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Bioengineering

Gradiente di densità multistrato polimerizzazione (DGMP): una tecnica innovativa per la creazione di comparti multipli, Ponteggi personalizzabili per l'ingegneria tissutale

doi: 10.3791/50018 Published: February 12, 2013

Summary

Qui si descrive una strategia unica per la creazione di matrici biocompatibili, stratificate con interfacce continui tra strati distinti per l'ingegneria tissutale. Tale scaffold in grado di fornire un ambiente ideale personalizzabile per modulare il comportamento cellulare da vari segnali biologici, chimici o meccanici

Abstract

Complesse matrici di coltura di tessuti, in cui tipi e concentrazioni di stimoli biologici (ad esempio fattori di crescita, inibitori, o piccole molecole) o struttura a matrice (ad esempio composizione, concentrazione, o rigidità della matrice) variano nello spazio, consentirebbe un'ampia gamma di indagini riguardo a come queste variabili influenzano la differenziazione cellulare, la migrazione, e altri fenomeni. La sfida principale nella creazione di matrici stratificate è mantenere l'integrità strutturale di interfacce strato senza diffusione di singoli componenti da ogni strato 1. Attuali metodologie questo comporta in particolare photopatterning 2-3, litografia 4, functionalization5 sequenziale, liofilizzazione 6, microfluidica 7, 8 o centrifugazione, molti dei quali richiedono strumentazione sofisticata e competenze tecniche. Altri tramite attacco sequenziale dei singoli strati, che può portare alla delaminazione degli strati 9

DGMP supera questi problemi utilizzando un modificatore inerte densità come iodixanolo per creare strati di diversa densità 10. Poiché il modificatore densità può essere miscelato con qualsiasi prepolimero o molecola bioattiva, DGMP permette ogni strato scaffold da personalizzare. Semplicemente variando la concentrazione del modificatore densità impedisce miscelazione degli strati adiacenti, mentre rimangono acquosa. Successiva polimerizzazione passo comporta una strutturalmente continua scaffold multistrato, in cui ogni strato ha chimico distinto e proprietà meccaniche. Il modificatore di densità può essere facilmente rimosso con risciacquo sufficiente senza perturbazione dei singoli strati o loro componenti. Questa tecnica è particolarmente indicato per la creazione di idrogel di varie dimensioni, forme e materiali.

Un protocollo per la fabbricazione di una 2D-polietilene glicole (PEG) gel, in cui strati alternati incorporano Rgds-350, è descritto di seguito. Usiamo PEG because è biocompatibile e inerte. Rgds, un peptide adesione cellulare 11, è utilizzato per dimostrare restrizione spaziale di una stecca biologica, e la coniugazione di un fluoroforo (Alexa Fluor 350) permette di distinguere visivamente vari strati. Questa procedura può essere adattato per altri materiali (ad esempio collagene, acido ialuronico, ecc) e può essere esteso per fabbricare gel 3D con alcune modifiche 10.

Protocol

1. Sintesi di marcato in modo fluorescente Acryloyl-PEG-Rgds

  1. Reagiscono con il peptide Rgds acriloil-PEG-succinimidil carbossimetil estere (APEG-SCM, PEG MW: 3400 g / mol) e NN diisopropiletilammina (DIPEA) a 1.2:1:2 rapporti molari in dimetilsolfossido (DMSO) sotto argon a temperatura ambiente durante la notte.
  2. Confermare coniugazione da matrix-assisted laser desorbimento / ionizzazione tempo di volo (MALDI-TOF), spettrometria di massa. Aggiungere 1 ml di APEG-Rgds soluzione di reazione in un punto campione sul target MALDI e asciutto. Preparare una soluzione satura di universale MALDI Matrix in tetraidrofurano (THF) e vortex per 1 min. ~ Aggiungere 1 ml di questa soluzione a punto del campione stesso. Ripetere la procedura per APEG-SCM per il confronto. Caricare e analizzare. Il peso molecolare di APEG-Rgds dovrebbe essere maggiore di APEG-SCM (Figura 2).
  3. Di coniugare il fluoroforo, aggiungere una quantità equimolare di Alexa Fluor 350 carbossilico (succinimydyl estere), discioltoin un volume minimo di DMSO, al APEG-Rgds soluzione di reazione da 1,1 e reagire sotto argon a temperatura ambiente per una notte.
  4. Purificare APEG-Rgds-350 da dialisi (MW 3500 Da) contro il DI-H 2 O a 4 ° C per 48 ore a 1.000:1 rapporto volumetrico, lo scambio di dialisato almeno due volte al giorno.
  5. Congelare asciugare la purificato APEG-Rgds-350 in Freezone Labconco Plus o Blocco del sistema equivalente a secco e conservare a -20 ° C.

2. Preparazione di uno stampo 2D e Realizzazione di un gel PEG 2D con alternata Rgds-350 Livelli

  1. Preparare vetrini idrofobiche. Posizionare vetrini puliti in un piatto di vetro in un forno a vuoto. Riscaldare a 80 ° C per 30 minuti per asciugare completamente le superfici. Luogo piatto con le diapositive in una cappa aspirante e aggiungere 250 microlitri Sigmacote a ogni diapositiva, delicatamente a dondolo per 30 sec alla superficie cappotto intero. Sciacquare i vetrini rivestiti con 100% metanolo, seguita da lavaggio con acqua distillata, ammollo due volte per 5 min in a least 10 ml.
  2. Tagliare distanziali in silicone (0,8 mm di spessore) con 10 mm pugni biopsia.
  3. Autoclave i distanziali in silicone e Sigmacote trattati con vetrini.
  4. Formulare soluzioni per ciascun rispettivo strato in provette per microcentrifuga singoli mescolando PEG diacrilato (PEGda) precursore (concentrazione finale 15% w / v) con diverse quantità di iodixanolo (soluzione stock 60% in acqua) per produrre concentrazioni finali diverse (ad esempio il 40%, 30%, 20% e 10%), che completa il volume residuo di tampone fosfato (PBS) per ottenere soluzioni di densità differenziate. In modo simile, per strati alternati, mix APEG-Rgds-350 (concentrazione finale 8 mm) con iodixanolo e PBS per produrre concentrazioni diverse (ad esempio 35%, 25%, e 15%).
  5. Aggiungi fotoiniziatore (2-idrossi-4'-(2-idrossietossi)-2-metilpropiofenone, magazzino 333mg/ml in N-vinil pirrolidone) per ogni soluzione per vari strati (10 pl di soluzione madre per ml di ciascuna soluzione di strato). Fotoiniziatore is ultimo aggiunto per prevenire la polimerizzazione prima stratificazione dei gel nello stampo, in quanto è sensibile alla luce.
  6. I passi successivi di questo protocollo sarà effettuata in un armadio biosicurezza per garantire la sterilità.
  7. Filtro-sterilizzare ogni soluzione sterile utilizzando una siringa da 1 ml e 0,2 micron. Assemblare l'impostazione stampo intramezzando il distanziatore tra due Sigmacore trattati vetrini e sicure con fascette ponendo come illustrato in Figura 1.
  8. Gettare i gel strati aggiungendo la soluzione più densa (es. PEGda con il 40% iodixanolo) prima, seguita da una soluzione meno densa (es APEG-Rgds-350 con 35% iodixanolo). Ripetere la stratificazione alternate per ottenere diversi strati di composizione desiderata e densità come mostrato in Figura 1.
  9. Irradiare lo stampo con la luce 365 nm per 3 minuti con un portatile UVR-9000 lampada. Consentire i gel polimerizzati per curare per 5 min. Rimuovere i morsetti, quindi sollevare delicatamente il vetro superiorediapositiva e lo stampo, i gel DGMP stratificate rimarrà nelle diapositive. Utilizzando una spatola sterile, posizionare accuratamente il gel in una provetta da 50 ml contenente PBS sterile o mezzo di coltura per il lavaggio.
  10. Lavare il gel polimerizzato in PBS a 1.000:1 rapporto volumetrico, lo scambio di buffer di almeno due volte al giorno per rimuovere il modificatore densità, fotoiniziatore, e polimero che non ha reagito. In alternativa, PBS può essere scambiato con il terreno di crescita. Conservare i gel DGMP in PBS o terreno di coltura per l'esperimento di coltura cellulare indicato al punto 3.
  11. Per visualizzare strati alternati, organizzare gel DGMP (questi gel non saranno utilizzabili per colture cellulari) lungo un righello sul vassoio campione del meccanismo di documentazione gel VersaDoc. Esporre i gel a 350 nm, il tempo di esposizione varia a seconda della concentrazione del fluoroforo. Alternando bande scure e blu nell'idrogel DGMP dimostrano formazione di strati distinti di composizione chimica diversa (Figura 3).

  1. Per i gel che incorporano peptide Rgds, usare le cellule di adesione dipendenti, ad esempio mioblasti C2C12.
  2. Inserire delicatamente gel DGMP (memorizzati in PBS) nei pozzetti di piastre di coltura cellulare a 48 pozzetti utilizzando un raschietto sterile cella in un armadio biosicurezza.
  3. Pre-riscaldare terreno di crescita (terreno Eagle modificato da Dulbecco o DMEM supplementato con 10% v / v di siero fetale bovino e 1% v / v 100x soluzione di penicillina-streptomicina) e PBS in un bagno d'acqua a 37 ° C.
  4. Lavare una piastra 60% confluenti (10 mm) di C2C12 tre volte con PBS. Aspirare off PBS e cellule raccolto aggiungendo 1 ml di 0,25% tripsina-EDTA e incubando a 37 ° C per 2 min. Risospendere le cellule in mezzo di crescita e cellule di conteggio. Il seme DGMP gel-coltura cellulare contenente bene con mioblasti C2C12 (20.000 cellule / cm 2). Incubare le cellule a 37 ° C in 5% CO 2/95% di umidità relativa. Delicatamente mezzo di scambio, dopo 4 ore, fare attenzione a non rispostare leggermente cellule aderenti.
  5. Dopo 24 ore, il sequestro conservativo di mioblasti C2C12 sui Rgds contenenti strati di gel DGMP può essere confermata da epifluorescenza e microscopia a contrasto di fase (Zeiss Axiovert 200).

Representative Results

MALDI-TOF analisi conferma la coniugazione del peptide ad Rgds acriloil-PEG (Figura 2). Gel di imaging rivela alternata Rgds-350 (blu) dopo la fotopolimerizzazione strati (Figura 3A). Come mostrato in Figura 3A, 2D gel DGMP dimensioni possono variare in base al diametro degli stampi in silicone (10 mm, sinistra, 8 mm, a destra), e pertanto sono facilmente personalizzabile per uso in saggi multipli - in questo caso per adattarsi a 48 pozzetti di piastra di cella (Figura 3B). Epifluorescenza e microscopio a contrasto di fase di mioblasti C2C12 coltivate su un gel DGMP mostra attacco selettivo Rgds-350-strati contenenti PEG (Figura 4), ​​dimostrando compartimentalizzazione del peptide adesione cellulare (Rgds).

Figura 1
Figura 1. Molecolare Weight analisi mediante MALDI-TOF confronto APEG-SCM-APEG Rgds ottenuti dopo la coniugazione del peptide Rgds.

Figura 2
Figura 2. Rappresentazione schematica di fabbricazione DGMP gel. Dopo i gradienti sono stratificati, possono essere autorizzati a stabilirsi per periodi di tempo variabili (t s) per creare interfacce laureati, seguita da fotopolimerizzazione. Stratificati DGMP gel può essere facilmente estratto dallo stampo per un ulteriore uso. Clicca qui per ingrandire la figura .

Figura 3
Figura 3. A) gel 2D multistrato ottenuti dopo la fotopolimerizzazione ripreso con 350 nm e canali bianchi leggeri di VersaDoc gel documentazione della trasmissione. La scala di grigi rivela strati alternati contenenti Rgds in bianco. B) Inserimento di gel DGMP in piatti cellulari a 48 pozzetti.

Figura 4
Figura 4. Contrasto di fase e l'immagine unita ad epifluorescenza di mioblasti C2C12 coltivate su DGMP gel (scala bar 50 micron).

Figura 5
Figura 5. Effetto della iodixanolo sull'elasticità gel superficie. Atomic microscopia misure di forza di campioni statici di substrati PEG reticolati con metodi stabiliti in precedenza con un trigger 2 nN forza 12. * P <0,05 e ** p <0,01.

Discussion

DGMP è una semplice strategia per la preparazione di gel multistrato che non si basano su strumenti costosi. Questo protocollo può essere adattato per creare ponteggi utilizzano altri materiali biocompatibili, quali collagene e acido ialuronico. Piccole molecole bioattive, per esempio cellule promotore di adesione peptide Rgds, possono essere legati alla matrice polimerica per evitare miscelazione di segnali tra gli strati. Proteine ​​possono essere incapsulati in strati distinti senza la necessità di coniugazione chimica come, a seconda della dimensione delle maglie della matrice, sono meno inclini a diffondere attraverso idrogel 10. Qui abbiamo usato iodixanolo (Nycoprep), un modificatore densità inerte, che è stato precedentemente utilizzato per applicazioni di cellule vitali. Modificatori densità altre come saccarosio e destrosio può anche essere usato. Variando il tempo di assestamento (t s), è possibile mettere a punto le interfacce tra i due strati per produrre transizioni morbide o taglienti, se necessario (tempo più lungo assestamento dà transizioni più uniformi) <sup> 10. Per esempio, fluide transizioni tra strati di gel DGMP potrebbe essere utilizzato per generare un gradiente continuo di una stecca biologica per studiare processi cellulari come chemiotassi.

L'effetto del modificatore densità sulla rigidità gel è mostrato in Figura 5 per un 15% aPEGda gel; una caratterizzazione più completa di rigidità e di porosità in funzione della concentrazione e PEGda iodixanolo attualmente è sottoposto. Mentre la concentrazione PEGda in questo esempio è relativamente elevato, abbiamo osservato un modulo elastico maggiore del 60% in gel con il 30% rispetto al iodixanolo senza gel. La variazione rigidità gel può essere regolata per modulando la concentrazione macromero o densità di reticolazione.

Abbiamo anche applicato la tecnica DGMP creare 3D multistrato utilizzando gel di poliacrilammide e precursori PEG 10. Variando la concentrazione e il grado di reticolazione del prepolimero consente variazione strutturaleponteggi, che possono essere usati per esplorare il comportamento cellulare come la crescita e la migrazione polarizzata in 3D.

In sintesi, DGMP è una tecnica adattabile che può essere applicato a fabbricare scaffold 2D e 3D da una varietà di materiali biocompatibili per un'ampia gamma di applicazioni di ricerca biomedica e di base.

Disclosures

Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Acknowledgments

Gli autori sono grati per il sostegno di premi NIH di regia Innovator Nuovi (1DP2 OD006499-01 AA e 1DP2 OD006460-01 a AJE), e King Abdulaziz City per la Scienza e la Tecnologia (UC San Diego Centro di Eccellenza in nanomedicina). Vorremmo ringraziare la signora Jessica Moore per i suoi commenti critici sul manoscritto.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polyethylene glycol succinimydyl carboxymethyl (a-PEG-SCM) Laysan 120-64
Polyethelyene glycol diacrylate (PEGda) Dajac Labs 9359
Arginine-Glycine-Aspartic acid-Serine (RGDS) American Peptide 49-01-4
N,N- Diisopropylethylamine (DIPEA) Sigma D125806
Dimethyl sulfoxide (DMSO) Sigma D2438
N,N- dimethylformamide (DMF) Fisher D119-4
Tetrahydrofuran (THF) Fisher T397
Dialysis cassette (3500 Da) Thermo Scientific 66330
Alexa Fluor 350 carboxylic acid succinimydyl ester Life Technologies A-10168
Sigmacote Sigma SL2
Silicone spacers Grainger 1MWA4
Biopsy punches Acuderm P1025 (10 mm)
P850 (8 mm)
Dulbecco's phosphate buffered saline (DPBS) Hyclone SH30028
Iodixanol (NycoPrep) Fisher NC9388846
2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone Sigma 410896
Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) Life Technologies 11054
Fetal bovine serum Life Technologies 10082
Penicillin-streptomycin Life Technologies 15140
C2C12 myoblasts ATCC CRL-1772
MALDI Bruker N/A
UVR-9000 Bayco UVR-9000
VersaDoc Bio-Rad N/A

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References

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Joshi-Barr, S., Karpiak, J. V., Ner, Y., Wen, J. H., Engler, A. J., Almutairi, A. Density Gradient Multilayered Polymerization (DGMP): A Novel Technique for Creating Multi-compartment, Customizable Scaffolds for Tissue Engineering. J. Vis. Exp. (72), e50018, doi:10.3791/50018 (2013).More

Joshi-Barr, S., Karpiak, J. V., Ner, Y., Wen, J. H., Engler, A. J., Almutairi, A. Density Gradient Multilayered Polymerization (DGMP): A Novel Technique for Creating Multi-compartment, Customizable Scaffolds for Tissue Engineering. J. Vis. Exp. (72), e50018, doi:10.3791/50018 (2013).

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