A estimulação mecânica de Células-Tronco Usando Strain Uniaxial Cíclico

Biology

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Summary

É amplamente entendido que forças mecânicas no corpo pode influenciar a diferenciação e proliferação celular. Aqui apresentamos um protocolo de vídeo demonstrando o uso de um biorreator custom-built para a entrega de deformação de tração uniaxial cíclicos às células-tronco cultivadas em substratos flexíveis micropatterned.

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Kurpinski, K., Li, S. Mechanical Stimulation of Stem Cells Using Cyclic Uniaxial Strain. J. Vis. Exp. (6), e242, doi:10.3791/242 (2007).

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Abstract

O papel das forças mecânicas no desenvolvimento e manutenção dos tecidos biológicos é bem documentado, incluindo vários fenômenos mecanicamente regulamentadas, tais como remodelação óssea, hipertrofia muscular, e da plasticidade das células musculares lisas. No entanto, as forças envolvidas são extremamente complexas e difíceis de monitorar e controlar in vivo. Para melhor investigar os efeitos de forças mecânicas sobre as células, nós desenvolvemos um método in vitro para a aplicação de deformação de tração uniaxial cíclicos de células aderentes cultivadas em membranas elásticas. Este método utiliza um biorreator personalizados com um sistema motorizado cam-rotor para aplicar a força desejada. Aqui apresentamos um protocolo de vídeo passo-a-passo demonstrando como montar os vários componentes de cada "câmara de estiramento", incluindo, neste caso, uma membrana de silicone com micropatterned topografia para orientar as células com a direção da tensão. Descrevemos também procedimentos para a esterilização das câmaras, a semeadura em células da membrana, trancando a câmara para o biorreator, e ajustando os parâmetros mecânicos (ou seja, magnitude e taxa de deformação). Os procedimentos descritos neste protocolo particular, são específicos para a semeadura de células-tronco mesenquimais em membrana de silicone com 10 mM canais amplo orientado paralelamente à direção de tensão. No entanto, os métodos e materiais apresentados neste sistema são flexíveis o suficiente para acomodar uma série de variações sobre este tema: taxa de deformação, magnitude, duração, tipo de célula, topografia de membrana, revestimento de membrana, etc podem ser adaptados para a aplicação desejada ou resultado. Este é um método robusto para investigar os efeitos da deformação de tração uniaxial aplicada às células in vitro.

Protocol

Dia 0 - Esterilização antes do dia de experimento

  1. Colocar materiais em tubo de plástico e esterilizar com álcool 70% durante 2 horas:
    • Chambers
    • Tampas
    • Quadros (todos os 3 peças)
    • Parafusos
    • Juntas de borracha
    • Fórceps
    • Tesoura
    • Chaves Hex
  2. Membranas limpo com Aquet sabão e água destilada.
  3. Sonicate membranas em álcool 70% por 10 minutos.
  4. Coloque as membranas limpa em plástico pratos quadrados. Se utilizando membranas padronizada, garantir que o lado padronizada é a face para cima (álcool de spray em um lado da membrana e prestar atenção para o líquido para executar as ranhuras).
  5. Deixe membranas cobertas em álcool 70% por 2 horas.
  6. Luvas de pacote em folha de alumínio para autoclave amanhã de manhã.
  7. Faça 2% (peso / volume) de solução de gelatina (2g/100mL) em água destilada para autoclave amanhã.
  8. Após a esterilização duas horas em álcool 70%, coloque todos os materiais de polímeros e membranas (não autoclavável materiais) na capa de UV durante a noite:
    • Chambers
    • Tampas
    • Quadros (todos os 3 peças)
    • Membranas
  9. Pacote de materiais remanescentes na bolsa autoclavável:
    • Parafusos
    • Juntas de borracha
    • Fórceps
    • Tesoura
    • Chaves Hex

Dia 1 - Montagem das câmaras de estiramento

  1. Forceps autoclave, tesouras, chaves hex, parafusos, juntas, luvas, e gelatina utilizando autoclave pequena a 240 ° F durante 20 minutos no total
  2. Remova as membranas de UV e tratar com O 2 plasma (lado modelado para cima) para ~ 1 minuto.
  3. TC na capa, capa área padronizada de membranas de plasma tratado com gelatina. Casaco de 30 para minutos sob UV.
  4. Lavar cada membrana com PBS 2X. Após a lavagem 2, deixar alguns PBS nas membranas para mantê-los escorregadios, para facilitar a montagem para as câmaras. (Deve também usar este PBS para lubrificar as juntas para facilitar a montagem).
  5. Montar membranas em câmaras (usar luvas autoclavado durante a montagem)
    1. Ligar as duas principais peças do quadro usando um único parafuso.
    2. Virar o quadro e coloque uma membrana na parte superior de modo que as faces de gelatina revestido lateral em direção à estrutura (área padrão deve estar no centro).
    3. Assegurar a membrana para o quadro usando uma junta em cada lado.
    4. Pressione a juntas de, usando gentil, mesmo pressão, para não rasgar a membrana.
  6. Anexar quadro montado para T-bar.
  7. Virar o quadro e colocar em câmara de cabeça para baixo. Verso da moldura UV e membrana por 30 minutos
  8. Vire a moldura novamente, e parafuso em câmaras (sem mudança para câmara de controle, mas para câmara de estiramento, precisa usar dois parafusos para fixar a peça final do quadro para o fundo da câmara, e precisa remover o único parafuso que é segurando as duas peças do quadro juntos). Frente UV por 30 min. Certifique-se que as membranas estejam completamente secas antes de prosseguir para a próxima etapa, ou então a solução da célula pode escapar durante a semeadura.
  9. Células da semente. Área de 1 = Área da placa de 3 membranas, portanto, use 1 / 3 de uma placa confluentes por membrana. Use 1 mL de solução por célula de membrana. Mais do que 1,5 ml será difícil manter em solução. Coloque solução única célula na área de estampados, e usar a ponta da pipeta para espalhar a solução ao redor. Cubra e deixe câmaras anexar células por 30 minutos RT no capô.
  10. Mover câmaras para incubadora e vamos anexar células por mais 1 hora. Ter muito cuidado movendo as câmaras de evitar que solução da célula escorregar! As células em que câmara será arruinado se a solução cai neste momento.
  11. Retorno câmara para capô e adicionar 20 mL de mídia.
  12. Câmaras lugar em álcool limpo banheira que é coberto com folha de alumínio (também pulverizadas com álcool). Mover câmaras para esticar incubadora (10% CO 2).
  13. Câmaras de seguro para uma máquina de estiramento. Vamos anexar células mais durante a noite, e começar a esticar no dia seguinte. (Nota: quando colocar câmaras em máquina de esticar, lembre-se de bloquear a máquina na posição "zero" antes de colocar câmaras, e então aperte o elástico em volta das engrenagens Não se esqueça de desbloquear as engrenagens antes de iniciar a máquina.).

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Discussion

Banes et al. relatada pela primeira vez o uso de um sistema de estimulação mecânica das células in vitro, utilizando um substrato flexível elastomérica para entregar a força mecânica para as células 1. Desde então, muitas variações sobre este projeto ter sido concebido e utilizado. Vários sistemas de estiramento mecânico estão disponíveis comercialmente sob o nome "Flexercell" (FlexCell International Corp), enquanto que alguns laboratórios usam custom-built dispositivos. Neste protocolo de vídeo que descrevemos a configuração e uso de um dispositivo como esse em nosso laboratório.

A custom-built "máquina de esticar" descrita neste protocolo tem sido usado em vários estudos para investigar os efeitos da tensão cíclica uniaxial em diferentes tipos de células 2,3. Esta máquina é um aparelho versátil com diversos parâmetros ajustáveis ​​que podem ser usados ​​para uma variedade de estudos tensão mecânica. A configuração descrita aqui representa um método único e robusto para a entrega de tensão cíclica uniaxial para células aderentes em cultura.

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Materials

Name Type Company Catalog Number Comments
Fungizone Reagent Lonza Inc. 17-836R aliquot is 250 ug/mL, 100x, stored in -20C.
Kanamycin Reagent GIBCO, by Life Technologies 15160-054 50 ug/mL final concentration. Store stock solution at 10 mg/ml in -20C.
Gentamicin Reagent Lonza Inc. 17-518Z 50 ug/mL final concentration. Store 1000x stocks at 50 mg/mL in -20C.
Pen/Strep Reagent GIBCO, by Life Technologies 15140-122 1% final. (Also available from other companies)
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium Reagent GIBCO, by Life Technologies 11966-025
Notes on media:These uniaxial stretch experiments are prone to contamination due to the complexity of bioreactor setup. To combat this, we have tried various combinations of antibiotics and antifungal agents. The 1% fungizone usually necessary, along with a combination of antibiotics. Either use a Pen/Strep combination, OR use a combination of Kanamycin and Gentamicin (but DO NOT try using a combination/cocktail of three or more antibiotics together as it may lead to resistant mutant bacteria, and may also be detrimental to the cells).

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References

  1. Banes, A. J., Gilbert, J., Taylor, D., Monbureau, O. A new vacuum-operated stress-providing instrument that applies static or variable duration cyclic tension or compression to cells in vitro. J Cell Sci. 75, 35-42 (1985).
  2. Park, J. S., Chu, J. S., Cheng, C., Chen, F., Chen, D., Li, S. Differential effects of equiaxial and uniaxial strain on mesenchymal stem cells. Biotechnol. Bioeng. 88, 359-368 (2004).
  3. Kurpinski, K., Chu, J., Hashi, C., Li, S. Anisotropic mechanosensing by mesenchymal stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 103, 16095-16100 (2006).

Comments

4 Comments

  1. very nice - thought you might find this article of interest: Winter LC, Annals of Biomedical Engineering, 30:1²4², ²00²   by the way - what were the conditions (gas, time, temp) of your plasma treatment - cheers JŒl D. Bumgardner, PhD, Associate Professor (jbmgrdnr@memphis.edu)

    Reply
    Posted by: Anonymous
    July 14, 2008 - 9:33 AM
  2. The treatment was oxygen plasma for 1 minute. Unfortunately, I don't know the precise temperature because there's no thermocouple inside the chamber, and it's not under any sort of temperature control. The unit starts at room temp and definitely increases as time gŒs on, but I don't know the exact range that occurs within that minute of treatment. However, if you need this additional information, the manufactuer might be able to assist you. We used a "Plasma-Prep II" unit from SPI Supplies. Hope this helps! Kyle Kurpinski, PhD Candidate, UCSF/UCB Joint Graduate Group in BiŒngineering P.S. Thanks for the article. Very interesting.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    July 14, 2008 - 2:31 PM
  3. Hi thank you for your nice design for stretching device. I appreciate if you inform me about material of chamber and frames.   we have made a device for cell membarne stretching with possibility of tuning strain parameters such as frequency, amplitude and etc. do you see that useful for cell studies?   Mohsen

    Reply
    Posted by: Anonymous
    September 22, 2008 - 5:42 PM
  4. Hi Moshen, We used polysulfone to make the chambers. It's easily machined and it's relatively thermostable. The setup described in this video is also tunable in terms of frequency and amplitude of strain, and yes, we have found the controllability of these parameters to be quite useful in our studies. Thanks for the comments! Kyle Kurpinski, PhD Candidate, UCSF/UCB Joint Graduate Group in BiŒngineering

    Reply
    Posted by: Anonymous
    September 23, 2008 - 2:48 AM

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