$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Badanie tkanek, organów lub systemów in vitro jest próbą uproszczenia bardzo skomplikowanych relacji istniejących między kilkoma podtypami komórek, które składają się na organizmy wielokomórkowe. Rzeczywiście, badania in vitro umożliwiają szczegółowe zrozumienie populacji pojedynczych komórek. Istnieją dwie główne zalety przeprowadzania eksperymentów in vitro: 1) zmniejszone interakcje komórkowe oraz 2) możliwość łatwego manipulowania środowiskiem komórkowym. W związku z tym te dwie zalety pozwoliły naukowcom przewidzieć zachowanie określonych typów komórek in vivo, co doprowadziło do zdolności do regulowania wyników wpływów zewnętrznych w całych organizmach. W tym sensie hodowla komórkowa in vitro często działa jako pomost łączący podstawowe i stosowane nauki przyrodnicze. Niemniej jednak istnieje również kilka wad pracy in vitro, z których najważniejszą jest to, że pewne zastrzeżenie może dotyczyć fizjologicznego znaczenia obserwowanych fenotypów. Rzeczywiście, gdy pojedynczy typ komórki jest hodowany w naczyniu, kultura traci, w różnym stopniu, swoje połączenia komórka-komórka z innymi typami komórek, swój wkład w środowisko humoralne z tkanki i organizmu, z którego pochodzi, oraz kotwice w tkance, które umożliwiły jej utrzymanie określonej trójwymiarowej struktury, czasami kluczowej dla funkcjonowania komórki.
Kwestia relacji komórka-komórka została rozwiązana dzięki rozwojowi technik hodowli mieszanej. W tej metodzie dwie lub więcej populacji komórek jest hodowanych razem w tym samym naczyniu hodowlanym. Jednak te mieszane kultury niosą ze sobą poważne niedogodności. Z jednej strony niektóre podtypy komórek nie oddziałują fizycznie ze sobą w tkance pochodzenia i polegają wyłącznie na komunikacji parakrynnej podtrzymywanej przez wydzielane czynniki rozpuszczalne i pobliskie receptory. Dzieje się tak w przypadku kilku procesów zapalnych, które zależą od sygnalizacji cytokin proksymalnych. W kulturach mieszanych interakcje fizyczne są nieuniknione i uniemożliwiają badanie komunikacji parakrynnej przy braku kontaktów komórka-komórka, które mogą dawać zmienione wyniki. Z drugiej strony, uzyskanie interpretacji specyficznych dla komórek w mieszanej populacji staje się niewykonalne bez zastosowania ostrych technik separacji, które mogą znacząco wpłynąć na wyniki.
Aby rozwiązać te ważne problemy, opracowano technikę pozwalającą na dzielenie kultur na przedziały i badanie sygnalizacji parakrynnej. Metoda ta polega na przeniesieniu supernatantu jednego typu komórki, nazwanego w ten sposób pożywką kondycjonowaną, do studzienek zawierających inną populację komórek. Jednak ważną wadą jest to, że krótkotrwałe cząsteczki nie przeżywają wystarczająco długo w kondycjonowanym pożywce, aby mogły zostać przeniesione do studzienek drugiej populacji komórek. Nawet długożyciowe cząsteczki z czasem ulegną znacznemu rozcieńczeniu z powodu dyfuzji. Co więcej, obie populacje komórek uczestniczą tylko w jednokierunkowej komunikacji parakrynnej, a nie w aktywnej komunikacji dwukierunkowej. Prowadzi to do braku sygnalizacji sprzężenia zwrotnego, która jest niezbędna do odtworzenia dokładnych relacji wielokomórkowych, jakie istnieją in vivo.
W konsekwencji i kierując się potrzebą lepszego symulowania pierwotnych warunków in vivo w środowisku komórkowym in vitro, na przestrzeni lat osiągnięto kilka postępów w technikach hodowli komórkowych. Jednym z najbardziej znaczących osiągnięć było zastosowanie przepuszczalnych nośników z mikroporowatymi membranami do podziału kultur komórkowych, zastosowanych po raz pierwszy przez Grobsteina w 1953roku1. Takie przepuszczalne podpory zostały na przestrzeni lat dostosowane do wielu typów komórek i mogą być używane w kilku różnych zastosowaniach. Obecnie podpory te istnieją jako puste wkładki, które są zaprojektowane tak, aby spoczywały w studzienkach z wielodołkowej płytki do hodowli tkankowej lub w okrągłych naczyniach. W systemie kohodowli wkładka zawiera jeden typ komórek, podczas gdy studzienka lub szalka zawiera drugą populację komórkową, co pozwala na zbadanie wpływu dwóch różnych populacji komórek na ich środowisko humoralne (ryc. 1). W rezultacie zachowana jest polaryzacja komórkowa (wydzielanie podstawno-boczne i wierzchołkowe lub odbiór sygnału), co daje systemom kohodowli indukcyjnej ważną przewagę nad kulturami mieszanymi i technikami kondycjonowanych pożywek. Dostępnych jest kilka rodzajów materiałów membranowych, z których najpopularniejsze to poliester (PET), poliwęglan (PC) lub politetrafluoroetylen pokryty kolagenem (PTFE) i występują one w różnych rozmiarach porów od 0,4 μm do 12,0 μm. Te różnorodność materiałów i rozmiarów porów oferuje spektrum wkładek o zmiennych cechach związanych z właściwościami optycznymi, grubością membrany i przyleganiem komórek, co czyni je praktycznymi na różnych poziomach w następujących zastosowaniach, między innymi:
-badanie różnicowania komórek, rozwoju embrionalnego, przerzutów nowotworowych i gojenia się ran za pomocą testów chemotaktycznych przez przepuszczalne błony;
-ocena przenikania leków poprzez ocenę ich transportu przez monowarstwy nabłonkowe lub śródbłonkowe hodowane na przepuszczalnych nośnikach, i;
-wykonywanie kokultur komórkowych w celu analizy modulacji zachowania komórek indukowanych przez wydzielane czynniki rozpuszczalne przy braku kontaktu komórka-komórka.
Celem tego artykułu jest opisanie ogólnych wytycznych metodologicznych do spełnienia trzeciej funkcji opisanej powyżej, czyli oceny zmian komórkowych, w których pośredniczą wydzielane czynniki rozpuszczalne przy braku kontaktu komórka-komórka przy użyciu systemu kohodowli insertowej. W kilku różnych dziedzinach badań wykorzystuje się systemy kohodowli inkubacyjnych w celu uzyskania odpowiedzi na pytania dotyczące wpływu wydzielanych czynników rozpuszczalnych na populacje komórek. Rzeczywiście, sygnalizacja parakrynna, która moduluje zachowanie komórkowe na różnych poziomach, jest istotna we wszystkich tkankach i układach, co sprawia, że systemy kohodowli indukcyjnej są niezbędne do zapewnienia postępów w tych dziedzinach. I odwrotnie, zastosowanie wkładek może potwierdzić, że transdukcja sygnału odbywa się przez bezpośredni kontakt komórka-komórka, a nie przez wydzielane czynniki. Jednym z najważniejszych zastosowań insertów są badania stanu zapalnego2-14, w których ocenia się wpływ wydzielanych cytokin na różne komórkowe czynniki odporności. W szczególności badania nad stanem zapalnym w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) przyniosły ogromne korzyści z badań nad współhodowlą inkubacyjną, które pozwoliły lepiej zdefiniować odrębne role parakrynne neuronów i mikrogleju w napędzaniu zapalenia układu nerwowego15-21. Systemy te zostały również opracowane w celu zbadania potencjału przeciwzapalnego cząsteczek, który opiera się na ich zdolności do zmniejszania lub hamowania wydzielania czynników prozapalnych22-26. Badania dotyczące nowotworów27-31, w szczególności mechanizmy leżące u podstaw angiogenezy32-34 i stanu zapalnego35-42 w nowotworzenia, również korzystają z systemów kohodowli inkubowanych. Co więcej, czynniki rozpuszczalne mają pierwszorzędne znaczenie w procesach, które napędzają różnicowanie, a w kilku badaniach wykorzystano wstawki, aby odpowiedzieć na pytania w tej konkretnej dziedzinie43-50. W OUN, ponieważ tkanka nerwowa ma bardzo ograniczony potencjał odnawiania, badanie neurotrofizmu i neuroprotekcji ma fundamentalne znaczenie i zostało szeroko zapewnione dzięki zastosowaniu komórek macierzystych w systemach kohodowli51-56. Ponadto wstawki są również wykorzystywane w tak różnych dziedzinach, jak nefrologia57,58, interakcje śródbłonka i angiogeneza59-62, sygnalizacja apoptozy63-65, zapalenie w otyłości i zespole metabolicznym22,23,66-67, ochrona komórek rzęsatych ucha wewnętrznego68,69, a nawet w zjadliwości grzybów70,71 i parazytologia72,73.
Ten artykuł oferuje ogólne wytyczne metodologiczne w celu przeprowadzenia eksperymentu w celu oceny zmian komórkowych, w których pośredniczą wydzielane rozpuszczalne czynniki za pomocą systemu kohodowli insertowej. W szczególności skupimy naszą uwagę na kokulturach komórek nerwowych i ich zastosowaniach w badaniu procesu neurozapalnego. Biorąc pod uwagę bardzo szerokie spektrum eksperymentów, które umożliwiają pilotowanie za pomocą wstawek, nie do zniesienia jest objęcie każdego aspektu tej techniki hodowli komórkowej. Na przykład szczegółowo oceniony zostanie konkretny protokół pomiaru wpływu cytokin wydzielanych przez mikroglej N9 aktywowany lipopolisacharydem (LPS) na neuronalne komórki PC12, oferując konkretne zrozumienie metodologii kohodowli insercyjnej.