w kuleczkach.
- Przenieś mieszaninę roztworu HAC/alginianu pipetą do strzykawki o pojemności 12 ml z dołączoną igłą o rozmiarze 22G (Tyco healthcare, Inc.).
- W międzyczasie przygotuj zlewkę o pojemności 50 mL z 102 mM CaCl2 w objętości 5-krotnie większej niż objętość roztworu HAC/alginianu. Umieść w zlewce mieszadło magnetyczne i powoli mieszaj roztwór 102 mM CaCl2 (z prędkością około 150 rpm).
- Trzymając końcówkę strzykawki na wysokości około 6 cali nad powierzchnią roztworu CaCl2, dodawaj mieszaninę HAC/alginianu do roztworu CaCl2 kroplami. Zazwyczaj otrzymane kule alginianowe mają średnicę 2 mm, a gęstość enkapsulacji wynosi około 104 komórek/kula. Uwaga: Wysokość strzykawki nad roztworem CaCl2 jest istotna. Krótsza odległość spowoduje powstanie kulek w kształcie łzy zamiast sferycznych, co doprowadzi do nierównomiernej integralności mechanicznej i enkapsulacji komórek.
- Pozostaw kulki do mieszania w roztworze CaCl2 przez 20-25 min. Choć inne protokoły enkapsulacji w alginianie wskazują znacznie krótszy czas inkubacji wynoszący 10 min, stwierdzono, że dłuższy czas inkubacji w roztworze CaCl2 poprawia integralność kulek.
- Usuń roztwór CaCl2, przemyj kulki 2-3 razy w 2-3 objętościach NaCl, a następnie raz w medium do różnicowania chondrocytów (Lonza). Podczas gdy inne protokoły enkapsulacji w kule alginianowe obejmują użycie filtra do powyższych procedur płukania, zaobserwowano, że kulki alginianowe często zaplątują się w filtrze i wysychają, co zmniejsza wydajność enkapsulacji. Najbardziej efektywnym rozwiązaniem okazało się pozwolenie kulkom na opadnięcie na dno zlewki przed wylaniem roztworu.
- Używając standardowej szpatułki, przenieś kulki do naczyń hodowlanych. Zazwyczaj hoduje się 12 kulek na studzienkę 3 cm przez 2 dni w medium wzrostowym dla chondrocytów, aby umożliwić chondrocytom adaptację do procesu enkapsulacji w medium, w którym były hodowane, przed przejściem na medium do różnicowania chondrocytów (Lonza) z płynem stawowym.
3. Hodowla chondrocytów w pożywce do hodowli w płynie stawowym
- Świeży płyn stawowy można pozyskać z poradni ambulatoryjnej (pozyskano go z Tufts Medical Center). Płyn stawowy można transportować do laboratorium w probówkach Falcon o pojemności 15 ml, a następnie niezwłocznie odwirować przy 3000 rpm przez 15min w celu usunięcia szczątków komórkowych. Płyn stawowy pozbawiony komórek należy rozdzielić do probówek do mikrocentryfugi o pojemności 1,5 mL, aby uniknąć wielokrotnego zamrażania i rozmrażania. Nadlodówkę można przechowywać w temperaturze -80°C do momentu użycia.
- Przed hodowlą zmieszać płyn stawowy z pożywką do różnicowania chondrocytów (CDM, Lonza) w różnych stosunkach objętościowych, przy stałym stężeniu 100mM kwasu askorbinowego i 9 mM CaCl2 (ta śladowa ilość CaCl2 ma na celu zapewnienie integralności kulek alginianowych).
- Płytkę należy umieścić na platformie kołyszącej w inkubatorze w temperaturze 37°C (częstotliwość kołysania: ok. 75 razy/min), aby wspomóc dystrybucję składników odżywczych wewnątrz kulek alginianowych oraz ograniczyć ich zlepianie się. Jest to szczególnie istotne, ponieważ hodujemy te chondrocyty przez przedłużony czas (do 4 tygodni). Uwaga: Choć pożywki do wzrostu i różnicowania chondrocytów (Lonza) zawierają dwa powszechnie stosowane antybiotyki – gentamycynę i amfoterycynę – nie dodawaliśmy żadnych antybiotyków podczas stosowania różnych stężeń płynu stawowego w hodowli chondrocytów. Nie zaobserwowano żadnych zanieczyszczeń.
- Wymieniać mieszaniny pożywek co 2-3 dni. Lepkość płynu stawowego stanowiła główną przeszkodę w hodowli chondrocytów enkapsulowanych w kulkach alginianowych podczas długoterminowych kultur. Stwierdzono, że najskuteczniejszą metodą jest rozcieńczanie pożywki z dodatkiem płynu stawowego za pomocą 102mM CaCl2 (50% V/V), co dodatkowo wzmacnia integralność kulek alginianowych. W ten sposób pożywkę można powoli usunąć pipetą, nie uszkadzając kulek.
4. Odzyskiwanie HAC w kuleczkach alginianowych do analizy ekspresji genów
Należy zachować szczególną ostrożność podczas odzyskiwania HAC z kulek alginianowych do analizy ekspresji genów.
- Przemyć kule alginianowe 3 razy w 102 mM CaCl2, po około 5 min każdego razie.
- Odzyskać chondrocyty, dodając 55 mM NaCitrate w objętości 4-5 razy większej niż objętość kulek. Ważne jest, aby kule alginianowe były całkowicie zanurzone w roztworze NaCitrate. Wstrząsać lub inkubować na wytrząsarce przez 20-30 min.
- Odwirować komórki i odlać nadsącz.
- Do analizy RT-PCR resuspender pellet komórkowy w buforze do lizy komórek (Qiagen RNA isolation kit), a następnie przystąpić do oczyszczania RNA.
5. Fixowanie HAC w kuleczkach alginianowych do analizy histologicznej
Należy zachować szczególną ostrożność podczas odzyskiwania HAC z kulek 3D do analizy histologicznej.
- Przemyć kuleczki alginianowe 3 razy w 102 mM CaCl2, po około 5 min za każdym razem. Aby całkowicie usunąć lepki płyn stawowy, najskuteczniejszą metodą okazało się płukanie w pożywce do różnicowania chondrocytów (Lonza) przez noc, w inkubatorze z kołysaniem w temperaturze 37°C (częstotliwość kołysania: około 75 razy/min). Zastosowano pożywkę do wzrostu chondrocytów, aby zapewnić ich przeżycie podczas tego przedłużonego płukania oraz umożliwić maksymalne przenikanie utrwalacza.
- Utrwalić kuleczki w 70% etanolu przez noc, a następnie przystąpić do analizy histologicznej. Aby przeprowadzić barwienie Dapi, inkubować kuleczki alginianowe z roztworem Dapi (500ng/ml) przez 1h przy delikatnym kołysaniu, a następnie przemyć 3 razy w 102mM CaCl2 po 15 min za każdym razem. Obrazy Dapi można następnie oglądać pod mikroskopem fluorescencyjnym. Kuleczki można również poddać sekcjowaniu w celu barwienia błękitem alcianowym oraz H&E.
6. Reprezentatywne wyniki
Nasza metoda hodowli 3D chondrocytów ludzkich w wysokich stężeniach płynu stawowego została przedstawiona na schemacie widocznym na Rys. 1. Po enkapsulacji chondrocytów ludzkich w kulek alginianowych, pozwolono im rosnąć w pożywce uzupełnionej o różne proporcje płynu stawowego. Ze względu na lepkość płynu stawowego, niezbędne jest hodowanie chondrocytów w warunkach ciągłego kołysania, aby zapobiec zlepianiu się konstruktów chrzęstnych i zapewnić równomierny rozkład składników odżywczych. Niezbędne jest również dokładne przemycie kulek alginianowych przed odzyskaniem chondrocytów, aby bufor utrwalający lub lizujący mógł przeniknąć do wnętrza kulek (Rys. 1). Zdjęcia chondrocytów w kulkach alginianowych wykonane w jasnym polu (BF) przedstawiono na Rys. 2. Wykonano barwienie Dapi, aby potwierdzić jednolity rozkład komórek wewnątrz kulek (Rys. 2). Po zakończeniu 21-dniowego okresu hodowli przeprowadzono analizę ekspresji genów za pomocą qRT-PCR. Gen referencyjny GAPDH został wykorzystany do normalizacji wszystkich reakcji PCR, ponieważ określono go jako jeden z najwiarygodniejszych genów referencyjnych dla analiz qPCR w chondrocytach 32. Przykład przedstawiono na Rys. 3, gdzie przeanalizowano wyniki uzyskane z ludzkich chondrocytów stawowych hodowanych w płynie stawowym zebranym od sześciu pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów. Zgodnie z faktem, że chondrocyty z firmy Lonza były namnażane w hodowlach 2D, co nieuchronnie prowadzi do dedyferencjacji 33, stwierdzono, że chondrocyty w dniu 0 wykazywały minimalne poziomy ekspresji genów macierzy chrzęstnej (Rys. 3). Hodowla 3D chondrocytów w pożywce do różnicowania chondrocytów (Lonza) lub w pożywce uzupełnionej płynem stawowym znacząco zwiększyła ekspresję genów chrzęstnych kolagenu, agrekanu i MMP13, co wskazuje na redyferencjację chondrocytów do 21. dnia (Rys. 3) 34. Zwiększanie procentowej zawartości płynu stawowego w pożywkach doprowadziło do uzyskania porównywalnych poziomów ekspresji mRNA markerów macierzy chrzęstnej: kolagenu II i agrekanu (Rys. 3A i 3B). Co więcej, chondrocyty hodowane w 100% płynie stawowym wykazały nawet spadek ekspresji mRNA MMP13, enzymu degradującego chrząstkę, w porównaniu do komórek hodowanych w samej pożywce (Rys. 3C). Co ciekawe, poziom ekspresji wskaźnika śmierci komórkowej kaspazy 3 stopniowo malał wraz ze wzrostem proporcji płynu stawowego, co sugeruje, że hodowla w płynie stawowym doprowadziła do obniżenia poziomu apoptozy (Rys. 3D). Zatem nasze wyniki wykazują, że hodowanie ludzkich chondrocytów stawowych w wysokich stężeniach płynu stawowego w układzie 3D jest technologią wykonalną.
Tabele i rysunki

Rysunek 1. Schemat metody hodowli ludzkich chondrocytów stawowych w wysokim stężeniu płynu stawowego w 3D alginianowych kuletkach. Najpierw miesza się chondrocyty z roztworem alginianu. Po nakraplaniu do roztworu CaCl2 chondrocyty zostają unieruchomione wewnątrz sieciowanych kuletek hydrożelu alginianu wapnia. Te konstrukty 3D są następnie hodowane w medium do różnicowania chondrocytów (Lonza) z różnymi proporcjami ludzkiego płynu stawowego. Po 21 dniach hodowli w warunkach kołysania kuletki alginianowe zawierające komórki są dokładnie płukane, po czym komórki są odzyskiwane do analizy ekspresji genów.

Rysunek 2. Obrazy w jasnym polu (BF) i barwione DAPI hodowle enkapsulowanych ludzkich chondrocytów stawowych z 0%, 30%, 50%, 70% i 100% płynu stawowego. Chondrocyty miały kształt sferyczny we wszystkich warunkach hodowli. Obrazy z jasnego pola (BF) oraz barwienia DAPI zostały nałożone na siebie w celu potwierdzenia lokalizacji i rozkładu chondrocytów. Wstawki przedstawiają powiększone obrazy. Groty strzałek wskazują kolokalizację chondrocytów na obrazach BF i barwienia DAPI.

Rysunek 3. Analiza qRT-PCR enkapsulowanych ludzkich chondrocytów stawowych w dniu 0 (D0) oraz po 21 dniach hodowli (D21) w medium uzupełnionym różnymi proporcjami płynu stawowego (SF) (0%, 30%, 50%, 70% i 100%). Przedstawiono wyniki z czterech niezależnych próbek. GAPDH służył jako wewnętrzna referencja dla wszystkich reakcji PCR. A. Ekspresja mRNA kolagenu II. B. Ekspresja mRNA agrekanu. C. Ekspresja mRNA MMP13. D. Ekspresja mRNA kaspazy 3. Istotność statystyczną dla próbek z dnia 0 oraz próbek z dnia 21 hodowlanych w 0% i 100% płynu stawowego (SF) oceniono za pomocą oprogramowania INSTAT. * oznacza P<0.05.