פרוטוקול זה מתאר את התהליך שלב אחר שלב לבניית גירויים חשמליים ומגנטיים המשמשים להמרצת רקמות ביולוגיות. הפרוטוקול כולל קו מנחה לדמות שדות חשמליים ומגנטיים חישוביים וייצור התקני גירוי.
שדות חשמליים (EFs) ושדות מגנטיים (MFs) נמצאים בשימוש נרחב על ידי הנדסת רקמות כדי לשפר את הדינמיקה של התאים כגון התפשטות, הגירה, בידול, מורפולוגיה וסינתזה מולקולרית. עם זאת, משתנים כגון גירויים חוזק זמני גירוי צריך להיחשב בעת גירוי תאים, רקמות או פיגומים. בהתחשב בכך ש- EFs ו- MFs משתנים בהתאם לתגובה התאית, עדיין לא ברור כיצד לבנות מכשירים המייצרים גירויים ביופיזיים נאותים כדי לעורר דגימות ביולוגיות. למעשה, יש חוסר ראיות לגבי החישוב וההפצה כאשר גירויים ביופיזיים מוחלים. פרוטוקול זה מתמקד בתכנון וייצור של מכשירים ליצירת EFs ו- MFs ויישום מתודולוגיה חישובית לחיזוי התפלגות גירויים ביופיזיים בתוך ומחוץ לדגימות ביולוגיות. מכשיר ה- EF הורכב משתי אלקטרודות נירוסטה מקבילות הממוקמות בחלק העליון והתחתון של תרבויות ביולוגיות. אלקטרודות היו מחוברות מתנד כדי ליצור מתחים (50, 100, 150 ו 200 Vp-p) ב 60 kHz. התקן ה- MF היה מורכב מסליל, אשר היה אנרגטי עם שנאי כדי ליצור זרם (1 A) ומתח (6 V) ב 60 הרץ. תמיכה בפולימתיל מתאקרילטה נבנתה כדי לאתר את התרבויות הביולוגיות באמצע הגליל. הסימולציה החישובית הבהירה את ההתפלגות ההומוגנית של EFs ו- MFs בתוך ומחוץ לרקמות ביולוגיות. מודל חישובי זה הוא כלי מבטיח שיכול לשנות פרמטרים כגון מתחים, תדרים, מורפולוגיות רקמות, סוגי לוחות היטב, אלקטרודות וגודל סליל כדי להעריך את EFs ו- MFs כדי להשיג תגובה סלולרית.
EFs ו MFs הוכחו לשנות את הדינמיקה התא, מגרה התפשטות והגברת הסינתזה של המולקולות העיקריות הקשורות מטריצה חוץ תאית שלרקמות 1. גירויים ביופיזיים אלה יכולים להיות מיושמים בדרכים שונות באמצעות הגדרות והתקנים ספציפיים. לגבי המכשירים כדי ליצור EFs, ממריצי צימוד ישיר להשתמש אלקטרודות כי הם במגע עם דגימות ביולוגיות במבחנה או מושתל ישירות לתוך רקמות של חולים ובעלי חיים vivo2; עם זאת, יש עדיין מגבלות וליקויים הכוללים תאימות ביולוגית לא מספקת על ידי האלקטרודות במגע, שינויים ב- pH ורמות חמצן מולקולרי1. להיפך, התקני צימוד עקיפים מייצרים EFs בין שתי אלקטרודות, אשר ממוקמים במקביל לדגימות ביולוגיות3, המאפשר טכניקה חלופית לא פולשנית כדי לעורר דגימות ביולוגיות ולהימנע ממגע ישיר בין רקמות ואלקטרודות. סוג זה של מכשיר יכול להיות extrapolated ליישומים קליניים עתידיים לבצע הליכים עם פלישה מינימלית למטופל. ביחס למכשירים המייצרים MFs, מממריצי צימוד השראות יוצרים זרם חשמלי משתנה בזמן, הזורם דרך סליל הממוקם סביב תרביות תאים4,5. לבסוף, ישנם התקנים משולבים, המשתמשים במסמכים אלקטרוניים וב- MFs סטטיים כדי ליצור שדות אלקטרומגנטיים ארעיים1. בהתחשב בכך שיש תצורות שונות כדי לעורר דגימות ביולוגיות, יש צורך לשקול משתנים כגון מתח ותדירות כאשר גירויים ביופיזיים מוחלים. מתח הוא משתנה חשוב, שכן הוא משפיע על ההתנהגות של רקמות ביולוגיות; לדוגמה, הוכח כי נדידת תאים, אוריינטציה וביטוי גנים תלויים משרעת של מתח מיושם3,6,7,8,9,10. תדירות ממלאת תפקיד חשוב בגירוי ביופיזי, כפי שהוכח כי אלה מתרחשים באופן טבעי vivo. הוכח כי תדרים גבוהים ונמוכים יש השפעות מועילות על התאים; במיוחד, בערוצי סידן מגודרים במתח קרום התא או reticulum אנדופלזמי, אשר מפעילים מסלולי איתות שונים ברמה תאית1,7,11.
על פי האמור לעיל, מכשיר ליצירת EFs מורכב מחולל מתח מחובר שני קבלים מקבילים12. מכשיר זה יושם על ידי ארמסטרונג ואח ‘כדי לעורר הן את קצב התפשטות ואת הסינתזה המולקולרית של כונדרוציטים13. עיבוד של מכשיר זה בוצע על ידי ברייטון ואח ‘אשר שינו את תרבות התא היטב צלחות על ידי קידוח העפעפיים העליונים והתחתונים שלהם. חורים מולאו על ידי מגלשות כיסוי, שם המשקפיים התחתונים שימשו לתרבות רקמות ביולוגיות. אלקטרודות הונחו על כל שקופית כיסוי כדי ליצור EFs14. מכשיר זה שימש כדי לעורר חשמלית chondrocytes, osteoblasts ו סחוס explants, מראה עלייה בהתפשטות התא14,15,16 סינתזה מולקולרית3,17. המכשיר שתוכנן על ידי Hartig et al. כלל מחולל גלים ומגבר מתח, שהיו מחוברים לקבלים מקבילים. אלקטרודות היו עשויות נירוסטה באיכות גבוהה הממוקמת במקרה בידוד. המכשיר שימש כדי לעורר osteoblasts, מראה עלייה משמעותית התפשטות והפרשת חלבון18. המכשיר המשמש את קים ואח ‘כלל שבב ממריץ זרם biphasic, אשר נבנה באמצעות תהליך הייצור של מוליכים למחצה משלימים של תחמוצת מתכת במתח גבוה. צלחת היטב תרבות תוכננה לתרבת תאים על פני משטח מוליך עם גירוי חשמלי. אלקטרודות היו מצופות זהב מעל לוחות סיליקון19. מכשיר זה שימש כדי לעורר osteoblasts, מראה עלייה בהתפשטות ואת הסינתזה של גורם הגדילה אנדותל כלי הדם19, וממריץ את הייצור של פעילות פוספטאז אלקליין, תצהיר סידן וחלבונים morphogenicעצם 20. באופן דומה, מכשיר זה שימש כדי לעורר את קצב התפשטות וביטוי של גורם הגדילה אנדותל כלי הדם של תאי גזע mesenchymal מח העצם האנושי21. המכשיר שתוכנן על ידי Nakasuji ואח ‘היה מורכב מחולל מתח מחובר לוחות פלטינה. אלקטרודות נבנו כדי למדוד את הפוטנציאל החשמלי ב 24 נקודות שונות. מכשיר זה שימש כדי לעורר chondrocytes, מראה כי EFs לא לשנות מורפולוגיה של התא התפשטות מוגברת סינתזה מולקולרית22. המכשיר ששימש את Au et al. כלל תא זכוכית המצויד בשני מוטות פחמן המחוברים לממריץ לב עם חוטי פלטינה. גירוי זה שימש כדי לעורר קרדיומיוציטים ופיברובלסטים, שיפור התא יישור fibroblast23.
התקני MF שונים יוצרו על בסיס סלילי הלמהולץ כדי לעורר מספר סוגים של דגימות ביולוגיות. לדוגמה, סלילי הלמהולץ שימשו כדי לעורר התפשטות סינתזה מולקולרית של כונדרוציטים24,25, לשפר את הסינתזה proteoglycan של סחוס מפרקי26, לשפר את הסרת הגנים הקשורים להיווצרות עצם של תאים דמויי osteoblast27, ולהגדיל את התפשטות וביטוי מולקולרי של תאי אנדותל28. סלילי הלמהולץ מייצרים MFs לאורך שני סלילים הממוקמים אחד מלפנים והשני. הסלילים חייבים להיות ממוקמים עם מרחק שווה לרדיוס של הסלילים כדי להבטיח MF הומוגני. החיסרון בשימוש בסלילים של הלמהולץ טמון בממדי הסליל, מכיוון שהם צריכים להיות גדולים מספיק כדי ליצור את עוצמת ה- MF הנדרשת. בנוסף, המרחק בין סלילים חייב להיות מספיק כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של MFs סביב רקמות ביולוגיות. כדי למנוע בעיות שנגרמו על ידי סלילי הלמהולץ, מחקרים שונים התמקדו בייצור סלילי סולנואיד. סלילי סולנואיד מבוססים על צינור, אשר פצע עם חוט נחושת כדי ליצור MFs. כניסות חוט נחושת יכול להיות מחובר ישירות לשקע או אספקת חשמל כדי להמריץ את הסליל וליצור MFs במרכז סולנואיד. ככל שהסליל מסתובב יותר, כך MF שנוצר גדול יותר. עוצמת ה- MF תלויה גם במתח ובזרם המוחלים כדי להמריץ את הסליל29. סלילי סולנואיד שימשו כדי לעורר סוג אחר מגנטי של תאים כגון HeLa, HEK293 ו MCF730 או תאי גזע mesenchymal31.
התקנים המשמשים מחברים שונים לא נחשבו לגודל הולם של אלקטרודות או לאורך הנכון של הסליל כדי להפיץ הומוגנית הן EFs והן MFs. יתר על כן, התקנים מייצרים מתחים ותדרים קבועים, ומגבילים את השימוש בהם כדי לעורר רקמות ביולוגיות ספציפיות. מסיבה זו, בפרוטוקול זה מבוצעת הנחיית סימולציה חישובית המדמה הן מערכות קיבוליות והן סלילים כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של EFs ו- MFs על דגימות ביולוגיות, תוך הימנעות מ אפקט הקצה. בנוסף, מוצג כי העיצוב של מעגלים אלקטרוניים לייצר מתחים ותדירות בין האלקטרודות לבין הסליל, יצירת EFs ו MFs כי יתגבר על מגבלות שנגרמו על ידי עכבה של תרבות התא היטב צלחות ואוויר. שינויים אלה יאפשרו יצירה של ביו-רקטורים לא פולשניים ומסתגלים כדי לעורר כל רקמה ביולוגית.
טיפולים המשמשים לריפוי פתולוגיות שונות המשפיעות על רקמות אנושיות הם טיפולים תרופתיים32 אוהתערבויות כירורגיות 33, המבקשים להקל על הכאב באופן מקומי או להחליף רקמות מושפעות עם explants או השתלות. לאחרונה, טיפול בתאים אוטולוגיים הוצע כטיפול אלטרנטיבי לטיפול ברקמות פצוע?…
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים לתמיכה הכספית שמספק “פונדו נאסיונאל דה פינסיאמיינטו פארה לה סינסיה, la Tecnología, y la Innovación -פונדו פרנסיסקו חוסה דה קלדס- Minciencias” ואוניברסיטת נאסיונאל דה קולומביה באמצעות המענק מס ‘80740-290-2020 ואת התמיכה שהתקבלה על ידי Valteam טק – מחקר וחדשנות לאספקת הציוד ותמיכה טכנית במהדורת הווידאו.
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 |