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Bioengineering

Fabrication d’une nanomatrice biomimétique avec nanotubes de base Janus et fibronectine pour l’adhérence aux cellules souches

Published: May 10, 2020 doi: 10.3791/61317

Summary

L’objectif de ce protocole est de montrer l’assemblage d’une nanomatrix biomimétique (NM) avec des nanotubes de base Janus (JBNTs) et de la fibronectine (FN). Lorsqu’ils sont co-cultivés avec des cellules souches mésenchymales humaines (HMSCs), les MR présentent une excellente bioactivité en encourageant l’adhérence hMSCs.

Abstract

Un NM biomimétique a été développé pour servir d’échafaudage biologique d’ingénierie tissulaire, qui peut améliorer l’ancrage des cellules souches. Le NM biomimétique est formé à partir de JBNTs et FN par auto-assemblage dans une solution aqueuse. Les JBNT mesurent de 200 à 300 μm de longueur avec des canaux creux hydrophobes intérieurs et des surfaces hydrophiliques extérieures. Les JBNT sont facturés positivement et les NF sont facturés négativement. Par conséquent, lorsqu’ils sont injectés dans une solution aqueuse neutre, ils sont collés entre eux par liaison non rentable pour former les faisceaux NM. Le processus d’auto-assemblage est terminé en quelques secondes sans aucun initiateur chimique, source de chaleur ou lumière UV. Lorsque le pH de la solution NM est inférieur au point isoélectrique des FN (pI 5.5-6.0), les faisceaux NM s’auto-libèrent en raison de la présence d’un FN chargé positivement.

NM est connu pour imiter la matrice extracellulaire (ECM) morphologiquement et, par conséquent, peut être utilisé comme un échafaudage injectable, qui fournit une excellente plate-forme pour améliorer l’adhérence hMSC. L’analyse de la densité cellulaire et les expériences d’imagerie par fluorescence ont indiqué que les MR augmentaient considérablement l’ancrage des HMC par rapport au contrôle négatif.

Introduction

Les cellules souches mésenchymales humaines (HMSCs) ont montré le potentiel d’auto-renouvellement et d’auto-différenciation le long de différentes lignées mésenchymales, ce qui contribue à la régénération et à l’entretien destissus 1. Basé sur le potentiel de différenciation, hMSCs sont considérés comme candidats pour des dommages mésenchymal de tissu et thérapie hématopoieticde désordre 2. HMSCs ont montré la capacité de favoriser la guérison des plaies en augmentant la réparation des tissus, l’angiogenèse, et la réduction de l’inflammation3. Toutefois, sans l’aide biochimique ou biomatériaux, l’efficacité pour les HMC d’atteindre un tissu cible et de fonctionner à l’endroit désiré est faible4. Bien que divers échafaudages d’ingénierie aient été utilisés pour attirer les HMSC à adhérer aux lésions, certains sites tels que la rupture de plaque de croissance, au milieu d’un os long, ne sont pas facilement accessibles par les échafaudages préfabriqués conventionnels, qui peuvent ne pas s’adapter parfaitement dans un emplacement blessé irrégulièrement formé.

Ici, nous avons développé un nanomatériau biomimétique qui peut s’auto-assembler in situ et être injecté dans une zone cible difficile à atteindre. Le bio-échafaudage injectable NM est composé de nanotubes de base Janus (JBNTs) et de fibronectine (FN). JBNTs, également connu sous le nom nanotubes rosette (RNTs), sont dérivés de paires de base d’ADN, en particulier la thymine et l’adénine,ici 5,6,7. Comme on le voit dans la figure 1, les nanotubes sont formés lorsque six molécules des paires de base d’ADN dérivées s’auto-assemblent par liaisons hydrogène pour former unplan 6. Six molécules sont ensuite empilées les unes sur les autres dans un plan via une forte interaction pi-empilage7, qui peut être jusqu’à 200-300 μm de longueur. Les JBNTs sont conçus pour imiter morphologiquement les fibres de collagène afin que FN réagisse avec eux.

Le FN est une glycoprotéine adhésive à poids moléculaire élevé, que l’on retrouve dans la matrice extracellulaire (ECM)9. Ceux-ci peuvent jouer un rôle de médiateur dans l’attachement des cellules souches à d’autres composants de l’ECM, en particulier lecollagène 10. Nous avons conçu des JBNTs pour imiter morphologiquement les fibres de collagène afin que FN puisse réagir avec eux pour former NM en quelques secondes par liaison noncovalente. Par conséquent, NM est un bio-échafaudage prometteur à injecter dans un site de fracture osseuse qui ne pouvait pas être accessible par les échafaudages fabriqués de façon conventionnelle. Ici, le NM injectable présente une excellente capacité à améliorer l’ancrage hMSC in vitro, présentant leur potentiel à servir d’échafaudage pour la régénération des tissus.

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Protocol

1. Synthèse des JBNT

REMARQUE : Le monomère JBNT a été préparé tel qu’il a étépublié précédemment 11.

  1. Synthèse du composé A1
    1. Préparer une solution contenant 8,50 g d’acide 2-cyanoacétique et 9,80 g d’éthylcarbamate dans 25 mL de toluène et 2,5 mL de N, N-diméthylformamide. Ajouter 4,90 mL de chlorure de phosphoryl dans le sens de la goutte. Chauffer ensuite le mélange à 70 °C et continuer à remuer pendant 1,5 h.
    2. Refroidir le mélange de réaction à température ambiante et verser 100 g d’eau glacée. Extraire la couche aqueuse avec de l’acétate éthylique (3 x 250 mL) et laver avec 100 mL de saumure. Séchez la couche organique sur du sulfate de sodium anhydre, filtrez et évaporez les substances volatiles sous vide pour obtenir un solide jaune pâle.
    3. Soumettez le solide jaune à la chromatographie de colonne flash de gel de silice (3% méthanol/dichloromethane) pour produire 15.61 g de composé A1 comme poudre blanche.
  2. Synthèse du composé A2
    1. Mélanger 3,12 g de composé A1 et 2,75 g de carbonate de potassium dans 50 mL de N, N-diméthylformamide. Remuer à température ambiante pendant 2 h.
    2. Ajouter 2,6 mL de disulfide de carbone à la suspension de réaction. Continuer à remuer pendant 4 h.
    3. Ajouter l’éthanol absolu au mélange de réaction à 0 °C. Filtrer le jaune et laver avec de l’éther de déthyle. Sécher sous vide pendant la nuit pour produire 6,18 g de composé A2 comme solide jaune pâle.
  3. Synthèse du composé A3
    1. Ajouter 2,7 mL d’iodure de méthyle dans 15 mL d’acétyltrile. En outre, préparer séparément une solution de composé A2 en ajoutant 6,18 g d’A2 à 80 mL d’eau / acétyltrile (7:3 ratio). Mélanger les deux solutions et remuer à température ambiante pendant 30 min.
    2. Chauffer le mélange de réaction à 95 °C et continuer à remuer pendant 3 h.
    3. Refroidir le mélange de réaction à température ambiante, puis évaporer les substances volatiles sous vide.
    4. Extraire les résidus 3x avec 100 mL d’acétate d’éthyle et laver avec de la saumure. Séchez la couche organique sur du sulfate de sodium anhydre, filtrez et évaporez les substances volatiles sous vide pour obtenir un solide jaune.
    5. Soumettez le solide jaune à la chromatographie de colonne flash de gel de silice (30% acétate d’éthyle/hexanes) pour donner 4.52 g du composé A3 comme solide jaune clair.
  4. Synthèse du composé A4
    1. Préparer la solution d’allylamine en ajoutant 925 μL d’allylamine dans 20 mL d’éthanol. Ajoutez cette solution dropwise à la solution du composé A3, préparé en ajoutant 3,14 g d’A3 dans 75 mL d’éthanol absolu, plus de 30 min. Ensuite, chauffer le mélange de réaction au reflux pendant 16 h.
    2. Refroidir le mélange de réaction à température ambiante et évaporer les substances volatiles pour donner un solide jaune.
    3. Soumettez le solide jaune à la chromatographie de colonne flash de gel de silice (50% acétate d’éthyle/hexanes à 2% méthanol/dichloromethane) pour produire 1,80 g d’A4 composé comme cristal blanc.
  5. Synthèse du composé A5
    1. Ajouter 2,05 g d’hydrochlorure de guanidinium et 7,8 mL d’éthoxide de sodium (21 wt % en éthanol) dans 14 mL d’éthanol absolu. Chauffer le mélange à 45 °C pendant 15 min.
    2. Filtrer le matériau insoluble et ajouter le filtrate directement dans la solution du composé A4, préparé en ajoutant 2,70 g d’A4 dans 40 mL d’éthanol absolu. Chauffer le mélange de réaction au reflux pendant 16 h.
    3. Filtrer le précipité pour obtenir 2,65 g de composé A5 comme un solide blanc éteint.
  6. Synthèse du composé A6
    1. Ajouter 24,9 mL de triethylamine lentement au mélange de boue obtenu en ajoutant 2,11 g de composé A5 et 1,10 g de 4-Dimethylaminopyridine dans 120 mL de tétrahydrofuran sur 1 min. Remuer à température ambiante pendant 2 min.
    2. Ajouter 20,7 mL de di-tert-butyl dicarbonate dropwise au mélange de réaction et continuer à remuer à température ambiante pendant 40 h.
    3. Ajouter 20 mL d’eau pour étancher la réaction. Évaporer les volatiles sous vide.
    4. Extraire les résidus visqueux rouges avec 500 mL d’acétate d’éthyle. Ensuite, lavez-le avec 250 mL d’eau, 75 mL d’acide citrique à 10 %, 2x avec 200 mL d’eau, 200 mL de bicarbonate de sodium saturé et 200 mL de saumure. Séchez la couche organique sur du sulfate de sodium anhydre, filtrez et évaporez les substances volatiles sous vide pour donner un solide rouge/orange.
    5. Soumettez la chromatographie de colonne flash de gel de silice (0-20% acétate d’éthyle/hexanes) pour produire 3.87 g de composé A6 comme mousse blanche.
  7. Synthèse du composé A7
    1. Ajouter l’oxyde N-méthylmorpholine N (50 wt.% dans l’eau, 1,64 mL) dans le sens de la goutte à la solution du composé A6 (2,93 g) dans l’acétone/eau (8:1, 58,5 mL) et remuer à température ambiante pendant 5 min.
    2. Ajouter le tétraoxyde d’osmium (solution 4% aqueuse) dans le sens de la goutte au mélange sur une période de 3 min et continuer à remuer à température ambiante pendant 24 h.
    3. Étanchez la réaction avec du sulfite de sodium aqueux de 1,0 M jusqu’à ce que la solution devient incolore. Retirer les substances volatiles sous vide pour obtenir une boue blanche dans l’eau. Extraire les résidus avec 350 mL de dichloromethane, puis laver avec 150 mL d’eau suivie d’un lavage avec 150 mL de saumure.
    4. Séchez la couche organique sur du sulfate de sodium anhydre, filtrez et évaporez les substances volatiles sous vide pour produire 2,45 g de composé A7 comme solide blanc.
  8. Synthèse du composé A8
    1. Ajouter 760 g de paréide de sodium au mélange de 1,36 g de composé A7 dans 35 mL de dichlorométhane/eau (6:1, 35 mL) et remuer à température ambiante pendant 42 h.
    2. Filtrer le matériau insoluble et concentrer le filtrate sous vide. Extraire les résidus qui en résultent avec 250 mL de dichloromethane, puis laver avec 100 mL d’eau et 100 mL de saumure. Séchez la couche organique sur le sulfate de sodium anhydre, filtrez et évaporez les substances volatiles sous vide pour donner au produit brut.
    3. Soumettez le produit brut à la chromatographie de colonne flash de gel de silice (5-40% acétate d’éthyle/hexanes, puis 5% méthanol/dichloromethane) pour produire 1.08 g de composé A8.
  9. Synthèse du composé A9
    1. Préparer une solution de 830 mg de composé A8 dans 15 mL de 1,2-dichloroéthane. Ajouter la solution de dropwise au mélange de 6-benzyloxycarbonylamino-2-L-amino-hexanoic acide trimethylsilyl ethyl ester (649,5 mg) et N,N-diisopropylethylamine (591 μL) en 24 mL de 1,2-dichloroéthane sur 3 min et remuer à température ambiante pendant 15 min.
    2. Ajouter 360,3 mg de triacetoxyborohydride de sodium à la solution et continuer à remuer à température ambiante pendant 24 h.
    3. Étancher le mélange de réaction avec 6 mL d’eau. Extraire le mélange de réaction 3x avec 200 mL de dichloromethane et laver avec 200 mL d’acide citrique à 10% dans l’eau, 2x avec 200 mL d’eau, 200 mL de bicarbonate de sodium saturé, et 200 mL de saumure dans cet ordre. Séchez la couche organique sur du sulfate de sodium anhydre, filtrez et évaporez les substances volatiles sous vide pour obtenir le produit brut.
    4. Soumettez le produit brut à la chromatographie de colonne flash de gel de silice (5-30% acétate d’éthyle/hexanes) pour produire 885 mg composé A9.
  10. Synthèse du monomère JBNT
    1. Dissoudre 0,54 g de composé A9 (0,54 g) dans 10 mL de solution d’acide trifluoroacétique/thioanisole à 94 % et remuer à température ambiante pendant 72 h.
    2. Ajouter l’éther de déthyle (80 mL) au mélange de réaction et centrifugeuser le précipité vers le bas. Verser l’acide trifluoroacétique clair contenant du supernatant et laver le précipité blanc avec de l’éther de diéthyle et du méthanol pour produire 168,6 mg brut de monomère JBNT(Dossier supplémentaire 1).
    3. Purifiez le monomère brut JBNT par une chromatographie liquide haute performance (HPLC) avec une colonne de phase inverse. Le programme d’isolement est énuméré ci-dessous : Solvant A : 100 % eau; solvant B: 100% acétyltrile; solvant C : solution d’eau pH=1 HCl; débit : 3 mL/min (voir le tableau 1).
    4. Recueillir le plus grand pic à environ 7,2 min.

2. Fabrication pour JBNT/FN

  1. Ajouter 80 μL de solution aqueuse JBNT de 1 mg/mL à 40 μL de solution aqueuse FN de 1 mg/mL et pipette à plusieurs reprises.
  2. Vérifiez la présence d’une suspension solide blanche après le pipetage pendant environ 10 s.
    REMARQUE : Une vidéo a été tournée pour capturer le processus d’auto-assemblage de NM (Fichier supplémentaire 2).

3. Observation de spécimens lyophilisés

REMARQUE : Cette étape est effectuée pour montrer la structure de l’échafaudage de NM fabriqué à partir de JBNTs et FN.

  1. Préparer les solutions FN, JBNT et FN/JBNT NM pour l’observation des matériaux lyophilisés. Diluer 10 μL de 100 μg/mL de FN avec 40 μL d’eau distillée pour faire une solution de 20 μg/mL de FN.
  2. Préparer une solution de 100 mg/mL de JBNTs en diluant 5 μL de 1 mg/mL de JBNTs dans 45 μL d’eau DI.
  3. Mélanger 10 μL de 100 μg/mL FN et 5 μL de 1 mg/mL de JBNTs dans 35 μL d’eau DI pour former la solution NM.
  4. Enduire trois puits de microplaques rondes rondes de 96 puits avec la solution FN, JBNT et NM, respectivement. Chaque puits reçoit 50 μL de la solution.
  5. Effectuez la lyophilisation, comme décrit ci-dessous, pour visualiser la structure de l’échafaudage du NM.
    1. Congeler la plaque à -80 °C pendant la nuit.
    2. Allumez l’instrument lyophilisé et la pompe à vide.
    3. Appuyez sur le bouton de refroidissement pour réduire la température du système à -50 °C.
    4. Mettez la plaque congelée dans l’instrument lyophilisé et fermez toutes les ouvertures des instruments.
    5. Cliquez sur le bouton de démarrage pour réduire la pression du système à 0,9 mbar.
    6. Après 4 h, appuyez sur le bouton aération et ouvrez la vanne pour augmenter la pression du système sur la pression atmosphérique.
    7. Sortez la plaque de l’instrument lyophilisé.
    8. Utilisez un microscope pour observer le FN, les JBNT et le NM auto-assemblé qui en résulte. Prenez plusieurs photos avec un appareil photo pour les matériaux.

4. Mesure des spectres d’absorption

REMARQUE : Utilisez le changement de spectre pour les FN et les JBNT pour présenter le JBNT/FN NM12 auto-assemblé.

  1. Mélanger 30 μL de 100 μg/mL FN avec 15 μL d’eau distillée et 5 μL de 1 mg/mL de JBNTs pour préparer la solution JBNT/FN NM. Suspension solide blanche peut être vu après pipetting la solution à plusieurs reprises.
    REMARQUE : Les concentrations finales de JBNTs et de FN dans la solution sont respectivement de 100 μg/mL et de 60 μg/mL. Les solutions JBNT et FN à la même concentration que celle utilisée dans la solution NM ont également été préparées comme solutions de contrôle.
  2. Diluer 5 μL de 1 mg/mL de JBNTs avec 45 μL d’eau distillée pour préparer la solution de contrôle JBNT.
  3. Diluer 30 μL de 100 μg/mL FN avec 20 μL d’eau distillée pour préparer la solution de contrôle des FN.
  4. Mesurer les spectres d’absorption uv-vis des solutions FN, JBNT et JBNT/FN NM avec le spectrophotomètre (voir tableau des matériaux)pour caractériser l’assemblage de NM.
    1. Cliquez sur le bouton UV-Vis. Nettoyez la surface d’essai du spectrophotomètre et laissez tomber 2 μL d’eau distillée dessus. Mesurez-le comme blanc de 190-850 nm.
    2. Nettoyez la surface d’essai du spectrophotomètre et déposez 2 μL de solution FN dessus. Mesurer les spectres d’absorption UV-Vis de la solution FN de 190 nm à 850 nm.
    3. Nettoyez la surface d’essai du spectrophotomètre et déposez 2 μL de solution JBNT dessus. Mesurer les spectres d’absorption de la solution JBNT de 190 nm à 850 nm.
    4. Nettoyez la surface d’essai du spectrophotomètre et déposez 2 μL de solution JBNT/FN NM dessus. Mesurer les spectres d’absorption de la solution JBNT/FN NM de 190 nm à 850 nm.

5. Préparation de JBNT/FN NM pour la microscopie électronique de transmission (TEM)

  1. Nettoyez plusieurs grilles avant de les colorer négativement avec un nettoyeur plasma de base (voir tableau des matériaux).
  2. Effectuez la coloration négative pour les spécimens suivant deux processus différents.
    1. Déposer 3 μL de 1 mg/mL de solution aqueuse JBNTs et 3 μL de solution JBNT/FN NM sur les grilles séparées et la laisser pendant 2 minutes. Rincez ensuite chaque grille avec 100 μL de solution d’acétate d’uranyle (UA) de 0,5 %. Égoutter l’excès de solution avec du papier filtre et sécher à l’air les grilles.
    2. Mélangez 9 μL de solution JBNT/FN NM avec 3 μL de solution UA à 2,0 % et pipette à plusieurs reprises. Pipette la solution mixte sur les grilles et le garder sur les grilles pendant 2 min. Utilisez un papier filtre pour enlever la solution mixte des grilles et sécher les grilles à température ambiante.
  3. Enfin, caractérisez le spécimen pour JBNTs, JBNT/FN NM taché de l’étape 5.2.1, et JBNT/FN NM taché avec l’étape 5.2.2 avec le TEM.

6. Analyse de la fonction biologique in vitro

  1. Ajouter 200 μL de contrôles négatifs (NC, PBS), JBNTs, FN et les solutions JBNT/FN NM dans un puits d’une diapositive de 8 puits, respectivement.
  2. Congelez le verre de couverture 8 bien chambé avec l’instrument lyophilisé pour enduire les matériaux au fond des puits. Le protocole de séchage au gel est le même que l’étape 3.5.
  3. Ajoutez ensuite 10 000 cellules/puits hMSCs (Passage 3) dans les puits et incubez-les pendant 24 h à 37 °C avec 5 % de CO2.
  4. Après l’incubation, pipette le milieu de culture cellulaire des puits et rincer la culture avec 1x solution PBS.
  5. Ajouter 100 μL de la solution fixative à chaque puits avec des cellules et laisser pendant 5 min. Rincer délicatement les cellules avec 1x PBS deux fois.
  6. Diluer 1% Triton-X 100 à 0,1%. Ajouter 100 μL de 0,1% Triton-X 100 à chaque puits avec des cellules et laisser pendant 10 min. Rincer délicatement les cellules avec 1x PBS deux fois.
  7. Diluer la rhodamine phalloidine à 1,65 μM. Ajouter 100 μL de rhodamine phalloidine à chaque puits avec des cellules et incuber le verre de couverture chambé à l’abri de la lumière à température ambiante pendant 30 min. Rincer délicatement les cellules avec 1x PBS deux fois.
  8. Capturez les images cellulaires à l’aide d’un microscope fluorescent.
  9. Comptez les numéros de cellule sur les images fluorescentes pour chaque groupe. Calculer la densité d’adhérence cellulaire en moyenne de trois zones aléatoires dans chaque puits.
  10. Présenter toutes les données comme moyen ± écart type (DD). Effectuer des analyses statistiques à l’aide d’un t-test à une queue, suivi de l’analyse de la variance (ANOVA) avec p<0,05, qui est considéré comme statistiquement significatif.

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Representative Results

Nos études ont découvert que la formation du NM des JBNT et du FN est rapide, ce qui s’est produit en 10 secondes. Comme le montre la figure 2,la floccule blanche a été obtenue lorsque la solution JBNT a été mélangée à la solution FN et pipetted à plusieurs reprises. Le processus de formation de NM est complètement biomimétique. Aucun stimulus externe n’est nécessaire. Le processus de fabrication est beaucoup plus facile que celui de certains biomatériaux émergents, qui est basé sur la lumière ultraviolette ou l’initiateur chimique pour le croisement13.

Nous avons capturé et analysé les images de la caméra de FN, JBNTs, et le NM (Figure 3). Pour le groupe FN, à l’exception des taches blanches courtes, aucune fibre longue n’a été observée. Les grappes courtes étaient les agglomérations protéiques composées de FN, ce qui indique que la structure de l’échafaudage ne peut pas être formée avec fn seul sans JBNTs (Figure 3A). Comme le montre la figure 3B, les fibres longues et plus minces indiquent l’existence de JBNTs. La largeur des brins blancs du NM est plus large par rapport aux JBNT, ce qui indique que les JBNT et les FN se croisent les uns avec les autres formant NM. La fibre NM peut atteindre plusieurs centimètres de longueur (Figure 3C).

Nous avons obtenu les spectres UV-Vis pour indiquer l’assemblage entre JBNTs et FN. Comme le montre la figure 4,les TJM présentent deux pics d’absorption à 220 nm et 280 nm, respectivement. Par rapport aux JBNT, le JBNT/FN NM a deux pics d’absorption au même endroit avec une valeur significativement réduite, qui était de JBNTs mais affectée par les JBNT auto-assemblés non covalents et FN entre les deux.

TEM a été utilisé pour caractériser la morphologie des JBNT et NM. Comme le montre la figure 5A, les JBNT sont des tubes minces avec des diamètres uniformes. Dans des conditions neutres, les JBNT sont facturés positivement tandis que les FN sont facturés négativement. Lorsqu’ils sont mélangés, ils forment de longs NM fibromes via des interactions de charge( Figure 5B). Lorsque le pH est inférieur au point isoélectrique du FN (pI de 5,5-6,0), les faisceaux NM présentent l’auto-libération en raison du FN chargé positivement. Comme le montre la figure 5C, lorsqu’il est conservé dans une solution à faible pH (4,0), le NM a été dissembled, et beaucoup de FN a été libéré de la NM. Le FN distribué aux côtés du nanotube est également une preuve solide que le NM a été fabriqué par JBNTs et FN10.

Nous avons exploré l’effet du JBNT/FN NM sur l’adhérence cellulaire. Comme le montre la figure 6, la densité d’adhérence cellulaire du groupe NM a montré une différence significative (valeur p et lt;0,05) par rapport au contrôle négatif. La différence peut être parce que le NM sont conçus pour imiter morphologiquement ECM, qui fournissent un échafaudage pour l’adhérencecellulaire 14. L’ECM était composé de collagènes et de glycoprotéines adhésives cellulaires, telles que la fibronectine15. Le collagène a été présenté avec la capacité de favoriser l’adhérence et la prolifération plus élevées des hMSCs16. En outre, la fibronectine a été montré pour améliorer l’adhérence hMSCs dans le site blessé ainsique 15. L’imagerie par fluorescence a également démontré que l’adhérence des HMC du groupe NM a augmenté de façon significative par rapport au groupe témoin négatif (figure 7)15,17.

Figure 1
Figure 1 : Illustration schématique de l’auto-assemblage hiérarchique des JBNT avec une chaîne latérale de lysine.
Ce chiffre est réimprimé avec la permission de la publication précédente12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Démonstration du processus auto-assemblé du MN.
(A) solution FN. (B) JBNTs mélangés avec FN. Ce chiffre est réimprimé avec la permission de la publication précédente12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Photographies de Brightfield.
Brightfield photographies de (A) FN (B) JBNTs et (C) NM formé par JBNTs et FN. Chaque zone a un diamètre de 2 cm. Ce chiffre est réimprimé avec la permission de la publication précédente12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Spectres d’absorption du FN, des JBNT et du JBNT/FN NM.
Ce chiffre est réimprimé à partir de la publicationprécédente 12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Images TEM.
TEM images de (A) JBNTs (B) JBNT / FN NM, et (C) publié JBNT / FN NM. Ce chiffre est réimprimé avec la permission de la publication précédente12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Analyse statistique de l’adhérence cellulaire.
La densité d’adhérence cellulaire a été enregistrée dans cette expérience. *p<0.01 par rapport aux contrôles négatifs. **p<0.05 par rapport à JBNT seul. N=3. Ce chiffre est réimprimé avec la permission de la publication précédente12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Images de fluorescence.
Images de fluorescence de (A) les hMSCs et (B) le hMSC incubé avec les JBNTs. (C) le hMSC incubé avec le FN. (D) le hMSC incubé avec le JBNT / FN NM. Barre d’échelle : 100 μm. Ce chiffre est réimprimé avec la permission de la publication précédente12. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Heure A% B% (en) C% (en)
0,00 min 98 0 2
15.00 min 68 30 2
25.00 min 8 90 2
26.00 min 0 100 0

Tableau 1 : Temps d’élitution du gradient.

Dossier supplémentaire 1 : Schéma de synthèse du monomère JBNT. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce chiffre.

Dossier supplémentaire 2 : Vidéo pour l’auto-assemblage du FN/JBNT NM. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger cette vidéo.

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Discussion

Dans cette étude, nous avons développé un NM biomimétique auto-assemblé, qui a été formé avec des JBNTs inspirés de l’ADN et fn. Lors de la préparation de la solution JBNT, la poudre lyophilisée JBNT devrait être dissoute dans l’eau au lieu de PBS parce que PBS provoquera l’agglomération de JBNTs, ce qui inhibe leur assemblage. En outre, le NM devrait également être assemblé dans l’eau si nous voulons observer les structures nano-fibriles du NM, parce que le sel dans PBS se regroupera avec des fibres NM, ce qui peut réduire considérablement la résolution des images.

Le NM a montré un grand potentiel pour servir de nouvel échafaudage d’ingénierie tissulaire bien que beaucoup d’efforts aient été faits pour fabriquer des échafaudages régénérateurs de tissu, qui ont été utilisés pour faciliter l’adhérence et la différenciation de hMSCs. Cependant, la plupart de ces matériaux sont pré-fabriqués avec une forme spécifique, comme un échafaudage imprimé 3D18,19. En tant que tel, ils ne sont pas faciles à implanter dans les sites blessés qui sont profondément dans l’articulation. Cependant, la solution NM ici peut être injectée comme un liquide, puis servir d’échafaudage pour l’adhérence cellulaire.

Une limitation est que le NM n’est pas mécaniquement fort. Contrairement aux polymères, ils sont fabriqués par auto-assemblage d’interactions noncovalentes, de sorte qu’ils ne peuvent pas supporter beaucoup de chargement mécanique ou de tension. D’autre part, la structure noncovalente présente également une très bonne biodégradabilité et biocompatibilité adaptée aux fonctions biologiques 8,20,21 .

Le NM injectable a montré un grand potentiel pour fournir un emplacement cible et un échafaudage pour MSC homing pour améliorer la guérison des fractures osseuses dans le corps. Toutefois, lorsqu’il est injecté dans le site blessé, le NM noncovalent peut ne pas rester en place pendant une longue période, ce qui peut réduire l’effet thérapeutique. À l’avenir, nous explorerons la possibilité d’incorporer d’autres matériaux (comme les hydrogels) ou d’alterner les structures NM afin d’optimiser davantage les propriétés de l’échafaudage NM.

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Disclosures

Le Dr Yupeng Chen est cofondateur de NanoDe Therapeutics, Inc.

Acknowledgments

Ces travaux sont soutenus financièrement par les NIH (Grants 1R01AR072027-01, 1R03AR069383-01), NSF Career Award (1653702) et l’Université du Connecticut.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,2-dichloroethane Alfa Aesar 39121
2-cyanoacetic acid Sigma-Aldrich C88505
4-Dimethylaminopyridine TCI America D1450
8 wells Chambered Coverglass Thermo Fisher 155409
96-well plate Corning 353072
absolute ethanol Thermo Fisher BP2818500
acetone Sigma-Aldrich 179124
acetonitrile Sigma-Aldrich 34851
allylamine Sigma-Aldrich 145831
Basic Plasma Cleaner Harrick Plasma PDC32G
citric acid Sigma-Aldrich 251275
concentrated hydrochloric acid Sigma-Aldrich H1758
Deionized water Thermo Fisher 15230147
dichloromethane Sigma-Aldrich 270997
diethyl ether Sigma-Aldrich 296082
Di-tert-butyl dicarbonate Sigma-Aldrich 361941
ethyl acetate Sigma-Aldrich 319902
ethylcarbamate Sigma-Aldrich U2500
Fibronectin Thermo Fisher PHE0023
Fixative Solution (4 % formaldehyde prepared in PBS) Thermo Fisher R37814
guanidinium hydrochloride Alfa Aesar A13543
hexanes Sigma-Aldrich 227064
Human mesenchymal stem cells Lonza PT-2501
methanol Sigma-Aldrich 34860
methyl iodide Sigma-Aldrich 289566
N,N-Diisopropylethylamine Alfa Aesar A17114
N,N-dimethylformamide Sigma-Aldrich 227056
N-Methylmorpholine N-oxide Alfa Aesar A19802
Osmium tetraoxide Alfa Aesar 45385
Penicillin-Streptomycin Thermo Fisher 15140163
Phosphate Buffer Solution Thermo Fisher 20012050
phosphoryl chloride Sigma-Aldrich 201170
potassium carbonate Sigma-Aldrich 347825
reverse phase column Thermo Fisher 25305-154630
Rhodamine Phalloidin Thermo Fisher R415
silica gel TCI America S0821
sodium bicarbonate Sigma-Aldrich S6014
sodium ethoxide Alfa Aesar L13083
sodium periodide Sigma-Aldrich 71859
sodium sulfate Sigma-Aldrich 239313
sodium sulfite Sigma-Aldrich S0505
sodium triacetoxyborohydride Alfa Aesar B22060
spectrophotometer(NanoDrop One/Onec UV-Vis) Thermo Fisher ND-ONE-W
Stem Cell Growth Medium BulletKit Lonza PT-3001
tetrahydrofuran Sigma-Aldrich 401757
thioanisole Sigma-Aldrich T28002
toluene Sigma-Aldrich 179418
triethylamine Alfa Aesar A12646
trifluoroacetic acid Alfa Aesar A12198
Triton X-100 Thermo Fisher HFH10
Trypsin-EDTA solution Thermo Fisher 25200056

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References

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Fabrication d’une nanomatrice biomimétique avec nanotubes de base Janus et fibronectine pour l’adhérence aux cellules souches
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Zhou, L., Yau, A., Zhang, W., Chen,More

Zhou, L., Yau, A., Zhang, W., Chen, Y. Fabrication of a Biomimetic Nano-Matrix with Janus Base Nanotubes and Fibronectin for Stem Cell Adhesion. J. Vis. Exp. (159), e61317, doi:10.3791/61317 (2020).

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