一个人的3D组织工程 * These authors contributed equally

Bioengineering
 

Summary

方法来创建三维人体肿瘤组织的测试系统进行了描述。这些技术是基于脱细胞生物血管支架(BioVaSc),原代人细胞和肿瘤细胞系,可在静态中的流动生物反应器中的动态条件下培养,以及。

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Moll, C., Reboredo, J., Schwarz, T., Appelt, A., Schürlein, S., Walles, H., Nietzer, S. Tissue Engineering of a Human 3D in vitro Tumor Test System. J. Vis. Exp. (78), e50460, doi:10.3791/50460 (2013).

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Abstract

癌症是人类死亡的主要原因之一。目前的治疗策略主要开发的二维培养系统,这充分体现在体内生理条件。生物3D矩阵提供的细胞中,细胞能够自我组织的环境,使组织的组织和细胞分化的研究。这样的支架可以被接种了不同的细胞类型,以研究直接三维细胞 - 细胞相互作用的混合物。要模仿癌症肿瘤的三维复杂,本集团已开发出一种三维体外肿瘤测试系统。

我们的3D组织的测试系统模型的恶性外周神经鞘瘤(MPNSTs),这是我们与我们的脱细胞猪空肠段取得的生物血管支架(BioVaSc)建立了在体内的情况。在我们的模型中,我们重新植入一个修改BioVaSc矩阵初级成纤维细胞,微血​​管内皮细胞(mvECs)和S462肿瘤细胞系。对于静态文化,BioVaSc的血管结构被删除,剩下的脚手架被切开一侧(小肠黏膜下层SIS-MUC)。由此产生的矩阵,然后两个金属环(细胞冠)之间固定。

另一种方法是培养的细胞接种SIS-MUC在流动生物反应器系统,它公开了细胞的剪切应力。这里,所述生物反应器被连接到在自建培养箱的蠕动泵。一种计算机通过调节参数例如血压,温度和流速的动脉氧气和营养供应。这种设置允许动态文化,无论是压力调节脉动或流量恒定。

在这项研究中,我们可以成功地同时建立一个静态的和动态的三维培养系统MPNSTs。建模癌症肿瘤中更自然的三维环境的能力将使发现,测试和验证未来医药在人类类似的模型。

Introduction

新的药品必须考虑到他们的质量,安全和市场认可之前疗效进行验证。迄今为止,动物实验是药物测试和验证的标准方法。然而,由于物种特异性差异,动物实验往往不全面地评价在人1的化合物的效果。出于这个原因,它以产生可用于新的药物和物质的体外试验人体组织模型是重要的。

我们的一个小组的重点是建立在体外试验模型与我们的生物血管支架(BioVaSc)2,3。该BioVaSc可以用作静态或动态三维矩阵系统。对于静态的文化,脱细胞猪空肠段(小肠黏膜下层SIS-MUC)被放置在一个金属插入细胞重新植入。各种细胞,如肿瘤细胞和内皮细胞可以培养在支架上。

4的分化或增殖,其作用。对于在组织工程领域的生物反应器,其基本概念是为了模拟在人体内的条件。其特征在于,将细胞提供了一种自然的环境,使它们可以彼此和它们周围的细胞外基质相互作用。用于生产的体外试验系统或移植,以模仿细胞的天然环境与适当的载体结构和生物反应器系统的能力是至关重要的5。因此,更复杂和技术要求的设备必须开发为了完成这些任务6。

而且,可以使用我们的脚手架为滹一个血管模型的由于保留的管状结构,其包括供血动脉,静脉和连接毛细血管床ishment。所有猪细胞需要通过化学,机械和酶脱细胞被除去,并且该支架γ-灭菌的。还原的管状血管结构可以随后被重新接种使用的再循环灌注生物反应器7,它模仿生物力学和/或生物化学参数如pH,温度,压力,营养供应和废物清除6人微血管内皮细胞。的再内皮化管状结构的创建人血管等效的胶原支架3,7内。在下面的步骤中,前腔(黏膜)的表面可以与人原代细胞被接种到建立共培养3,7,8。

在这项研究中一个三维肿瘤测试系统设置为通过共培养原发性ST肿瘤细胞系romal细胞在SIS-MUC静态和动态条件下。

Protocol

1。该BioVaSc脱细胞

  1. 冲洗猪空肠段的血管系统通过插管动脉进入和肠腔用PBS - 。重复,直到它完全干净。
  2. 准备一个直径200毫米的玻璃容器4的适配器,并通过硅管将它们连接到蠕动泵(ISMATEC)。压力控制单元可以通过一个连接到一个无菌的一次性圆顶(参见图1)的压力传感器来监测。
  3. 填写水库瓶脱细胞(DZ)解决方案,并检查管道系统可能的气泡。
  4. 连接肠腔用电缆扎带将玻璃连接器管腔流。泵500毫升DZ溶液到血管系统中的红色动脉进入( 图1B)。中断泵送过程每隔15分钟很快手动按出整个肠腔。
  5. 在decellularizati上的过程中,缓冲溶液的压力应在80 - 100毫米汞柱,自然血压后建模。
  6. 洗BioVaSc用PBS -直到它是免费的细胞残余的(“全白”)。
  7. 完全与DZ的解决方案填补了BioVaSc和孵化它在DZ的解决方案,淹没了晚上,在4℃的摇摆振动筛。
  8. 重复步骤1.6。
  9. 将BioVaSc在DNA酶溶液孵育过夜,4℃的摇摆振动筛。
  10. 去除DNA酶液和冲洗用洗涤缓冲液。
  11. γ-灭菌用25千戈瑞

2。在不同的细胞类型

2.1分离的原代人皮肤微血管内皮细胞(mvECs)和成纤维细胞的

  1. 切开皮肤活检(最好是阳茎外鞘)为2条- 3毫米宽用手术刀和冲洗一下,用PBS 3倍-解决方案。
  2. 盖上分散酶溶液中的组织和培养了16 - 18小时,在4℃下
  3. 从真皮层有2个独立的镊子表皮和两个分别转移到装有PBS +培养皿。
  4. 清洗真皮剥离1X与维尔烯。
  5. 加入10 ml胰蛋白酶/ EDTA溶液到真皮片孵育它在孵化40分钟。
  6. 立即停止用1%FCS的酶反应。
  7. 皮肤转移到带培养皿充满VascuLife和挠出每个条带用手术刀8X每边,增添了几分压力。
  8. 通过细胞过滤器传送所生成的细胞悬浮液到一个离心管中,冲洗细胞3次过滤器与VascuLife。
  9. 离心管中以1200×g离心5分钟,重悬细胞沉淀用VascuLife。
  10. 为了分离成纤维细胞,真皮印章剥离到使用手术刀的小件。
  11. 加入10 mL的胶原酶溶液至真皮件。
  12. 孵育它在孵化器45分钟,然后离心它,小心地取出苏pernatant。
  13. 用DMEM +10%FCS +%PenStrep,离心洗沉淀1x和小心取出上清液。
  14. 重悬沉淀在培养基中,并将其传输到一个T75培养瓶中,以使细胞生长出的组织。

2.2肿瘤细胞系S462

肿瘤细胞系S462(由尼古拉HOLTKAMP博士,查理特大学医学柏林惠赠)是从一个女性患者的恶性神经鞘瘤产生与遗传性肿瘤易感综合征型神经纤维瘤病1 9。 S462是培养于DMEM补充有10%FCS。介质已被改变,每2 - 3天。每周一次的细胞必须被分割。

3。肿瘤测试系统:与动态文化在生物反应器系统静态培养条件相比

  1. 切管SIS-MUC打开一侧并固定两个金属环(细胞冠,直径10毫米,自我℃之间onstructed)。覆盖SIS-MUC在细胞培养液中过夜。
  2. 种子分离的细胞中所定义的细胞数目(参见下文)上的SIS(单 - 或共培养建立)的一侧或两侧。
    1. 种子8000细胞初级mvECs在100微升的总体积到SIS(原浆膜)的基底外侧表面/厘米2。 3小时后填入良好,中等,确保淹没的文化。
    2. 允许内皮细胞粘附3天。 180°翻转静态培养系统,并将其转移到一个12孔板中。
    3. 500微升的SIS(原管腔的一侧)的顶表面的总体积内的种子初级真皮成纤维细胞(8000个细胞/ cm 2)和肿瘤细胞(15,000细胞/ cm 2)的混合物。
    4. 让细胞附着3小时,并填充以及与介质(浸没培养,培养基:50%Vasculife +50%DMEM补充有10%FCS)。
    5. 在静态条件下的肿瘤测试系统培养T 37℃,5%CO2培养箱额外的14天。更换培养液,每2 - 3天。
  3. 对于动态的文化,修复SIS-MUC两个金属环之间和3.2.1中描述的种子主要mvECs。 3天之后,从金属环中删除SIS-MUC并插入细胞膜进入流反应器(参见图2C和2D)。申请的首要真皮成纤维细胞和肿瘤细胞,用注射器和插管在基质中的生物反应器,以及使细胞与培养液填充所述生物反应器系统之前附着3小时。
  4. 在翌日动态培养条件与常数的介质流量(3.8毫升/分钟,37℃,5%CO 2)可以启动。动态培养保持14天,培养基后7天内改变。
  5. 动态测试装置是在培养的自建孵化器,通过泵和必要的温度和CO 2提供媒体流

4。表征方法分析

4.1固定和石蜡包埋的种子胶原基质的

  1. 对于(免疫)组织学表征除去培养基并修复组织用4%多聚甲醛2小时。
  2. 拆下4%多聚甲醛和金属嵌件传送SIS的一个组织包埋盒。水组织以除去残留的固定液和脱水石蜡浸润。
  3. 之前在石蜡块包埋,切SIS在2 - 3片,将它们放置在一个石蜡填充金属底座模具使得切割面朝下。增加对模具为依托的顶级组织录像带。
  4. 切5μm的切片,它们漂浮在40℃水浴拉直,然后装入滑动到合适的载玻片上。未涂布的载玻片用于H&E染色,聚赖氨酸包被的载玻片进行免疫组织化学染色,以改善附件。让切片彻底干燥。
  5. 融化的石蜡,用二甲苯将其删除,并补充水分切片染色后。

4.2染色

  1. 再水合片可以用苏木精/伊红染色作为一种标准化的概述染色。
  2. 为immunhistological染色,固定和石蜡渗透组织切片必须经过一个抗原修复,以允许抗体识别和结合到其特异性抗原决定簇。因此,脱石蜡和再水化的载玻片放置在蒸汽烹调器以20分钟加热的柠檬酸盐缓冲液(pH 6.0)。
  3. 转移到载玻片洗涤缓冲液(0.5M TBS缓冲液+0.5%吐温)和圆切片用PAP笔,以尽量减少染色溶液至所需体积。
  4. 将滑动在湿气室内。以取得的抗原 - 抗体结合特定的辣根过氧化物酶介导的可视化,将内源性过氧化物酶必须是饱和的,用3%的过氧化氢。
  5. 主要antibODY稀释液施加到片,温育1小时,在室温,小心地用洗涤缓冲液洗掉。
  6. 用于检测特定的抗原 - 抗体绑定的超视界双币种检测系统HRP DAB(Thermo Scientific)进行,根据所建议的协议中使用。
  7. 细胞核用苏木精复,持续1分钟。
  8. 滑动安装与含水介质,干燥,并用倒置显微镜成像。

Representative Results

如图1B所示 ,我们脱细胞猪空肠段(长度为约2米,直径20毫米)与毛细管网络的保藏的管状结构。经过化学,酶促和机械脱细胞中,我们得到的胶原Ⅰ/Ⅲ支架,它可以被用于三维细胞培养物。甲富尔根试验以证明矩阵(数据未示出)的纯度(无DNA的残余)。

图2A2B显示SIS-MUC的静态培养的细胞牙冠固定。我们固定的SIS-MUC在内部设计的生物反应器( 图2C)进行动态文化。 图2D说明模拟动态流过生物 ​​反应器的腔。所述生物反应器被放置在一个自建培养箱系统和用蠕动泵连接。此设置允许动态的文化,无论是压力调节脉动流或c恒定流量。

图3给出了在二维单作静态培养的S462肿瘤细胞系的概述( 图3A)和在三维共培养( 图3B-3D)。图3B示出的肿瘤细胞S462和SIS的根尖侧初级成纤维细胞的三重培养-MUC(原内腔侧)和MVEC的基底侧(原浆膜侧)。不同类型的细胞的识别可以通过染色细胞类型特异性标志物,如血管性血友病因子标记MVEC( 图3C)。在p53阳性S462细胞可以从p53阴性初级成纤维细胞( 图3D)和细胞的三维分布,可以分析区分开来。 图4显示了染色相当于图3中的动态培养的三重培养物。

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图1。脱细胞设置。 (一)生物反应器和泵的设置,用来在脱细胞BioVaSc,由PC监控。(B)脱细胞BioVaSc在玻璃缸。管腔和动脉入口被连接到适配器。 。

图2
图2。以上观点不同的文化调校的。 (一)CAD节静态文化体系中微量滴定孔板图,(B)金属嵌件的静态文化,(C)介质流动模拟(速度场[米/秒])为流动生物反应器的上盖动态文化(D)流生物反应器连接到蠕动泵动态培养。 点击这里查看大图

ENT“FO:保持together.within页=”总是“> 图3
图3。静态三维肿瘤模型的免疫组织学特征的概述。 (一)苏木S462细胞上和Permanox幻灯片的静态培养2D单文化的污点,静态培养的3D三重文化(二)H&E染色,箭头标记血管内皮细胞,(三)免疫组化染色血管性血友病因子(D )免疫组化染色p53基因。 点击这里查看大图

图4
,(B)免疫组化染色血管性血友病因子(C)免疫组化染色p53基因。 点击这里查看大图

Discussion

当比较的二维和三维培养系统在肿瘤研究,3D系统,尽管是更昂贵的方法,已被证明在模拟生物微环境的条件较好。它可以表明,某些肿瘤细胞的生长慢得多的三维培养比在普通2D培养12,这是根据在一个真正的肿瘤的情况。比斯尔和同事显示在他们的工作中致癌乳房细胞的行为反映了体内的情况,包括细胞形态和信令,更准确地,当一个基体中的三维培养提供了细胞-细胞外基质相互作用。此外,他们强调通过证明改变环境的相互作用导致了恶性细胞的复归到正常表型的细胞外环境中的三维的重要性。此外,最重要的是,这些结果也可以在体内动物模型10,11证实。

ontent“> 在体内动物实验和体外组织模型的直接比较显示出的优点和缺点,在这两个系统。 体外模型的一个优点是一个更好的实时或固定成像显微镜的权限。一个限制是它们模仿静态或短期的条件,而在体内系统往往进步,目前缺乏血管和小分子的正常的运输,宿主的免疫应答,和其它细胞-细胞相互作用的体外模型12的进一步的缺点,因此,三维体外系统在本研究中提出提供了一个有前途的除了动物实验,他们提供了一个更好的可比性,以人的机体,因此尽量减少实验误解。仿生体内模型系统将会因此变得更加相关研究癌症和转移扩散是如何依赖该规范tumorig微环境条件香根草11。

我们的研究表明,由SIS-MUC提供的三维环境导致更瘤样组织形成的细胞,这是不常见的二维细胞培养物观察到(参见图3A)。此外,使用从肿瘤活检源性原代细胞是实现个性化医学,一门学科,旨在确定依赖于患者的个性化需求的最佳治疗非常重要的一步。结合主要针对具体患者的肿瘤细胞从活检材料中分离将允许治疗策略体外测试。这样的测试系统将使得有可能在时间和节省成本的高通量筛选研究不同的药物和它们的组合。此外,肿瘤相关的基质细胞,如本研究中的整合是为个人化的方法很重要,因为肿瘤的微环境影响肿瘤进展和13可能被证明为suitab乐治疗靶点。

可替换地,以个人化的方式,我们的肿瘤模型可以被修改以作为广义的肿瘤的测试系统所确立的致瘤细胞系的结合。这是一种很有前途的适应基础研究的目的。对于这两种药物测试接近的血管结构的存在是必需的,以测试的治疗性物质的分布和吸收。在SIS-MUC矩阵使得基底播种原发性MVEC阻隔吸收的研究中,BioVaSc的保留血管结构的补种将进一步提高给药的研究。

为了创建组织模型中,三维生物可降解基质可作为框架对不同类型的细胞14的共培养。使用这样的三维基质通常是由不存在的功能性血管的限制。这个问题可以通过使用BioVaSc,它提供了保藏血管海峡的解决uctures,它可以被重新接种内皮细胞。此外,BioVaSc提供外成分,这确保了细胞的粘附和促进组织分化。它还使之生物人工肝三维组织7,8,15长时间的组织特定功能。的前提,功能性血管代用品的工程是人的生理和生物力学条件的模仿。因此,生物反应器系统,它可以在体外实现这些需求,对于创建生物肿瘤模型中极大的兴趣。

该BioVaSc的组合,所述生物反应器技术和共培养不同的细胞类型是一个非常有前途的方法来生成血管化的肿瘤组织,这将允许相关的癌症的进展,如血管生成和转移的机制的研究。我们通过提供同等看到这样的肿瘤模型作为一种很有前途的方法来补充动物研究人类肿瘤生理学。

Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgements

作者要感谢一月汉斯曼(弗劳恩霍夫IGB,斯图加特)对他的技术支持,以发展生物反应器和生物反应器的孵化器。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Collagenase solution SERVA 17454 (500 U/ml)
Dispase solution Gibco 17105-041 (2.0 U/ml)
DMEM, high-glucose PAA G0001,3010
DNase ROCHE 10104159001 200 mg solved in 500 ml PBS+ + 1% PenStrep
DZ solution Roth 3484.2 34 g Sodium Desoxychelate, in 1 L Ultra-pure water
FCS LONZA DE14-801F
IHC-Kit DCS SuperVision 2 HRP DCS PD000KIT
medical pressure transducer MEMSCAP SP844
monoclonal mouse anti-human Von Willebrand Factor DAKO Cytomation M0616 Clone F8/86 0.12 μg/ml
mouse monoclonal anti-human p53 DAKO Cytomation IS616 Clone DO-7 ready-to-use
peristaltic pump Ismatec
sterile disposable dome MEMSCAP 844-28
Trypsin / EDTA solution PAA L11-003 0,05%
VascuLife (VEGF-Mv) Lifeline LL-0003
Versene Gibco 15040-033

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References

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Comments

2 Comments

  1. Hi, I am currently working on fish guts and am interested in trying to apply your method to my tissue sections. Would it be possible to find out a little more information about the process, especially the self made rings. Information such as what material was used and tensile strength would be ideal and whether you had tried going smaller then 10mm with any success?

    Reply
    Posted by: Laura L.
    August 21, 2013 - 9:18 AM
  2. Hi,
    thanks for your comment and your interest to adapt our method.
    The metal rings we use are out of stainless steel (V4A). We tried out smaller diameters as well. Therefore we used the cell crown inserts from Scaffdex (http://www.scaffdex.com/sivut/cellcrownâ;„¢48), that are commonly available for 6 / 12 / 24 / 48 and 96 well plates. For our application the 48 well plate inserts were too small, because the porcine gut matrix is very rigid. But maybe it's suitable for your fish guts!?
    About the tensile strength I can not tell you a number, we never measured the strength, it depends also on the tolerances with which your rings are manufactured.
    We wish you success with your experiments.
    Best regards.

    Reply
    Posted by: Jenny R.
    August 22, 2013 - 8:27 AM

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