1. Izolowanie mezenchymalnych komórek macierzystych pochodzenia tłuszczowego (ASC)
Uwaga: Wszystkie procedury były wykonywane w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
- Wyizolować tkankę tłuszczową okołonerkową i nadjądrzową szczura, a następnie przemyć ją sterylnym buforem Hanksa (HBSS) zawierającym 1% płodowej surowicy bydlęcej (FBS), zgodnie z wcześniej opisaną procedurą6.
- Rozdrobić tkankę, przenieść 1-2 g do probówki o pojemności 50 mL zawierającej 25 mL HBSS z 1% FBS i odwirować przy 500 g przez 8 min w temperaturze pokojowej.
- Zebrać wolno pływającą warstwę tkanki tłuszczowej, przenieść ją do kolby Erlenmeyera o pojemności 125 mL i inkubować z 25 mL kolagenazy typu II (200 U/mL) w HBSS przez 45 min w 37 °C na wytrząsarce orbitalnej (125 rpm).
- Ostrożnie usunąć frakcję ciekłą (znajdującą się poniżej warstwy tłuszczu i tkanki tłuszczowej) i przefiltrować sekwencyjnie przez nylonowe filtry o oczkach 100-μm i 70-μm. Odwirować filtrat przy 500 g przez 10 min w temperaturze pokojowej, odessać supernatant i dwukrotnie przemyć osad 25 mL HBSS.
- Resuspendować osad komórkowy w 50 mL pożywki wzrostowej (MesenPRO RS Basal Medium) uzupełnionej o MesenPRO RS Growth Supplement, antybiotyk-antymykotyk (100 U/mL penicyliny G, 100 μg/mL siarczanu streptomycyny oraz 0,25 μg/mL amfoterycyny B) oraz 2 mM L-glutaminy, a następnie przenieść komórki pipetą do 2 kolb T75 (25 mL/kolba).
- Hodować ASC w inkubatorze z 5% CO2 w warunkach wilgotnych w temperaturze 37 °C (do wszystkich eksperymentów wykorzystuje się ASC z pasażu 2-4).
2. Przygotowanie mikrośfer chitosanowych (CSM)
Uwaga: Wszystkie procedury przeprowadzono w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
- CSM są przygotowywane za pomocą procesu emulgowania woda-w-oleju wraz z techniką koacervacji jonowej zgodnie z naszym poprzednim protokołem6. Emulgować roztwór wodny chitosanu (6 mL 3%w/v chitosanu w 0,5 M kwasie octowym) w 100 mL mieszaniny fazy olejowej składającej się z oleju sojowego, n-oktanolu (1:2 v/v) i 5% emulgatora sorbitanu monooleinianu (span 80), stosując jednocześnie mieszanie mechaniczne (1700 rpm) i magnetyczne (1000 rpm) w przeciwnych kierunkach. Ta podwójna metoda mieszania zapewnia, że micelle utworzone na wczesnym etapie, przed zajściem sieciowania, pozostają w roztworze i nie osiadają na dnie. Ponadto magnetyczny mieszadło pomaga w deagregacji chitosanu podczas tworzenia i utwardzania micelli.
- Mieszaninę mieszać w sposób ciągły przez około 1 godzinę, aż do uzyskania stabilnej emulsji woda-w-oleju. Sieciowanie jonowe inicjuje się poprzez dodawanie 1,5 mL 1% w/v wodorotlenku potasu w n-oktanolu co 15 min przez 4 h (łącznie 24 mL).
- Po zakończeniu reakcji sieciowania powoli zdekantować fazę olejową z mieszaniny zawierającej CSM i natychmiast przenieść sfery do 100 mL acetonu. Przemywać sfery acetonem do całkowitego usunięcia fazy olejowej.
- Wysuszyć odzyskane sfery w desykanatorze próżniowym i poddać analizie bez dalszego przetwarzania. Średnią wielkość cząstek CSM, powierzchnię właściwą na miligram oraz jednostkową objętość sześcianu określono za pomocą analizatora wielkości cząstek.
- Do dalszych eksperymentów przemyć CSM trzykrotnie sterylną wodą w celu usunięcia pozostałości soli i wysterylizować alkoholem absolutnym.
3. Wyznaczanie liczby wolnych grup aminowych w CSM
Uwaga: Wszystkie procedury przeprowadzono w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
- Wyznaczyć liczbę wolnych grup aminowych obecnych w CSM po sieciowaniu jonowym, stosując analizę kwasem trinitrobenzenosulfonowym (TNBS) według metody Bubinsa i Ofnera7. Inkubować 5 mg mikrosfer z 1 mL 0,5% roztworu TNBS w probówce szklanej o pojemności 50 mL przez 4 h w temperaturze 40 °C, a następnie przeprowadzić hydrolizę po dodaniu 3 mL 6N HCl w temperaturze 60 °C przez 2 h.
- Ostudzić próbki do temperatury pokojowej i wyekstrahować wolny TNBS, dodając 5 mL wody dejonizowanej oraz 10 mL eteru etylowego.
- Podgrzewać 5 mL alikwot fazy wodnej do 40 °C w kąpieli wodnej przez 15 min w celu odparowania pozostałości eteru, ostudzić do temperatury pokojowej i rozcieńczyć 15 mL wody.
- Zmierzyć absorbancję przy 345 nm za pomocą spektrofotometru, używając roztworu TNBS bez chitozanu jako próbki ślepej oraz chitozanu użytego do przygotowania CSM w celu wyznaczenia całkowitej liczby grup aminowych. Oszacować liczbę wolnych grup aminowych w CSM w stosunku do chitozanu.
4. Ładowanie ASC do CSM
Uwaga: Wszystkie procedury przeprowadzano w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
- Równoważyć 5 mg sterylizowanej macierzy zewnątrzkomórkowej (CSM) z sekcji 2.5 w sterylnym roztworze HBSS przez noc, a następnie przenieść do wkładki do płytki hodowlanej z membraną o rozmiarze porów 8 μm (płytka 24-dołkowa).
- Po osadzeniu się CSM na membranie, ostrożnie odessać HBSS i dodać 300 μL pożywki wzrostowej do wnętrza wkładki oraz 700 μL pożywki wzrostowej na zewnątrz wkładki.
- Resuspender ASC w odpowiednim stężeniu (1 x 104 do 4 x 104) w 200 μL pożywki wzrostowej i zasiać nad CSM wewnątrz wkładki do płytki hodowlanej. Końcowa objętość pożywki we wkładce hodowlanej po zasiewie wynosi 500 μL.
- Inkubować ASC zasiane na CSM przez 24 h w inkubatorze z nawilżaniem, przy 5% CO2 w temperaturze 37 °C.
5. Wyznaczanie procentowego stopnia załadowania ASC oraz żywotności komórek w CSM
Uwaga: Wszystkie procedury przeprowadzono w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
- Po inkubacji zebrać CSM obciążone ASC do sterylnej probówki do mikrocentryfugi o pojemności 1,5 ml, nie naruszając komórek, które migrowały do membrany wkładu.
- Usunąć pozostałą pożywkę i dodać do probówki 250 μL świeżej pożywki wzrostowej.
- Do każdej probówki dodać 25 μL roztworu MTT [bromek 3-(4,5-dimetylotiazol-2-ylo)-2,5-difenylotetrazoliumu] (5 mg/mL) i inkubować przez 4 h w inkubatorze z wilgotnym powietrzem, przy 37 °C i 5% CO2.
- Po inkubacji usunąć pożywkę, dodać 250 μL dimetylosulfoksydu i mieszać mieszaninę na wirówce typu vortex przez 2-5 min w celu rozpuszczenia kompleksu formazanu.
- Odwirować CSM przy 2700 x g przez 5 min, a następnie zmierzyć absorbancję supernatantu przy 570 nm, przyjmując 630 nm jako referencję.
- Wyznaczyć liczbę komórek związanych z CSM w odniesieniu do wartości absorbancji uzyskanej dla znanych liczb żywych ASC.
6. Charakterystyka żelu kolagenowego z zatopionymi ASC-CSM
Uwaga: Wszystkie procedury były wykonywane w temperaturze pokojowej, chyba że zaznaczono inaczej.
- Wymieszać CSM załadowany komórkami ASC (5 mg zawierające ≈ 2 x 104 komórek) z kolagenem typu 1 (7,5 mg/mL) wyekstrahowanym z ścięgna ogona szczura zgodnie z metodą Bornsteina8 i przeprowadzić fibrylację po dostosowaniu pH do 6,8 przy użyciu 2 N NaOH.
- Przenieść zfibrylowaną mieszaninę kolagen-ASC-CSM do płytki 12-dołkowej i inkubować przez 30 min w inkubatorze z wilgotnym powietrzem, w atmosferze 5% CO2 w temperaturze 37 °C.
- Po całkowitej fibrylacji inkubować żele kolagen-ASC-CSM do 14 dni w inkubatorze z wilgotnym powietrzem, w atmosferze 5% CO2 w temperaturze 37 °C.
- Uwolnienie i migrację komórek z CSM do żelu obserwowano przy użyciu standardowych technik mikroskopowych.
7. Reprezentatywne wyniki
W niniejszym badaniu opracowaliśmy strategię in vitro dostarczania komórek macierzystych z mikrosfer chitosanowych (CSM) do rusztowania z żelu kolagenowego. Przygotowano porowate CSM o jednolitym rozmiarze (średnica 175-225 μm) i składzie, które wykorzystano jako nośniki komórek (Rycina 2). Po inkubacji ASC z CSM, komórki przyczepiły się w stężeniu 2 x 104 komórek/5mg CSM. Komórki wykazywały zdolność do rozprzestrzeniania się na powierzchni mikrosfer, jednocześnie wprowadzając filopodia w porowate szczeliny mikrosfery (Rycina 3). Po zmieszaniu CSM obciążonych komórkami z żelem kolagenowym, komórki natychmiast zaczęły migrować do wnętrza żeli (Rycina 4).

Tabela 1. Zalety biologiczne stosowania chitosanu i kolagenu w systemie dostarczania komórek macierzystych.

Rysunek 1. Schemat przedstawiający ogólną strategię podwójnego zastosowania rusztowań kolagenowych obciążonych ASC-CSM. Rysunki 2, 3 i 4 są zaznaczone na schemacie, aby pomóc w interpretacji obrazów.

Rysunek 2. Schematyczna reprezentacja procesu wysiewania komórek macierzystych na mikro sfery chitozanowe. Proces obejmuje współhodowlę ASC z CSM w insercie do płytek hodowlanych z membraną o rozmiarze porów 8- μm. Po 24 godzinach mikrosfery są usuwane z insertu i są gotowe do osadzenia w macierzy biomateriału.

Rycina 3. Charakterystyka morfologiczna CSM obciążonych ASC. Panel A przedstawia mikrofotografię ASC-obciążonego CSM, natomiast panel B pokazuje to samo pole widzenia z nałożonym obrazem uzyskanym za pomocą konfokalnej mikroskopii fluorescencyjnej. ASC zostały uprzednio obciążone kalceiną AM (kolor zielony). Panel C przedstawia obraz z SEM nieobciążonej mikrosfery, natomiast panel D pokazuje komórki załadowane na mikrosferę (gwiazdki). Obraz TEM w panelu E przedstawia przekrój poprzeczny nieobciążonej mikrosfery. W całej mikrosferze znajduje się wiele porów i szczelin. Panel F przedstawia przekrój poprzeczny mikrosfery z przytwierdzonymi komórkami (strzałki), które wprowadzają filopodia do szczelin. Powiększenia oryginalne: A & B= 70x; C= 500x, D= 2000x; E&F= 2 500x.

Rysunek 4. Migracja ASC z CSM do trójwymiarowego rusztowania kolagenowego. Panele A i B przedstawiają CSM z komórkami migrującymi od mikrosfery do macierzy kolagenowej w 3 dniu (A, strzałki). Panel B pokazuje podobną hodowlę po 12 dniach. Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) przedstawiono w panelach C, D i E. Gwiazdki w panelach C i D wskazują przekrój mikrosfery z komórkami migrującymi od mikrosfery (strzałki). Powiększenie fragmentu panelu D przedstawiono w panelu E, gdzie widoczne są filopodia komórkowe przyczepione do włókien kolagenowych (wstawka). Powiększenie oryginalne: A&B = 100x; C&D = 6,000x; E = 20,000x, wstawka = 150,000x.

Rycina 5. Schemat przedstawiający szerokie zastosowania CSM w medycynie regeneracyjnej i dostarczaniu leków.