Summary

Micropatterning en montage van 3D microvaten

Published: September 09, 2016
doi:

Summary

Dit manuscript bevat een spuitgiet methode om microvaten dat fysiologische eigenschappen van endotheel recapituleren ingenieur. De microfluïdische-based proces creëert patent 3D vasculaire netwerken met tailorable omstandigheden, zoals stroom, cellulaire samenstelling, geometrie, en biochemische hellingen. Het fabricageproces en voorbeelden van mogelijke toepassingen worden beschreven.

Abstract

In vitro studie platforms endotheelcellen en vasculaire biologie grotendeels beperkt tot 2D endotheliale celculturen, stroomkamers met polymeer of glazen ondergronden en hydrogel gebaseerde vaatvorming assays. Deze testen, terwijl informatief, niet herhalen lumen geometrie, de juiste extracellulaire matrix, en meercellige nabijheid, die een belangrijke rol bij het moduleren vaatfunctie spelen. Dit manuscript beschrijft een spuitgietwerkwijze met technisch vaartuigen met een diameter in de orde van 100 urn genereren. Microvaten worden vervaardigd door het zaaien van endotheelcellen in een microfluïdische kanaal ingebed in een native type I collageen hydrogel. Door de integratie van parenchymcellen in het collageen matrix voorafgaand aan de vorming van het kanaal, kan specifiek weefsel micro-omgevingen worden gemodelleerd en bestudeerd. Extra modulaties van hydrodynamische eigenschappen en media samenstelling zorgen voor controle van complexe vasculaire functie binnen de gewenste micro-omgeving.Dit platform maakt de studie van perivasculaire celrecrutering, bloed-endotheel interacties stroomreactie en weefselspecifieke microvasculaire interacties. Engineered microvaatjes bieden de mogelijkheid om de invloed van de individuele componenten van een vasculaire niche isoleren en nauwkeurig te regelen zijn chemische, mechanische en biologische eigenschappen vasculaire biologie bestuderen in zowel gezondheid en ziekte.

Introduction

De microvasculatuur in elk orgaan helpt bepalen het weefsel micro, onderhouden weefsel homeostase en reguleren ontsteking, permeabiliteit, trombose, en fibrinolyse 1,2. Microvasculaire endotheel, in het bijzonder is de interface tussen de bloedstroom en het omliggende weefsel en daarom een cruciale rol bij het ​​moduleren van vasculaire en orgaanfunctie reactie op stimuli zoals hydrodynamische krachten en circulerende cytokinen en hormonen speelt 3 5. Het begrijpen van de gedetailleerde interacties tussen het endotheel, bloed en weefsel micro belangrijk voor de studie van vasculaire biologie en ziekteprogressie. Echter, is vooruitgang geboekt bij het ​​bestuderen van deze interacties werd gehinderd door een beperkte in vitro hulpmiddelen die niet herhalen in vivo microvasculaire structuur en functie 6,7. Daardoor heeft het veld en therapeutische vooruitgang sterk aangevoerde kostbare en tijd-consumeren diermodellen die vaak niet te vertalen naar succes bij mensen 8-10. Terwijl in vivo modellen zijn van onschatbare waarde bij het ​​bestuderen van ziektemechanismen en vasculaire functies, ze complex en vaak geen nauwkeurige controle van individuele cellen, biochemische en biofysische signalen.

Bloedvaten door het hele lichaam beschikt over een volwassen hiërarchische structuur in combinatie met uitgestrekte capillaire bedden, het verstrekken van optimale doorbloeding en voedingsstoffen transport gelijktijdig 11. Aanvankelijk vasculatuur vormen een primitieve plexus die reorganiseert een hiërarchisch vertakte netwerk tijdens vroege ontwikkeling 12,13. Hoewel veel van de bij deze processen signalen goed begrepen 14-16, blijft ongrijpbaar hoe dergelijke vasculaire patroonvorming 15 bepaald. Op zijn beurt, recapituleren dit proces in vitro georganiseerde vasculaire netwerken ingenieur heeft been moeilijke Veel bestaande in vitro platforms. model vaatstelsel, zoals tweedimensionale endotheliale celculturen missen belangrijke kenmerken zoals meercellige nabijheid luminale driedimensionale geometrie, stroom en extracellulaire matrix. Buisvorming assays 3D hydrogels (collageen of fibrine) 17-19 of invasie assays 20,21 zijn gebruikt om de endotheelfunctie bij 3D en hun interacties met andere vasculaire bestuderen 17,22 of weefsel celtypes 23. Echter, geassembleerd lumens in deze testen missen interconnectiviteit, hemodynamische stroom en geschikte perfusie. Bovendien is de neiging tot vasculaire regressie deze buisvorming assays 24 voorkomt lange termijn cultuur en rijping die de mate van functionele studies die uitgevoerd kunnen worden beperkt. Er is dus een groeiende behoefte om in vitro platforms van microvasculaire netwerken die goed kunnen modelleren en engineeringdothelial eigenschappen en kunnen langdurige kweek.

Verschillende vasculaire manipulatietechnieken zijn opgekomen der jaren voor medische toepassingen te vervangen of bypass getroffen vaten bij patiënten met vasculaire ziekte. Grote diameter vaartuigen gemaakt van synthetische materialen zoals polyethyleentereftalaat (PET), en polytetrafluorethyleen (ePTFE) hebben aanzienlijke therapeutische succes op lange termijn patency (gemiddeld 95% patency dan 5 jaar) 25 had. Hoewel klein diameter synthetische transplantaten (<6 mm), meestal te kampen hebben complicaties, zoals intima hyperplasie en trombopoïese 26-28, tissue engineered grafts kleine diameter gemaakt met biologisch materiaal hebben aanzienlijke vooruitgang 29,30 gemaakt. Ondanks de vooruitgang van dit soort, zijn gemanipuleerd schepen op de microschaal een uitdaging gebleven. Adequaat model van de microvasculatuur, is het noodzakelijk om complexe netwerkpatronen met suf genererendoende mechanische sterkte doorgankelijkheid en een matrixsamenstelling die het mogelijk maakt voor zowel nutriënten permeatie voor parenchymale cellen en cellulaire remodeling handhaven.

Dit protocol bevat een nieuwe kunstmatige perfusable vaartuig netwerk dat een inwoner in vivo instelling met een instelbare en controleerbare micro 31 nabootst 34. De beschreven werkwijze genereert Engineered microvaatjes met een diameter in de orde van 100 urn. Engineered microvaten worden vervaardigd door perfuseren endotheelcellen door middel van een microfluïdische kanaal, dat is ingebed in zacht type I collageen hydrogel. Dit systeem heeft het vermogen om een ​​patroon netten met open luminale structuur genereren repliceren meercellige interacties moduleren extracellulaire matrix samenstelling en fysiologisch relevante hemodynamische krachten toegepast.

Protocol

1. Microfabricage van Patterned Polydimethylsiloxane (PDMS) met Network Design Wafer Fabrication een negatieve Template van het netwerk ontwerp Ontwerp Creëer een netwerk patroon met behulp van een computer-aided design (CAD) software. Controleer of de diagonale afmeting tussen de inlaat en uitlaat overeenkomen met de afstand tussen de inlaat en uitlaat reservoirs op de behuizing apparaten toekomstige stappen (zie 2.1.1). Opmerking: Het ontwerp van het patroon zelf wordt aang…

Representative Results

De gemanipuleerde vat platform creëert functionele microvasculatuur ingebed in een natuurlijke collageen type I matrix en zorgt voor strakke controle van de cellulaire, biochemische en biofysische milieu in vitro. Tot complete microvaten fabriceren, worden humane navelstreng endotheelcellen (HUVEC) geperfuseerd via het collageen geïntegreerde microfluïdische netwerk waar zij hechten aan octrooi lumen en confluent endotheel vormen. Zoals geïllustreerd in figuur 1A-C,<…

Discussion

Gemanipuleerde microvaatjes een in vitro model waarbij fysiologische karakteristieken zoals luminale geometrie, hydrodynamische krachten en meercellige interacties aanwezig zijn en instelbaar zijn. Dit type platform is krachtig omdat het de mogelijkheid biedt te modelleren en bestuderen endotheliale gedrag in verschillende contexten, waar de in vitro kweekomstandigheden kunnen worden afgestemd op dat van de micro betrokken. Bijvoorbeeld, de mechanismen die endotheliale processen, zoals angiogenese, bek…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen graag de Lynn en Mike Garvey Imaging Laboratory aan het Instituut erkennen voor Stem Cell en Regenerative Medicine, evenals de Washington Nanofabrication Facility aan de Universiteit van Washington. Ze hebben ook de financiële steun van de National Institute of Health erkennen verleent DP2DK102258 (tot YZ) en training geeft T32EB001650 (tot SSK en MAR) en T32HL007312 (MAR).

Materials

Wafer Fabrication
AutoGlow Plasma System AutoGlow
Headway Spin Coater Headway Research, Inc  PWM32 Spin Coater 
ABM Contact Aligner AB-M
Alpha Step Profilometer Tencor Alpha Step 200
SU-8 Developer Microchem Y020100
SU-8 Resist Microchem SU-8 2000
8" silicon wafer Wafer World Inc.
Tabletop Micro Pattern Generator Heidelberg Instruments μPG 101 For generation of photomask
Hot plate VWR 97042-646
Ispropyl alcohol Avantor Performance Materials 9088
Petri dishes (120 x 120 mm, square) Sigma-Aldrich Z617679
Trichloro(3,3,3-trifluoropropyl)silane Sigma-Aldrich MKBG3805V
Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer base and curing agent Dow Corning Sylgard 184 Mixed at 10:1 (w/w)
Vacuum desiccator Sigma-Aldrich Z119024-1EA
Oven VWR 9120976
Device Fabrication and Culture
poly(methyl methacrylate) (PMMA) Plexiglas
Corona Treater Electro-Technic Products, Inc. BD-20 Handheld device for plasma treatment of PMMA devices and PDMS molds
Soldering Iron Weller  WTCPS
Stainless Steel Truss Head Slotted Machine Screw McMaster-Carr  91785A096
Stainless steel dowel pins McMaster-Carr  93600A060
Tweezers  Miltex 24-572 Any similar tweezers may be used
Spatula (Micro Spoon) Electron Microscopy Services 62410-01
Screw driver Any flat head screwdriver may be used, autoclaved
Glass coverslips (22 x 22 mm) Fisher Scientific 12-542B
Bleach Clorox 4460030966
Petri dishes (150 X 25mm) Corning 430599
Petri dishes (100 X 20 mm) Corning 2909
Cotton, cut into 1 cm x 3 cm pieces Autoclaved
Polyethyleneimine (PEI) Sigma-Aldrich P3143 Dilute to 1% in cell culture grade water
Glutaraldehyde Sigma-Aldrich G6257 Dilute to 0.1% in cell culture grade water
Sterile H2O Autoclaved DI H2O
Type I collagen, dissolved in 0.1% acetic acid Isolated from rat tails as described in Rajan et. al. 2006 (ref #37)
1 mL syringe BD 309659
10 mL syringe BD 309604
15 mL conical tubes Corning 352097
30 mL conical tubes Corning 352098
M199 10X Media  Life Technologies 11825-015
1N NaOH (sterile) Sigma-Aldrich 415413 Dilute to 1N in cell culture grade water
HUVECs  Lonza
Endothelial growth media Lonza CC-3124
Trypsin Corning 25-052-CI
Fetal bovine serum (FBS) Thermofisher Scientific 10082147
Dextran from Leuconostoc spp. (70kDa) Sigma-Aldrich 31390
Phosphate Buffered Saline (PBS) Corning 21-031-CV
Hemocytometer Hausser Scientific Co. 3200
Gel loading tips VWR 37001-152
18G Blunt Fill Needle BD  305180
20G Stainless Steel Dispensing Needle McMaster-Carr 75165A123
Tygon 1/32” ID, 3/32" OD Silicon Tubing Cole-Parmer EW-95702-00
1/16" Tube-to-tube Coupling McMaster-Carr 5116K165
90° Elbow Connectors, Tube-to-Tube McMaster-Carr 5121K901
Luer Lock Coupling (Female, 1/16" ID) McMaster-Carr 51525K211
Plastic Forceps, with Jaw Grips Electron Microscopy Services 72971
Dual Syringe Pump Harvard Apparatus 70-4505
5 mL Polystyrene Round-bottom tube Fisher Scientific 14-959-2A
Device Analysis
Formaldehyde Sigma-Aldrich F8775
Bovine Serum Albumin Sigma-Aldrich A8806-5G
Triton X-100 Sigma-Aldrich T-9284
Rabbit anti-hCD31 Abcam ab32457 1:25 working dilution
FITC conjugated anti-von Willebrand Factor antibody Abcam ab8822 1:100 working dilution
Goat anti-rabbit 568 secondary antibody Thermofisher Scientific A-11011 1:100 working dilution
Hoescht Thermofisher Scientific H1399 Resuspended in DMSO
Sodium cacodylate  Sigma-Aldrich C0250 To make 0.2M cacodylate buffer
Ethanol VWR International BDH1164-4LP
40kDa FITC-conjugated Dextran Sigma-Aldrich FD40S 
Additional Culture Reagents 
CHIR-99021 Selleck Chem S2924 Small molecule GSK-3 inhibitor
Human recombinant VEGF Peprotech 100-20
Human recombinant bFGF Peprotech AF-100-18B

References

  1. Rubanyi, G. M. The role of endothelium in cardiovascular homeostasis and diseases. J. Cardiovasc. Pharmacol. 22, 37-44 (1993).
  2. van Hinsbergh, V. W. The endothelium: vascular control of haemostasis. Eur. J. Obstet. Gynecol. Reprod. Biol. 95 (2), 198-201 (2001).
  3. Chiu, J. -. J., Chien, S. Effects of Disturbed Flow on Vascular Endothelium: Pathophysiological Basis and Clinical Perspectives. Physiol. Rev. 91, 327-387 (2011).
  4. Qi, Y., Jiang, J., et al. PDGF-BB and TGB-b1 on cross-talk between endothelial and smooth muscle cells in vascular remodeling induced by low shear stress. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 1908-1913 (2011).
  5. Sozzani, S., Del Prete, A., Bonecchi, R., Locati, M. Chemokines as effector and target molecules in vascular biology. Cardiovasc. Res. 107 (3), 364-372 (2015).
  6. Huh, D., Hamilton, G. A., Ingber, D. E. From 3D cell culture to organs-on-chips. Trends Cell Biol. 21 (12), 745-754 (2011).
  7. Staton, C. a., Reed, M. W. R., Brown, N. J. A critical analysis of current in vitro and in vivo angiogenesis assays. Int. J. Exp. Pathol. 90, 195-221 (2009).
  8. Greek, R., Menache, A. Systematic Reviews of Animal Models: Methodology versus Epistemology. Int. J. Med. Sci. 10, 206-221 (2013).
  9. van der Worp, H. B., Howells, D. W., et al. Can Animal Models of Disease Reliably Inform Human Studies. PLoS Med. 7 (3), e1000245 (2010).
  10. Leong, X. -. F., Ng, C. -. Y., Jaarin, K. Animal Models in Cardiovascular Research: Hypertension and Atherosclerosis. Biomed Res. Int. 2015, 528757 (2015).
  11. Pries, A. R., Secomb, T. W. Making Microvascular Networks Work: Angiogenesis, Remodeling, and Pruning. Physiology. 29, 446-455 (2014).
  12. D’Amore, P. Mechanisms Of Angiogenesis. Annu. Rev. Physiol. 49, 453-464 (1987).
  13. Geudens, I., Gerhardt, H. Coordinating cell behaviour during blood vessel formation. Development. 138, 4569-4583 (2011).
  14. Ribatti, D., Nico, B., Crivellato, E. The development of the vascular system: a historical overview. Methods Mol. Biol. 1214, 1-14 (2015).
  15. Ribatti, D., Nico, B., Crivellato, E. Morphological and molecular aspects of physiological vascular morphogenesis. Angiogenesis. 12 (2), 101-111 (2009).
  16. Bautch, V. L. VEGF-directed blood vessel patterning: From cells to organism. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2 (9), 1-12 (2012).
  17. Stratman, A. N., Schwindt, A. E., Malotte, K. M., Davis, G. E. Endothelial-derived PDGF-BB and HB-EGF coordinately regulate pericyte recruitment during vasculogenic tube assembly and stabilization. Blood. 116, 4720-4730 (2010).
  18. Bach, T. L., Barsigian, C., et al. VE-Cadherin mediates endothelial cell capillary tube formation in fibrin and collagen gels. Exp. Cell Res. 238 (238), 324-334 (1998).
  19. Kubow, K. E., Conrad, S. K., Horwitz, a. R. Matrix microarchitecture and myosin II determine adhesion in 3D matrices. Curr. Biol. 23 (17), 1607-1619 (2013).
  20. Potapova, I. A., Gaudette, G. R., et al. Mesenchymal Stem Cells Support Migration, Extracellular Matrix Invasion, Proliferation, and Survival of Endothelial Cells In Vitro. Stem Cells. 25 (7), 1761-1768 (2007).
  21. Bayless, K. J., Davis, G. E. Sphingosine-1-phosphate markedly induces matrix metalloproteinase and integrin-dependent human endothelial cell invasion and lumen formation in three-dimensional collagen and fibrin matrices. Biochem. Biophys. Res. Commun. 312 (4), 903-913 (2003).
  22. Hellström, M., Gerhardt, H., et al. Lack of pericytes leads to endothelial hyperplasia and abnormal vascular morphogenesis. J. Cell Biol. 152 (3), 543-553 (2001).
  23. Tulloch, N. L., Muskheli, V., et al. Growth of Engineered Human Myocardium With Mechanical Loading and Vascular Coculture. Circ. Res. 109, 47-59 (2011).
  24. Davis, G. E., Saunders, W. B. Molecular balance of capillary tube formation versus regression in wound repair: role of matrix metalloproteinases and their inhibitors. J. Investig. dermatology Symp. 11 (1), 44-56 (2006).
  25. Kannan, R. Y., Salacinski, H. J., Butler, P. E., Hamilton, G., Seifalian, A. M. Current status of prosthetic bypass grafts: a review. J. Biomed. Mater. Res. B. Appl. Biomater. 74, 570-581 (2005).
  26. Nerem, R. M., Seliktar, D. Vascular Tissue Engineering. Annu. Rev. Biomed. Eng. 3 (1), 225-243 (2001).
  27. Melchiorri, A. J., Hibino, N., Fisher, J. P. Strategies and techniques to enhance the in situ endothelialization of small-diameter biodegradable polymeric vascular grafts. Tissue Eng. Part B. Rev. 19 (4), 292-307 (2013).
  28. Abbott, W. M., Callow, A., Moore, W., Rutherford, R., Veith, F., Weinberg, S. Evaluation and performance standards for arterial prostheses. J. Vasc. Surg. 17 (4), 746-756 (1993).
  29. Niklason, L. E. Functional Arteries Grown in Vitro. Science. 284 (5413), 489-493 (1999).
  30. Niklason, L., Counter, C. Blood vessels engineered from human cells – Authors’ reply. Lancet. 366 (9489), 892-893 (2005).
  31. Zheng, Y., Chen, J., et al. In vitro microvessels for the study of angiogenesis and thrombosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109, 9342-9347 (2012).
  32. Zheng, Y., Chen, J., Lòpez, J. A. Flow-driven assembly of VWF fibres and webs in in vitro microvessels. Nat. Commun. 6, 7858 (2015).
  33. Ligresti, G., Nagao, R. J., et al. A Novel Three-Dimensional Human Peritubular Microvascular System. J. Am. Soc. Nephrol. 27, (2015).
  34. Roberts, M. A., Tran, D., et al. Stromal cells in dense collagen promote cardiomyocyte and microvascular patterning in engineered human heart tissue. Tissue Eng. Part A. , (2016).
  35. Qin, D., Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft lithography for micro- and nanoscale patterning. Nat. Protoc. 5 (3), 491-502 (2010).
  36. . Alpha-Step 200 Manual. Tencor Instruments. , (1989).
  37. Rajan, N., Habermehl, J., Coté, M. -. F., Doillon, C. J., Mantovani, D. Preparation of ready-to-use, storable and reconstituted type I collagen from rat tail tendon for tissue engineering applications. Nat. Protoc. 1 (6), 2753-2758 (2006).
  38. Baudin, B., Bruneel, A., Bosselut, N., Vaubourdolle, M. A protocol for isolation and culture of human umbilical vein endothelial cells. Nat. Protoc. 2 (3), 481-485 (2007).
  39. Leung, A. D., Wong, K. H. K., Tien, J. Plasma expanders stabilize human microvessels in microfluidic scaffolds. J. Biomed. Mater. Res. – Part A. 100 (7), 1815-1822 (2012).
  40. . Tousimis SAMDRI-780 Critical Point Drying Apparatus. Tousimis Research Corporation. , (1987).
  41. Palpant, N. J., Pabon, L., et al. Inhibition of β-catenin signaling respecifies anterior-like endothelium into beating human cardiomyocytes. Development. 142 (18), 3198-3209 (2015).
  42. Gimbrone, M. a., Topper, J. N., Nagel, T., Anderson, K. R., Garcia-Cardena, G. Endothelial Dysfunction, Hemodynamic Forces, and Atherogenesis. Thromb. Haemost. 82, 722-726 (1999).
  43. Wu, M. H., Ustinova, E., Granger, H. J. Integrin binding to fibronectin and vitronectin maintains the barrier function of isolated porcine coronary venules. J. Physiol. 532 (3), 785-791 (2001).
  44. Ribatti, D., Nico, B., Vacca, A., Roncali, L., Dammacco, F. Endothelial cell heterogeneity and organ specificity. J. Hematother. Stem Cell Res. 11, 81-90 (2002).
  45. Shanks, N., Greek, R., Greek, J. Are animal models predictive for humans. Philos. Ethics. Humanit. Med. 4, 2 (2009).

Play Video

Cite This Article
Roberts, M. A., Kotha, S. S., Phong, K. T., Zheng, Y. Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels. J. Vis. Exp. (115), e54457, doi:10.3791/54457 (2016).

View Video