Dit protocol beschrijft het stapsgewijze proces om zowel elektrische als magnetische stimulatoren te bouwen die worden gebruikt om biologische weefsels te stimuleren. Het protocol bevat een richtlijn voor het simuleren van computerkracht en magnetische velden en de vervaardiging van stimulatorapparaten.
Elektrische velden (EFs) en magnetische velden (MFs) zijn veel gebruikt door weefseltechnologie om celdynamiek zoals proliferatie, migratie, differentiatie, morfologie en moleculaire synthese te verbeteren. Variabelen zoals prikkelsterkte en stimulatietijden moeten echter worden overwogen bij het stimuleren van cellen, weefsels of steigers. Gezien het feit dat EFs en MFs variëren afhankelijk van de cellulaire respons, blijft het onduidelijk hoe apparaten moeten worden gebouwd die voldoende biofysische stimuli genereren om biologische monsters te stimuleren. In feite is er een gebrek aan bewijs met betrekking tot de berekening en distributie wanneer biofysische stimuli worden toegepast. Dit protocol is gericht op het ontwerpen en produceren van apparaten voor het genereren van BF’s en MFs en de implementatie van een computationele methodologie om de distributie van biofysische stimuli binnen en buiten biologische monsters te voorspellen. Het EF-apparaat bestond uit twee parallelle roestvrijstalen elektroden aan de boven- en onderkant van biologische culturen. Elektroden werden aangesloten op een oscillator om spanningen (50, 100, 150 en 200 Vp-p) te genereren bij 60 kHz. Het MF-apparaat bestond uit een spoel, die werd gevoed met een transformator om een stroom (1 A) en spanning (6 V) bij 60 Hz te genereren. Een polymethylmethacrylaatsteun werd gebouwd om de biologische culturen in het midden van de spoel te lokaliseren. De computationele simulatie verduidelijkte de homogene verdeling van BF’s en MF’s binnen en buiten biologische weefsels. Dit computationele model is een veelbelovend hulpmiddel dat parameters zoals spanningen, frequenties, weefselmorfologieën, putplaattypen, elektroden en spoelgrootte kan wijzigen om de EFs en MFs te schatten om een cellulaire respons te bereiken.
Het is aangetoond dat BF’s en MF’s de celdynamiek wijzigen, de proliferatie stimuleren en de synthese van de belangrijkste moleculen die geassocieerd zijn met de extracellulaire matrix van weefselsverhogen 1. Deze biofysische stimuli kunnen op verschillende manieren worden toegepast met behulp van specifieke instellingen en apparaten. Wat de voorzieningen voor het genereren van EFs betreft, gebruiken directe koppelingsstimulatoren elektroden die in vitro in contact komen met biologische monsters of rechtstreeks in weefsels van patiënten en dieren in vivo2worden geïmplanteerd ; er zijn echter nog steeds beperkingen en tekortkomingen die onvoldoende biocompatibiliteit omvatten door de elektroden in contact, veranderingen in de pH en moleculaire zuurstofniveaus1. Integendeel, indirecte koppelinrichtingen genereren EFs tussen twee elektroden, die parallel aan biologische monsters worden geplaatst3, waardoor een niet-invasieve alternatieve techniek biologische monsters kan stimuleren en direct contact tussen weefsels en elektroden kan worden vermeden. Dit type apparaat kan worden geëxtrapoleerd naar toekomstige klinische toepassingen om procedures uit te voeren met minimale invasie naar de patiënt. Met betrekking tot apparaten die MF’s genereren, creëren inductieve koppelingsstimulatoren een tijdsverlengende elektrische stroom, die door een spoel stroomt die zich rond celculturen4,5bevindt . Ten slotte zijn er gecombineerde apparaten, die EFs en statische MF’s gebruiken om tijdelijke elektromagnetische velden te genereren1. Gezien het feit dat er verschillende configuraties zijn om biologische monsters te stimuleren, is het noodzakelijk om variabelen zoals spanning en frequentie te overwegen wanneer biofysische stimuli worden toegepast. Spanning is een belangrijke variabele, omdat het het gedrag van biologische weefsels beïnvloedt; zo is bijvoorbeeld aangetoond dat celmigratie, oriëntatie en genexpressie afhankelijk zijn van de amplitude van toegepaste spanning3,6,7,8,9,10. Frequentie speelt een belangrijke rol bij biofysische stimulatie, omdat is aangetoond dat deze van nature in vivo voorkomen. Het is aangetoond dat hoge en lage frequenties gunstige effecten hebben op cellen; vooral in celmembraan spanning-gated calcium kanalen of endoplasmatisch reticulum, die verschillende signalering-paden activeren op intracellulair niveau1,7,11.
Volgens het bovenstaande bestaat een apparaat voor het genereren van EFs uit een spanningsgenerator die is aangesloten op twee parallelle condensatoren12. Dit apparaat werd geïmplementeerd door Armstrong et al. om zowel de proliferatieve snelheid als de moleculaire synthese van chondrocyten13te stimuleren. Een aanpassing van dit apparaat werd uitgevoerd door Brighton et al. die de putplaten van de celcultuur wijzigden door hun boven- en onderdeksels te boren. Gaten werden opgevuld door afdekglaasjes, waar de onderste glazen werden gebruikt om biologische weefsels te gekweekt. Op elke afdekschuif werden elektroden geplaatst om BF’s te genereren14. Dit apparaat werd gebruikt om chondrocyten, osteoblasten en kraakbeen explants elektrisch te stimuleren, wat een toename van celproliferatie14,15, 16 en moleculairesynthese 3,17laat zien. Het door Hartig et al. ontworpen apparaat bestond uit een golfgenerator en een spanningsversterker, die waren aangesloten op parallelle condensatoren. Elektroden werden gemaakt van hoogwaardig roestvrij staal in een isolerende behuizing. Het apparaat werd gebruikt om osteoblasten te stimuleren, wat een significante toename van proliferatie en eiwitafscheidingaantoont 18. Het apparaat dat kim et al. gebruikten, bestond uit een bifasische stroomstimulatorchip, die werd gebouwd met behulp van een productieproces van complementaire halfgeleiders van hoogspanningsmetaaloxide. Een kweekputplaat is ontworpen om cellen te kweeken over een geleidend oppervlak met elektrische stimulatie. De elektroden werden bedekt in goud over siliciumplaten19. Dit apparaat werd gebruikt om osteoblasten te stimuleren, wat een toename van de proliferatie en de synthese van de vasculaire endotheelgroeifactor19laat zien en de productie van alkalische fosfataseactiviteit, calciumafzetting en botmorfogene eiwitten stimuleert20. Evenzo werd dit apparaat gebruikt om de proliferatieve snelheid en expressie van vasculaire endotheelgroeifactor van menselijke beenmerg mesenchymale stamcellen te stimuleren21. Het door Nakasuji et al. ontworpen apparaat bestond uit een spanningsgenerator die was aangesloten op platinaplaten. Elektroden werden gebouwd om het elektrische potentieel op 24 verschillende punten te meten. Dit apparaat werd gebruikt om chondrocyten te stimuleren, waaruit bleek dat EFs de celmorfologie niet veranderde en de proliferatie en moleculaire synthese verhoogde22. Het apparaat dat Au et al. gebruikte bestond uit een glazen kamer uitgerust met twee koolstofstaven verbonden met een hartstimulator met platinadraden. Deze stimulator werd gebruikt om cardiomyocyten en fibroblasten te stimuleren, waardoor de celverlenging en fibroblastuitlijningwerden verbeterd 23.
Verschillende MF-apparaten zijn vervaardigd op basis van Helmholtz-spoelen om verschillende soorten biologische monsters te stimuleren. Helmholtz-spoelen zijn bijvoorbeeld gebruikt om proliferatie en moleculaire synthese van chondrocyten24,25te stimuleren, proteoglycaanse synthese van articulaire kraakbeen explants26te verbeteren, genopregulatie met betrekking tot botvorming van osteoblastachtige cellen27te verbeteren en proliferatie en moleculaire expressie van endotheelcellen te verhogen28. Helmholtz-spoelen genereren MFs in twee spoelen die zich voor elkaar bevinden. De spoelen moeten worden geplaatst met een afstand gelijk aan de straal van de spoelen om een homogene MF te garanderen. Het nadeel van het gebruik van Helmholtz-spoelen ligt in de spoelafmetingen, omdat ze groot genoeg moeten zijn om de vereiste MF-intensiteit te genereren. Bovendien moet de afstand tussen spoelen voldoende zijn om een homogene verdeling van MF’s rond biologische weefsels te waarborgen. Om problemen veroorzaakt door Helmholtz-spoelen te voorkomen, zijn verschillende studies gericht op de productie van magneetspoelen. Solenoïde spoelen zijn gebaseerd op een buis, die is gewikkeld met koperdraad om MFs te genereren. Koperdraadingangen kunnen rechtstreeks op het stopcontact of een voeding worden aangesloten om de spoel van stroom te voorzien en MFs in het midden van de solenoïde te maken. Hoe meer bochten de spoel heeft, hoe groter de gegenereerde MF. De MF-magnitude is ook afhankelijk van de spanning en stroom die wordt toegepast om de spoel29te activeren. Solenoïde spoelen zijn gebruikt om magnetisch verschillende soorten cellen zoals HeLa, HEK293 en MCF730 of mesenchymale stamcellen31te stimuleren.
Apparaten die door verschillende auteurs worden gebruikt, hebben noch de voldoende grootte van de elektroden, noch de juiste lengte van de spoel in aanmerking genomen om zowel EF’s als MF’s homogeen te verdelen. Bovendien genereren apparaten vaste spanningen en frequenties, waardoor het gebruik ervan wordt beperkt om specifieke biologische weefsels te stimuleren. Om deze reden wordt in dit protocol een computationele simulatierichtlijn uitgevoerd om zowel capacitieve systemen als spoelen te simuleren om een homogene verdeling van EFs en MFs over biologische monsters te garanderen, waardoor het randeffect wordt vermeden. Bovendien wordt aangetoond dat het ontwerp van elektronische circuits spanningen en frequentie tussen de elektroden en de spoel genereert, waardoor EFs en MFs ontstaan die beperkingen zullen overwinnen die worden veroorzaakt door impedantie van celkweekputplaten en lucht. Deze modificaties zullen de creatie van niet-invasieve en adaptieve bioreactoren mogelijk maken om elk biologisch weefsel te stimuleren.
Behandelingen die worden gebruikt om verschillende pathologieën te genezen die menselijke weefsels aantasten, zijn farmacologische therapieën32 of chirurgische ingrepen33, die proberen pijn lokaal te verlichten of aangetaste weefsels te vervangen door explants of transplantaties. Onlangs is autologe celtherapie voorgesteld als een alternatieve therapie voor de behandeling van gewonde weefsels, waarbij cellen worden geïsoleerd van de patiënt en worden uitgebreid, door mi…
The authors have nothing to disclose.
De auteurs danken de financiële steun van “Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias” en Universidad Nacional de Colombia via de subsidie nr. 80740-290-2020 en de steun die Valteam Tech – Research and Innovation ontvangt voor het leveren van de apparatuur en technische ondersteuning in de editie van de video.
Electrical stimulator | |||
Operational amplifier | Motorola | LF-353N | —- Quantity: 1 |
Resistors | —- | —- | 22 kΩ Quantity: 1 |
Resistors | —- | —- | 10 kΩ Quantity: 3 |
Resistors | —- | —- | 2.6 kΩ Quantity: 2 |
Resistors | —- | —- | 2.2 kΩ Quantity: 1 |
Resistors | —- | —- | 1 kΩ Quantity: 1 |
Resistors | —- | —- | 220 Ω Quantity: 2 |
Resistors | —- | —- | 22 Ω Quantity: 5 |
Resistors | —- | —- | 10 Ω Quantity: 1 |
Resistors | —- | —- | 6.8 Ω Quantity: 1 |
Resistors | —- | —- | 3.3 Ω Quantity: 2 |
Polyester capacitors | —- | —- | 1 nF Quantity: 2 |
Polyester capacitors | —- | —- | 100 nF Quantity: 1 |
VHF Band Amplifier Transistor JFET | Toshiba | 2SK161 | —- Quantity: 1 |
Power transistor BJT NPN | Mospec | TIP 31C | —- Quantity: 1 |
Zener diode | Microsemi | 1N4148 | —- Quantity: 1 |
Switch | Toogle Switch | SPDT – T13 | —- Quantity: 3 |
Toroidal ferrite core | Caracol | —- | T*22*14*8 Quantity: 1 |
Cooper wire | Greenshine | —- | AWG – 24 Quantity: 1 |
Relimate header with female housing | ADAFRUIT | —- | 8 pin connectors Quantity: 1 |
Relimate header with female housing | ADAFRUIT | —- | 2 pin connectors Quantity: 1 |
Female plug terminal connector | JIALUN | —- | 4mm Lantern Plugs (Plug + Socket) 15 A Quantity: 1 |
Aluminum Heat Sink | AWIND | —- | For TIP 31C transistor Quantity: 1 |
Led | CHANZON | —- | 5 mm red Quantity: 1 |
Integrated circuit socket connector | Te Electronics Co., Ltd. | —- | Double row 8-pin DIP Quantity: 1 |
3 pin connectors set | STAR | —- | JST PH 2.0 Quantity: 3 |
2 pin screw connectors | STAR | —- | For PCB Quantity: 1 |
3 pin screw connectors | STAR | —- | For PCB Quantity: 1 |
Banana connector test lead | JIALUN | —- | P1041 – 4 mm – 15 A Quantity: 7 |
Bullet connectors to banana plug charge lead | JIALUN | —- | 4 mm male-male/female-female adapters – 15 A Quantity: 1 |
Case | —- | —- | ABS Quantity: 1 |
Electrodes | —- | —- | Stainless – steel Quantity: 2 |
Electrode support | —- | —- | Teflon Quantity: 2 |
Printed circuit board | Quantity: 1 | ||
Magnetic stimulator | |||
Cooper wire | Greenshine | —- | AWG – 18 Quantity: 1 |
AC power plugs | —- | —- | 120 V AC – 60 Hz Quantity: 1 |
Banana female connector test lead | JIALUN | —- | 1Set Dual Injection – 4 mm – 15 A Quantity: 2 |
Banana male connector test lead | JIALUN | —- | 1Set Dual Injection – 4 mm 15 A Quantity: 1 |
Cell culture well plate support | —- | —- | PMMA Quantity: 1 |
Fuse | Bussmann | 2A | —- Quantity: 1 |
Transformer | —- | —- | 1A – 6 V AC Quantity: 1 |
Tube | —- | —- | PVC Quantity: 1 |
Variable rheostat | MCP | BXS150 | 10 Ω Quantity: 1 |
General equipment | |||
Digital dual source | PeakTech | DG 1022Z | 2 x 0 – 30 V / 0 – 5 A CC / 5 V / 3 A fijo Quantity: 1 |
Digital Oscilloscope | Rigol | DS1104Z Plus | 100 MHz, bandwidth, 4 channels Quantity: 1 |
Digital multimeter | Fluke | F179 | Voltage CC – CA (1000 V). Current CC – CA 10 A. Frequency 100 kHz Quantity: 1 |