Todos os procedimentos envolvendo modelos animais foram revisados pelo comitê institucional local de cuidados com animais e pelo conselho de revisão veterinária do JoVE.
1. Desenvolvimento do Hidrogel de Agarose (Componente Acelular de redes neurais de engenharia de microtecidos (micro-TENNs)))Preparação
da
- solução de agarose
- Dentro de um gabinete de biossegurança, prepare reservatórios para as micro-colunas transferindo 20 mL de solução salina tamponada com fosfato de Dulbecco (DPBS) para cada uma das duas placas de Petri de 10 cm. Esterilize pinças finas e microbisturis com um esterilizador de esferas quentes.
- Pesar 3 g de agarose e transferi-los para um copo estéril dentro da cabine de biossegurança. Adicione 100 mL de DPBS para uma concentração final de 3% peso/volume (p/v). Inclua uma barra magnética limpa e cubra o copo com papel alumínio.
- Com uma placa quente/agitador, aquecer o copo a 100 °C e agitar a 120-200 rpm para dissolver completamente a agarose (a solução passará de turva para límpida). Mantenha o aquecimento e a agitação depois para evitar a gelificação e altere a temperatura de aquecimento conforme necessário para evitar a queima da agarose.
NOTA: A fabricação com o dispositivo de corte a laser e os tubos capilares é apresentada abaixo nas subseções 1.2 e 1.3, respectivamente. Prossiga para a subseção 1.4 depois de concluir as etapas descritas em qualquer subseção. Para ambos os métodos de fabricação de microcolunas, adicione a agarose líquida rapidamente, pois a agarose solidifica rapidamente à medida que esfria. Ao esterilizar com uma autoclave em qualquer uma das etapas a seguir, use as condições padrão aplicadas aos artigos de vidro.
- Preparação de microcoluna usando um dispositivo de corte a laser
NOTA: O dispositivo de corte a laser é cortado de acrílico transparente usando um cortador a laser CO2 comercial. A fabricação de estruturas e dispositivos por meio de corte a laser está bem documentada para uma variedade de aplicações de engenharia e pesquisa. Este molde (Figura 1) consiste em uma matriz de cinco canais cilíndricos, cada um com um diâmetro de 398 μm e um comprimento de 6,35 mm. Essas matrizes cilíndricas são formadas ao longo de seu comprimento por duas peças: uma metade inferior (comprimento: 25,4 mm, largura: 6,35 mm, altura: 6,0 mm) e uma metade superior (comprimento: 31,5 mm, largura: 6,35 mm, altura: 12,7 mm), conforme mostrado nas Figuras 1A e 1B, respectivamente. As duas metades podem ser presas juntas pelas tampas anterior e posterior observadas na Figura 1C (comprimento: 31,5 mm, largura: 6,35 mm, altura: 12,7 mm), que apresentam quatro orifícios de alinhamento que coincidem com dois orifícios cada nas peças superior e inferior e que ajudam a prender todas as peças juntas quando aparafusadas. Essas tampas também incluem cinco orifícios, concêntricos aos canais cilíndricos, nos quais as agulhas de acupuntura podem ser inseridas para formar o lúmen das microcolunas. - Esterilize o dispositivo mostrado na Figura 1 cobrindo-o com papel alumínio e autoclavando. Monte o dispositivo conforme mostrado na Figura 1D alinhando as tampas anterior e posterior apenas com a metade inferior e prendendo as três partes com dois parafusos e porcas #4-40 (diâmetro da rosca: 3.05 mm) nos orifícios de alinhamento inferior.
- Introduza totalmente uma agulha de acupuntura (diâmetro: 180 μm, comprimento: 30 mm) nos orifícios da agulha na tampa anterior ou posterior do dispositivo (Figura 1D). Com uma micropipeta, despeje agarose líquida suficiente (~ 1 mL para os cinco canais) na metade inferior para preencher completamente cada uma das metades do canal cilíndrico.
- Coloque imediatamente a metade superior do dispositivo sobre a metade inferior e aplique pressão até que esteja firmemente no lugar para completar os canais cilíndricos (o atrito entre as tampas e a parte superior manterá a última no lugar). Aguarde ~5 min em temperatura ambiente após a adição de agarose para permitir sua gelificação dentro dos canais do dispositivo.
- Extraia manualmente a agulha de cada um dos orifícios nas tampas do dispositivo. Remova os parafusos e separe manualmente as duas tampas e a metade superior da metade inferior, onde esta segurará as microcolunas de hidrogel.
- Use uma pinça fina para remover suavemente as microcolunas dos canais na metade inferior e coloque-as na placa de Petri previamente preparada contendo DPBS (etapa 1.1.1). Reutilize o dispositivo para outra rodada de fabricação de microcolunas. Prossiga para a subseção 1.4.
- Fabricação de microcolunas usando tubos capilares
- Transfira tubos capilares de vidro (diâmetro: 398,78 μm, comprimento: 32 mm) para o interior do gabinete de biossegurança. Quebre manualmente os tubos longos em fragmentos de 2,0 a 2,5 cm e insira totalmente uma agulha de acupuntura (diâmetro: 180 μm, comprimento: 30 mm) em cada fragmento (Figura 2A).
- Transferir 1 ml de agarose líquida do copo para a superfície de uma placa de Petri vazia. Segurando o tubo capilar e a agulha introduzida, coloque uma extremidade do tubo em contato com a piscina de agarose líquida para preenchê-la por ação capilar. Agite o tubo para promover a elevação capilar.
NOTA: Encha os tubos capilares com agarose líquida até que a ação capilar permitir; Posteriormente, essas microcolunas podem ser cortadas em construções menores, dependendo do comprimento desejado. A piscina de agarose de 1 mL é normalmente usada para apenas um tubo, pois a agarose esfria e gelifica rapidamente, evitando mais ação capilar. - Quando o líquido parar de subir, remova o tubo capilar da piscina e coloque-o horizontalmente na superfície de uma placa de Petri. Aguarde 5 minutos para que o gel de agarose assente dentro dos tubos.
- Posicione o polegar e o indicador em ambos os lados do tubo e pressione contra ele. Use a outra mão para puxar rapidamente a agulha enquanto usa o polegar e o indicador para evitar que a própria microcoluna deslize para fora do tubo. Insira uma agulha de calibre 30 no tubo capilar para empurrar lentamente a microcoluna para fora em um prato contendo DPBS (etapa 1.1.1).
- Corte e esterilização de micro-colunas
- Transfira delicadamente uma micro-coluna de DPBS para um prato vazio usando uma pinça fina. Adicione 10 μL de DBPS ao topo da microcoluna com uma micropipeta para evitar o ressecamento. Coloque o último prato abaixo de um estereoscópio para orientação visual.
NOTA: Ao longo do protocolo, a secagem ou desidratação da microcoluna refere-se à aquisição de uma estrutura amassada que é visualmente distinguível da aparência típica e hidratada dessas construções. As microcolunas desidratadas se fixam firmemente à superfície das placas de Petri e não podem ser movidas facilmente, enquanto as construções hidratadas tendem a deslizar pela superfície após serem manipuladas com fórceps. Uma imagem de contraste de fase de uma microcoluna completamente seca é mostrada na Figura 3A. - Apare a microcoluna com um microbisturi para encurtá-la para o comprimento desejado (aqui, 2-5 mm). Transportar a microcoluna aparada com pinças finas para a outra placa de Petri DPBS preparada no passo 1.1.1.
- Repita as etapas 1.4.1 e 1.4.2 para cada microcoluna fabricada.
- Esterilizar as microcolunas nas placas de Petri contendo DPBS sob luz ultravioleta (UV) durante 1 h. Armazenar as placas de Petri a 4 °C antes da adição da matriz extracelular (MEC) e do revestimento celular.
2. Cultura de Neurônios Primários e Método de Agregação Celular
- Forçada Preparação da matriz de micropoços piramidais
NOTA: Esta seção emprega um molde impresso em 3D que consiste em uma base cilíndrica (diâmetro: 2,2 cm, altura: 7,0 mm) e nove pirâmides quadradas na parte superior (comprimento lateral: 4,0 mm, ângulo inclinado: 60°), organizadas em uma matriz 3 x 3, conforme mostrado na Figura 1E. O processo de manufatura aditiva usando impressoras 3D disponíveis comercialmente está bem documentado. O software de design auxiliado por computador pode ser usado para projetar o molde. O arquivo de design resultante pode então ser convertido digitalmente em um caminho de ferramenta para uma impressora 3D. Cada impressora tem especificações diferentes e as instruções para configurar e operar uma impressora 3D variam de acordo. - Use uma broca de 3/32" para fazer 16 furos em uma matriz 4 x 4 (comprimento lateral: 4 cm, separação de furos: 1 cm), centralizado na tampa de uma placa de Petri de 10 cm. Dentro de uma capela de exaustão química, use a parte inferior da placa de Petri para pesar 27 g de polidimetilsiloxano (PDMS) e 3 g de agente de cura (para uma proporção de 1:10). Mexa com uma microespátula para distribuir o agente uniformemente.
- Cubra o PDMS/agente de cura com a tampa perfurada. Conecte uma extremidade de uma mangueira à porta de vácuo da hotte e insira a outra extremidade na haste de um funil (diâmetro da boca: 10 cm, comprimento da haste: 3 cm, diâmetro da haste: 1,5 cm).
- Faça uma abertura com uma broca de 3/32" na parte superior de um bulbo de pipeta de 1 mL e insira e prenda uma ponta de micropipeta de 1.000 μL na abertura (com a extremidade pontiaguda para cima). Coloque o bulbo e a ponta na mangueira e puxe a mangueira para cima até que o bulbo vede a mangueira na haste do funil.
- Coloque o funil na tampa do prato furado e prenda a mangueira com um suporte resistente disponível. Abra a válvula de vácuo por 5 min para sucção e traga as bolhas de ar para a superfície.
- Feche a válvula, remova o funil e bata a placa de Petri contra a superfície da hotte ~3 vezes para estourar quaisquer bolhas de ar restantes.
- Coloque um molde impresso em 3D de poço piramidal em cada um dos poços em uma placa de cultura de 12 poços, com as pirâmides apontando para cima. Despeje o PDMS/agente de cura em cima dos moldes até que cada poço da placa esteja cheio. Cubra a placa de 12 poços com a tampa e leve ao forno por 1 hora a 60 °C para secar.
- Remova cuidadosamente cada matriz de micropoços PDMS (Figura 1F) da placa com uma microespátula. Cubra as matrizes PDMS com papel alumínio e esterilize-as em autoclavagem. Dentro de um gabinete de biossegurança, insira uma matriz de micropoços em cada poço de uma placa de 12 poços (Figura 2B).
- Isolamento de neurônios corticais de fetos de ratos
- Adicione ~20 mL de solução salina balanceada de Hank (HBSS) a cada uma das quatro a seis placas de Petri de 10 cm (uma para cada tecido dissecado) dentro de um gabinete de biossegurança. Transfira esses pratos para uma coifa e coloque-os no gelo. Esterilize os instrumentos de dissecação, como microbisturis, tesouras e pinças, com um esterilizador de esferas quentes.
- Meio basal de neurônio embrionário pré-aquecido + suplemento sem soro a 2% + L-glutamina 0,4 mM (doravante denominado "meio de cultura") e tripsina 0,25% + ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) 1 mM a 37 °C. Desoxirribonuclease (DNase) I colocando-a à temperatura ambiente. Preparar 1,5 ml de uma solução de DNAse I a 0,15 mg/ml em HBSS e manter a solução em gelo.
- Eutanasiar um rato embrionário grávida no dia 18 por inalação de dióxido de carbono e confirmar a morte por decapitação. Transfira a carcaça para uma capa de dissecção estéril e coloque-a com o lado ventral voltado para cima. Enxágue bem o abdômen com etanol a 70%.
- Abra o útero e remova os fetos (geralmente ~ 11) dos sacos amnióticos com uma tesoura e transfira-os com uma pinça para uma placa de Petri contendo HBSS frio, conforme descrito. Colocar um bloco de granito refrigerado (-20 °C) por baixo do estereoscópio. Coloque a placa de Petri na superfície deste bloco frio para conservar a baixa temperatura do HBSS durante todo o procedimento de dissecação.
- Enxágue os filhotes agitando o HBSS e transfira-os para o próximo prato limpo contendo HBSS. Com o auxílio do estereoscópio e dos instrumentos de dissecação, remova sequencialmente as cabeças, hemisférios cerebrais e córtices dos fetos e transfira cada tecido com fórceps para uma nova placa cheia de HBSS após cada dissecção.
- Aspire apenas os córtices com uma pipeta Pasteur e coloque o tecido em um tubo de centrífuga estéril de 15 mL. Descarte os outros tecidos dissecados. Enxágue os córtices três vezes adicionando e removendo sequencialmente ~ 5 mL de HBSS com uma pipeta sorológica. Coloque o tubo no gelo quando não estiver em uso.
- Transfira os córtices com uma pipeta Pasteur para um tubo de 15 mL contendo tripsina-EDTA pré-aquecido (4-6 córtices por 5 mL de tripsina-EDTA). Agite manualmente o tubo uma vez e coloque-o a 37 °C. Inverta o tubo a cada 3 minutos para evitar que o tecido se aglomere.
- Pare a exposição à tripsina após ~ 10 min removendo o tecido com uma pipeta Pasteur e transferindo-o para um tubo de centrífuga limpo de 15 mL. Adicione a solução de DNase I 0,15 mg/ml (1,5 ml) ao tubo com uma pipeta.
- Use uma pipeta Pasteur para quebrar manualmente os aglomerados de tecido e, em seguida, vórtice (~ 30 s) até que a solução pareça homogênea e não haja fragmentos de tecido restantes no líquido. Se não for possível homogeneizar completamente a solução, extraia os fragmentos insolúveis puxando-os para a ponta de uma pipeta Pasteur.
- Centrifugar a solução celular homogénea obtida no passo 2.2.9 a 200 x g durante 3 min. Retirar o sobrenadante com uma pipeta de Pasteur, tendo o cuidado de não perturbar as células peletizadas. Adicione 2 mL de meio de cultura com uma pipeta sorológica e vórtice para ressuspender as células.
- Conte o número de células na solução preparada na etapa 2.2.10 usando um hemocitômetro; o rendimento esperado é de 3,0-5,0 x 106 células/hemisfério cortical. Prepare 1 mL ou mais de suspensão celular em meio de cultura, com densidade de 1,0-2,0 x 106 células / mL.
- Formação de agregados de células neuronais
- Com uma micropipeta, adicione 12 μL da suspensão de células de 1,0-2,0 x 106/mL em cada micro-poço da matriz PDMS (que foi colocada na placa na etapa 2.1.7).
NOTA: A concentração de células pode ser ajustada dependendo do diâmetro interno da microcoluna e do tamanho desejado do agregado celular, pois concentrações mais altas produzem agregados maiores. - Centrifugue a placa a 200 x g por 5 min para forçar a agregação de células no fundo dos micropoços (Figura 2B). Adicione cuidadosamente ~ 2 mL de meio de cultura ao topo de cada matriz PDMS para cobrir todos os micro-poços semeados, tomando cuidado para não perturbar as células agregadas.
- Incubar a placa durante 12-24 h a 37 °C e 5% de CO2.
3. Desenvolvimento do componente celular da fabricação do núcleo de ECM de micro-TENNs
- Após a incubação agregada, adicione colágeno tipo I e laminina ao meio de cultura (para uma concentração de 1 mg/mL cada) em um tubo de microcentrífuga para preparar a solução de ECM. Execute as etapas 3.1.2-3.1.4 em temperatura ambiente, mas mantenha o tubo com ECM no gelo quando não estiver em uso para evitar gelificação prematura.
NOTA: O gasto típico é de 4 μL de solução de ECM para cada microcoluna (comprimento: 5 mm, ID: 180 μm). - Ajuste o pH da solução de MEC transferindo 1-2 μL para papel de tornassol para verificar o pH inicial, adicionando 1 μL de hidróxido de sódio (NaOH) 1 N e/ou ácido clorídrico (HCl) 1 N ao ECM, conforme necessário, e repetindo até que o pH seja 7,2-7,4. Garanta a homogeneização da solução de ECM pipetando para cima e para baixo, evitando a formação de bolhas de ar.
- Transfira as microcolunas com pinças esterilizadas das placas na etapa 1.4.3 para placas de Petri vazias de 35 ou 60 mm. Trabalhe em 4-5 micro-colunas de cada vez para evitar a desidratação. Conecte uma ponteira de 10 μL a uma ponteira de 1.000 μL a uma micropipeta. Usando o estereoscópio para orientação visual, coloque a ponta em uma extremidade das microcolunas e aspire para extrair DPBS residual e bolhas de ar do lúmen.
- Extraia rapidamente 4-5 μL de ECM em uma micropipeta. Observando sob um estereoscópio, coloque a ponta da micropipeta em uma das extremidades das microcolunas e descarregue ECM suficiente para preencher o lúmen. Confirme a ausência de bolhas de ar no lúmen, pois elas podem inibir o crescimento axonal através da MEC. Se houver bolhas de ar, remova o ECM, conforme explicado na etapa 3.1.3, e adicione o ECM novamente.
- Para evitar a desidratação, adicione ~ 2 μL de ECM ao redor de cada microcoluna. Incubar as microcolunas de hidrogel/ECM nas placas de Petri a 37 °C e 5% de CO2 durante 25 min. Prossiga para a semeadura celular imediatamente após a incubação.
NOTA: O período de incubação na etapa 3.1.5 destina-se a dar tempo para a polimerização do colágeno e da laminina dentro das microcolunas.
- Semeadura de células neuronais nas micro-colunas
NOTA: Para alterar o meio de cultura dos agregados transduzidos, incline a placa, use uma micropipeta para remover o meio que se acumula na parede do poço e, em seguida, adicione lentamente ~ 1 mL contra a parede (para evitar perturbar os agregados nos micro-poços piramidais). Repita essa mudança de meio uma segunda vez. - Após o período de incubação na etapa 3.1.5, transfira aproximadamente 10-20 μL de meio de cultura para duas áreas livres nas placas de Petri que contêm as microcolunas. Use uma micropipeta para transferir individualmente os agregados para a placa de Petri que contém as construções e mova-os com uma pinça para um dos pequenos pools de meio de cultura para preservar a saúde celular.
- Enquanto observa sob um estereoscópio, insira um agregado em cada extremidade das micro-colunas para micro-TENNs bidirecionais ou em uma extremidade para uma arquitetura unidirecional (conforme desejado) usando uma pinça. Confirmar a colocação dos agregados no interior das microcolunas utilizando o estereoscópio. Use uma pinça para mover as microcolunas semeadas para o outro pequeno pool de meio de cultura para evitar a desidratação e preservar a saúde do agregado.
- Incubar a 37 °C e 5% de CO2 por 45 min para permitir que os agregados adiram ao ECM. Verificar se os agregados permanecem nas extremidades das microcolunas utilizando o estereoscópio; Reintroduzir os agregados celulares e repetir a etapa de incubação conforme necessário.
- Inundar cuidadosamente as placas de Petri que contêm os micro-TENNs com meio de cultura (3 ou 6 ml para uma placa de Petri de 35 ou 60 mm, respectivamente) com uma pipeta serológica. Coloque os pratos em uma incubadora a 37 °C e 5% de CO2 para cultura de longo prazo.
- Realize trocas de meio de meio a cada 2 dias com meio de cultura. Remova cuidadosamente metade do meio antigo com uma pipeta e use o estereoscópio para orientação visual para evitar a sucção dos micro-TENNs. Substitua por uma pipeta adicionando lentamente meio fresco e pré-aquecido.