3次元細胞培養のための自己申告足場
Summary
生体適合性のpH応答性ゾル – ゲルナノセンサーは、ポリ（乳酸 – コ – グリコール酸）（PLGA）エレクトロスパン足場に組み込むことができる。産自己申告足場は、足場上に細胞を培養しながら微小環境条件の現場モニタリングのために使用することができる。 3D構築物が細胞の実験を妨害することなく、リアルタイムでモニターすることができるので、これは有益である。
Abstract
適切な足場上に3Dで細胞を培養すると、より良好なin vivoでの微小環境を模倣し、細胞-細胞相互作用を増大させると考えられている。結果の3D携帯構築物は、多くの場合、2次元で研究の同様の実験よりも分子事象および細胞間相互作用を研究するより関連することができます。足場を通して高細胞生存性との効果的な3D培養物を作成するために、酸素、注意深く分析物濃度の勾配のように制御することが必要なpHなどの培養条件は、3D構築物の全体にわたって存在することができる。ここでは、ポリ哺乳動物細胞の培養のためのそれらのその後の製剤と共に（乳酸-co-グリコール酸）（PLGA）エレクトロスパン足場内に生体適合性のpH応答性ゾルゲルナノセンサおよびそれらの取り込みを調製する方法を記載している。 pH応答性スキャフォールドは、3D携帯構文内微小環境pHを測定するためのツールとして使用することができます。さらに、詳細なpH応答性nanoseの配信成長エレクトロPLGA足場によってサポートされていた哺乳動物細胞の細胞内環境にnsors。 pH応答性ナノセンサーの細胞質の位置は、進行中の実験の間、細胞内pH（PHI）を監視するために利用することができる。
Introduction
組織工学における主要な戦略は、それが交換する形態としている組織に似ており、また、細胞増殖および機能1,2をサポートすることができる足場を製造するための生体適合性材料を使用することである。足場は、細胞の接着や増殖はまだ3D携帯コンストラクトの隙間を通じて細胞移動を可能にすることによって、機械的なサポートを提供します。足場はまた、細胞の栄養素の大量輸送を可能にし、代謝廃棄物3の除去を阻害してはならない。
エレクトロスピニングは、細胞増殖4-6を支持することができるポリマー足場の製造のための有望な方法として出現した。彼らはしばしば多孔性であり、細胞の3D構築物7の隙間を通して細胞間相互作用、ならびに細胞移動を可能にするようにして製造不織布電界紡糸繊維は、細胞増殖に適している。これは、tの間に細胞生存率を監視することが重要である彼培養期間、その細胞の生存率を確保するためには、3D構築物の全体にわたって維持される。検体濃度の勾配は、3D構築物内に存在することができるように、例えば、酸素やpHなどの培養条件は、慎重な制御を必要とする。バイオリアクターまたは灌流系は、間質流のインビボ条件で模倣し、その結果、栄養素伝達および代謝廃棄物の除去8を増加させるために用いることができる。このようなシステムは一定の微小環境条件を確保しているかどうかの問題は、リアルタイムでの細胞の微小環境を評価することによって対処することができる。
リアルタイムで監視することができる主要な微小環境メトリクスとしては、温度、細胞培地の化学組成、溶存酸素及び二酸化炭素の濃度、pH、湿度。これらのメトリックのうち、温度が最も容易にその場プローブに用いてモニターすることができる。一般的に残っているリストされているメトリックを監視するための方法volveサンプリングのためのアリコートの除去、したがって、細胞培養を妨害し、汚染のリスクを増加させる。連続的なリアルタイムの方法が求められている。現在の監視方法は、通常は物理的なpHモニターや酸素プローブなどの細胞構造を探査楽器に依存している。しかし、これらの侵入方法は、細胞の構造を損傷し、継続的な実験を邪魔することができます。 3D構築物内の検体濃度の非侵襲的モニタリングは、例えば、栄養枯渇9のような種々の環境側面のリアルタイムモニタリングを可能にすることができる。これは構造内の深部への栄養供給の評価を可能にし、代謝廃棄物を効果的に10,11削除されたかどうかを決定するであろう。侵襲性の問題に対処しようとするシステムは、一般に、pHをモニターするために培養容器の両方を通って外部センサへの培養培地を渡す灌流チャンバーの使用を含む酸素およびグルコース12。ザ·直接再サンプリングのためのアリコートの除去を必要としない、そのようなものとして、その場の監視に提供するであろう培養容器に組み込むことができるセンサを開発することに関心が高まっている。
その場 、我々は自己申告足場13を生成するエレクトロ足場に、検体応答性のナノセンサーが組み込まれている微小環境条件を非侵襲的にモニタリングするためのこのような欠点に対処すること。感知装置は、エレクトロスピニングによって、または従来足場形成14,15にポリマー中に組み込まれる検体応答性染料を使用することによって作成された実際の高分子足場のいずれかであった場合に蛍光活性をモニタリングすることによってセンシングデバイスとして作用する足場は、予め調製されている。しかしながら、これらの感知装置は、他の検体からの干渉による誤光出力を与える可能性を有する。レシオメトリック感知装置SUの使用記載されたプロトコールで調製したものとchがこれらの可能な副作用を排除し、問題の分析物に特異的な応答を提供する可能性を保持している。
ここに提示エレクトロスパン足場は、合成共重合体による食品医薬品局（FDA）の承認を有する選択されたポリ（乳酸-co-グリコール酸）（PLGA）、その生分解性および生体適合性の特性のために、トラックから調製された種々の細胞型16-18の増殖および機能をサポートするレコード。準備されたレシオメトリック分析物応答性のナノセンサーは、pHに応答する。ナノセンサーはつの色素の生体適合性ゾル – ゲルマトリックス中に二つの蛍光色素を組み込んで、FAMは、pHに応答し、それがpHに応答しないように、他の、TAMRAは内部標準として作用する。それらは有意に重複しないようにさらにFAMとTAMRAの蛍光の両方を別々に分析することができる。蛍光EMIの比を決定する特定の波長での両方の色素のssionは、他の環境条件とは独立したpH応答を与える。自己申告足場が開発3Dモデルを中断することなく、 その場でリアルタイムでのpHの反復評価を可能にすることができる。我々は、これらの足場は、細胞付着および増殖を支持することが可能であり、問題の分析物に応答性を維持することを実証した。操作された構築物中の副生成物の酸性の動態は代役のままであり、そのようなpH応答性足場を使用して大幅にそのような研究19を容易にすることができる。さらに、組織工学用途のための自己報告の足場の使用は、非侵襲的かつリアルタイムで、in vitroでの 3Dモデルの組織構築物の増殖を完全に理解するための機会を提供し、監視し、最適化する。
pH応答性ナノセンサーはまた、エレクトロのPLGA scaffol上に培養した線維芽細胞の細胞内環境に配信されたDS。色素からの蛍光発光の比は、pHiはをモニターするために使用し、pHナノセンサーを組み込んだ自己申告足場と比較した。 3D環境で培養した細胞へのナノセンサーの配信が深い非破壊で構文内の分析物濃度の監視を可能にすることができます。したがってナノセンサ非破壊3Dを通して細胞の挙動を評価するための実行可能なイメージングツールは、長期的な分析を可能にする構成であってもよい。 3D構造内の個々の細胞の検体濃度をスクリーニング、彼らは十分な栄養と酸素濃度が供給されていることを確認できた。監視プロセスパラメータは、酸素と栄養分の有効質量の輸送のために標準化された技術の開発を支援することができる。細胞内環境およびポリマー足場中へのナノセンサーの取り込みに対するナノセンサーの送達は、3D定数内で細胞生存率の評価、ならびに足場性能を可能にするために組み合わせることができる組織の成長プロセスの間にructs。これはこれらの構築物の増加の知識につながり、生物学的に関連組織代替物の製造を進行することがある。
Protocol
Representative Results
Discussion
組織工学は、特定の組織または器官の機能を修復、交換、維持または増強するためにインビトロでの組織モデルのようなin vivoおよび組織置換療法における両方として使用することができる生物学的代替物を作り出すことを目指し。合成代替物は、組織の修復を置き換えるか援助するために長年使用されてきたが、これらは多くの場合、最終的には拒絶またはさらなる修正手術に…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
BBSRCからの資金調達が親切に認識されている（認可番号B-H011293 / 1）。
Materials
| Ethanol | Fisher | 32221 | |
| Anhydrous dimethylformamide (DMF) | Sigma | 270547 | |
| Ammonium hydroxide 50% (v/v) aqueous solution | Alfa Aesar | 35574 | diluted to 30% (v/v) with pure water |
| TEOS | Sigma | 13190-3 | |
| 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) | Sigma | A3648 | |
| 5-(and-6)-carboxyfluorescein, succinimidyl ester (FAM-SE) | Invitrogen | C1311 | |
| 6-carboxytetramethylrhodamine, succinimidyl ester (TAMRA-SE) | Invitrogen | C1171 | |
| Sodium phosphate monobasic (0.2 M) | Sigma Aldrich | S-9638 | |
| Sodium phosphate dibasic (0.2 M) | Sigma Aldrich | S-0876 | |
| NaOH | Sigma Aldrich | S8045 | |
| Trypsin/EDTA | Sigma Aldrich | T4174 | |
| Penicillin/Streptomycin | Sigma Aldrich | P0781 | |
| PBS | Sigma Aldrich | D8537 | |
| DMEM | Sigma Aldrich | D6046 | |
| FBS | Source Bioscience | Batch-213-101992 | |
| L-Glutamine | Sigma Aldrich | G7513 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668-019 | |
| Optimem | Invitrogen | 11058-021 | |
| LysoTracker Red | Invitrogen | L-7528 | |
| Draq5 | Biostatus Ltd | DR50050 | |
| Nitrogen gas | BOC | ||
| DCM | Sigma Aldrich | 320269 | |
| TFA | Sigma Aldrich | T6508 | |
| Confocal microscope | Leica TCS-SP | equipped with argon and krypton lasers and a 63X 0.9NA water immersion lens | |
| UV light | UVLS28 UVP, USA | ||
| Stirrer plate | SB161-3 Jencons-PLS | ||
| pH meter | Jenway model 3510 | ||
| Rotary Evaporator | Buchi Rotary Evaporator R200 | ||
| Centrifuge (nanosensors) | Hermle Z300 | ||
| Centrifuge (cell culture) | Thermo Scientific Heraeus Biofuge Primo | ||
| Vortex | Whirlimixer Fisherbrand | ||
| Ultrasonicator | FB11021 Fisherbrand | ||
| Aluminum sheet | Nottingham University | ||
| 35mm cell culture plate | Iwaki | 3000035 | |
| 10 ml syringe | Becton Dickenson | ||
| 3T3 Fibroblast cells | European Collection of Cell Cultures | ||
| PLGA | Lakeshore Biomaterials | 7525 DLG 7E | |
| Pyridinium formate | Sigma Aldrich | P8535 | |
| Trypan blue | Sigma Aldrich | T8154 | |
| Sodium phosphate monobasic | Sigma Aldrich | S9638 | |
| Sodium phosphate dibasic | Sigma Aldrich | S5136 | |
| HCl | Sigma Aldrich | 320331 |
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