Этот протокол описывает использование макромолекулярной скученности для создания в пробирке человеческой гипертрофической модели рубцовой ткани, которая напоминает условия in vivo. При выращивании в переполненной макромолекулярной среде фибробласты кожи человека демонстрируют фенотипы, биохимию, физиологию и функциональные характеристики, напоминающие рубцовую ткань.
Было показано, что ткани in vivo очень переполнены белками, нуклеиновыми кислотами, рибонуклеопротеитами, полисахаридами и т.д. Следующий протокол применяет макромолекулярную методика скученности (MMC), чтобы имитировать эту физиологическую скученность через добавление нейтральных полимеров (краудеров) к клеточным культурам in vitro. Предыдущие исследования с использованием Ficoll или dextran в качестве краудтеров показывают, что выражение коллагена I и фибронектина в линиях клеток WI38 и WS-1 значительно усиливается с помощью метода MMC. Тем не менее, этот метод не был проверен в первичных гипертрофических рубцов полученных человеческих фибробластов кожи (hHSFs). Как гипертрофические рубцы возникает из-за чрезмерного осаждения коллагена, этот протокол направлен на создание коллагена богатых в пробирке гипертрофической модели рубца, применяя технику MMC с hHSFs. Эта оптимизированная модель MMC, как было показано, обладает большим сходством с рубцовой тканью in vivo по сравнению с традиционными 2-мерными (2-D) системами клеточной культуры. Кроме того, это экономически эффективным, экономичным и этически желательным по сравнению с животными моделями. Таким образом, оптимизированная модель сообщила здесь предлагает передовые “виво-как” модель для гипертрофических рубцов, связанных исследований.
Рубцовая ткань представляет собой конечную точку восстановления тканей. Тем не менее, у многих людей, особенно тех, кто страдает от ожогов или травм1, рубцы могут быть чрезмерными и налагать нежелательное воздействие на морфологию и функционирование исцелил кожи. Хотя точные механизмы патологических (гипертрофические рубцы и келоиды) образование рубцов не до конца изучены, чрезмерное осаждение коллагена во время заживления ран было продемонстрировано, чтобы быть существенным вкладом2.
Хорошо известно, что преобразование фактора роста бета 1 (TGF-No1) и альфа-гладкий мышечный актин (ЗСМА) играют ключевую роль в формировании гипертрофированного рубцов. Фактические данные свидетельствуют о том, что повышенный TGF-No1 непосредственно стимулирует чрезмерное осаждение коллагена через регулирование сигнального пути SMAD3. Кроме того, было установлено, что ЗСМА способствует гипертрофическому образованию рубцов, регулируя сокращение клеток и репиттелилиализацию в процессе заживления ран4. Отсутствие подходящих моделей in vitro и in vivo является основным препятствием на пути разработки и оценки мероприятий и методов лечения рубцов. Цель этого исследования заключается в использовании существующей техники MMC для создания “виво-как” гипертрофические рубцовая модель, которая подходит для оценки новых и возникающих рубцов, связанных с вмешательствами.
Воспроизводство живой ткани вне тела было целью в течение многих лет в научном сообществе. Развитие методов in vitro в начале ХХ века частично достигло этой цели. Текущие методы in vitro слегка эволюционировали от первоначальной демонстрации Ру, что эмбриональные клетки могут выжить ex vivo в течение нескольких дней в теплом сольнике5. Тем не менее, методологии in vitro в основном ограничиваются одноклеточными типами, культивируемыми в 2-D, и не точно переизглажают ткани in vivo. Хотя полезно для изучения биохимии клеток, физиологии и генетики, родные ткани 3-D и включают несколько типов клеток. Простые 2-D системы in vitro подвергают клетки млекопитающих высокоискусственной среде, в которой родная ткань-специфическая архитектура теряется6. В свою очередь, это влияет на внутриклеточные и внеклеточные события, в результате чего аномальные морфологии клеток, физиологии и поведения7.
Интерес к этому протоколу лежит в разработке и клиническом ведении гипертрофированными рубцов и келоидов. Хотя хорошо установлено, что дермальные фибробласты в значительной степени ответственны за обильное производство коллагенов, присутствующих в рубцовой ткани, культивирование кожных фибробластов с использованием 2-D в пробирке систем не может воспроизвести оборот коллагена наблюдается в vivo8. Современные методы in vitro по-прежнему по существу используют “теплый солин”, среду, полностью отличающаяся от среды в живых тканях. Ткани in vivo чрезвычайно переполнены, с белками, нуклеиновыми кислотами, рибонуклеопротеитами и полисахаридами, занимающими 5%-40% от общего объема. Поскольку ни одна из двух молекул не может занимать одно и то же пространство одновременно, свободного пространства мало и почти полное отсутствие свободной воды9.
Метод MMC налагает ограничения, влияющие на термодинамические свойства цитозола и интерстициальных жидкостей. Молекулярные взаимодействия, рецептор-лиганд сигнальные комплексы, ферменты и органеллы ограничены и ограничены от свободного взаимодействия9. Взаимодействия в периклеарной среде (т.е. интерститиум) также ограничены. Последние данные подтверждают, что высокие концентрации инертных макромолекулов в переполненных растворах возмущения диффузии, физической ассоциации, вязкости и гидродинамических свойств10.
Интересно, что несколько популярных агентов скученности (нат., Ficoll, dextran, polyvinylpyrrolidone »PVP» и натрий 4-styrenesulfonate »PSS») не эквивалентны при применении к различным типам клеток и в различных условиях. В одном предыдущем исследовании, Фиколл, как сообщается, менее цитотоксических для мезенхимальных стволовых клеток по сравнению с PVP. Эти результаты были интерпретированы как следствие его нейтрального заряда и относительно небольшого гидродинамического радиуса11. В отличие от этого, второе исследование показало, что декектин является более эффективным в стимулировании коллагена Я осаждения человека фибробластов легких по сравнению с Ficoll12. Данные нашего собственного исследования показывают, что Фиколл усиливает осаждение коллагена гипертрофированными рубцовами фибробластов, в то время как PVP является токсичным для этих клеток13.
Было продемонстрировано, что преобразование проколлагена в коллаген быстрее в очень переполненном in vivo окружающей среды14, в то время как скорость биологических реакций задерживается в разбавленной 2-D культуры системы15. Мы оптимизировали протокол in vitro здесь, включая MMC, чтобы показать выращивание кожных фибробластов, служащих в качестве более “виво-подобной” модели дермального фиброза и образования рубцов. В отличие от общей 2-D культуры системы, культивирование hHSFs с MMC стимулирует биосинтез и осаждение коллагена значительно13. Примечательно, что в этом оптимизированном протоколе MMC13проявляются и другие характеристики фиброза (т.е. повышенная экспрессия матричных металлопротеиназ и провоспалительных цитокинов). При выращивании с помощью этого метода, показано, что дермальные клетки резюмируют физиологические, биохимические и функциональные параметры, измеренные в vivo.
Оптимизированный протокол MMC in vitro был использован для оценки экспрессии коллагена и других белков ECM дермическими фибробластами, изолированными от гипертрофических рубцовой дермы и невовлеченной смежной дермы. При выращивании в средах MMC in vitro было отмечено, что hHSFs выражают определенные характеристики (т.е. мРНК, биохимия, физиология и фенотип), похожие на дермальные гипертрофические рубцовые ткани in vivo. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что физические и химические свойства являются важными соображениями при выборе сеулеров и оптимизации условий MMC для выращивания в пробирке.
Для доказательства принципа здесь применяется протокол MMC для качественной и количественной оценки способности Шиконина и его аналогов вызывать апоптоз. Это позволяет оценить потенциальные применения этих естественно полученных традиционной китайской медицины (TCM) соединений для управления кожные рубцы13. Несмотря на это, простота, рентабельность и своевременность этого протокола in vitro MMC также удовлетворяет недавние правила по ликвидации экспериментов на млекопитающих директивой ЕС 2010/63/EU и Агентством по охране окружающей среды США (EPA).
Этот протокол направлен на оптимизацию и аутентификации улучшенной модели in-scar-in-a-jar для человеческой кожной рубцовой ткани. Предыдущие исследования сообщили о применении метода MMC для человека фибробластов легких12, человеческий костный мозг мезенхимальных стволовых кле…
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана финансированием из Сингапура Агентство по науке, технологиям и исследованиям “SPF 2013/004: Биология кожи Основные исследования” и “Wound Care Инновации для тропиков” IAF-PP/2017 (HBMS) H17/01/a0/009. Авторы с благодарностью признают советы и помощь д-ра Паулы Бенни и д-ра Майкла Рагхунатха.
0.2 μm filter | Sartorius | 16534 | |
2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250 | |
4’,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Thermo Fisher Scientific | P36962 | |
Alexa Fluor 680 | Thermo Fisher Scientific | A-21076 | |
Alexa Fluor 800 | Thermo Fisher Scientific | A-11371 | |
alpha smooth muscle actin (αSMA) primary antibody | Abcam | ab5694 | |
Applied Biosystems 7500 Fast Real-Time PCR System (thermal cycler ) | Thermo Fisher Scientific | 4351106 | |
Ascorbic acid | Wako | #013-12061 | |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | #A2153 | |
Bradford protein assay | Bio-Rad | 500-0006 | |
Collagen I primary antibody (for immunostaining) | Abcam | 6308 | |
Collagen I primary antibody (for western blot) | Abcam | ab21286 | |
Collagen III primary antibody | Abcam | ab7778 | |
Collagen IV primary antibody | Abcam | ab6586 | |
Direct Red 80 | Sigma-Aldrich | 2610108 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Life Technologies | 11996-065 | |
Fetal calf serum (FCS) | Life Technologies | 6000-044 | |
Ficoll 400 | GE HealthCare | #17-0300-10 | |
Ficoll 70 | GE HealthCare | #17-0310-10 | |
GAPDH primary antibody | Sigma-Aldrich | G8795 | |
Goat Anti-Rabbit secondary antibody | Abcam | ab97050 | |
Human hypertrophic scar/normal fibroblasts (hHSF/hNSF) | Cell Research Corporation | 106, 107, 108 | |
iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad | #1708890 | |
MMP-1 primary antibody | Abcam | ab38929 | |
MMP-13 primary antibody | Abcam | ab39012 | |
MMP-2 primary antibody | Abcam | ab37150 | |
MMP-9 primary antibody | Abcam | ab38898 | |
NanoDrop Microvolume Spectrophotometers | Thermo Fisher Scientific | N/A | |
Nitrocellulose membrane | Bio-Rad | 10484060 | |
NuPAGE 4-12% Bis-Tris Protein Gels | Thermo Fisher Scientific | NP0321BOX | |
Odyssey blocking buffer | LI-COR Biosciences | 927–40000 | |
Odyssey Fc Imaging System | LI-COR Biosciences | N/A | |
Olympus IX-81 HCS microscope (for immunostaining) | Olympus | N/A | |
Penicillin/streptomycin solution (P/S) | Life Technologies | 15140-122 | |
PrimePCR Assays | Bio-Rad | Customized primers pre-coated in 96-well plates based on requirement | |
Protease inhibitor cocktail (PIC) | Sigma-Aldrich | 11697498001 | |
PVP 360 | Sigma | #PVP360 | |
PVP 40 | Sigma | #PVP40 | |
RIPA buffer | Merck | R0278 | |
RNeasy Plus Mini Kit | QIAGEN | #74134 | |
Sodium vanadate | Sigma-Aldrich | 450022 | |
Sodium vanadate | Sigma-Aldrich | 450243 | |
SpectraMax M5 Multi-Mode microplate reader | Molecular Devices | N/A | |
SsoAdvanced universal SYBR green supermix | Bio-Rad | #172-5270 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P9416 |