3D-культивирование клеток методом магнитной левитации
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
магнитной левитации Трехмерное культивирование клеток методом (МЛМ) — это применение выращивания трехмерной ткани путем индуцирования клеток, обработанных магнитными сборками наночастиц , в пространственно изменяющихся магнитных полях с использованием неодимовых магнитных драйверов и стимулирования межклеточных взаимодействий путем левитации клеток до Граница раздела воздух/жидкость стандартной чашки Петри . Сборки магнитных наночастиц состоят из магнитных наночастиц оксида железа, наночастиц золота и полимера полилизина . Трехмерное культивирование клеток масштабируется: можно культивировать от 500 до миллионов клеток или от одной чашки до высокопроизводительных систем малого объема. [1] [2] [3] После создания намагниченных культур их также можно использовать в качестве материала для строительных блоков или «чернил» для процесса магнитной 3D-биопечати .
Обзор
[ редактировать ]Стандартное однослойное культивирование клеток на пластике для тканевых культур не воспроизводит сложную трехмерную архитектуру ткани in vivo и может значительно изменить свойства клеток. Это часто ставит под угрозу эксперименты в области фундаментальных наук о жизни, приводит к вводящим в заблуждение результатам скрининга лекарств по эффективности и токсичности , а также приводит к образованию клеток, у которых могут отсутствовать характеристики, необходимые для разработки методов лечения регенерации тканей. [1] [2] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
Будущее культивирования клеток для фундаментальных исследований и биомедицинских приложений заключается в создании многоклеточной структуры и организации в трех измерениях. [4] [5] [7] [8] [10] [11] [12] Разрабатывается или продается множество схем 3D-культивирования, например биореакторы. [13] или гелевые среды на белковой основе. [7] [14]
Система трехмерного культивирования клеток, известная как «Био-Ассемблер», использует биосовместимые полимеры. [1] реагенты для доставки магнитных наночастиц к отдельным клеткам, чтобы применяемый магнитный драйвер мог поднимать клетки со дна чашки с клеточной культурой и быстро объединять клетки вблизи границы раздела воздух-жидкость. Это инициирует межклеточные взаимодействия в отсутствие какой-либо искусственной поверхности или матрицы. Магнитные поля предназначены для быстрого формирования трехмерных многоклеточных структур всего за несколько часов, включая экспрессию белков внеклеточного матрикса . Матрица, экспрессия белка и реакция на экзогенные агенты демонстрируют большое сходство с результатами in vivo. полученной ткани [1]
История
[ редактировать ]Трехмерное культивирование клеток методом магнитной левитации (MLM) было разработано в результате сотрудничества ученых из Университета Райса и Онкологического центра имени доктора медицины Андерсона Техасского университета в 2008 году. [1] С тех пор эта технология была лицензирована и коммерциализирована компанией Nano3D Biosciences. [15]
Процесс магнитной левитации
[ редактировать ]
Выше представлено изображение, показывающее трехмерное культивирование клеток посредством магнитной левитации с помощью системы культивирования клеток Bio-Assembler. Буквы на рисунке означают следующее:
(А) Добавляют магнитную сборку наночастиц оксида железа, известную как «Наночелнок», и распределяют ее по клеткам, после чего смесь инкубируют.
(Б) После инкубации с помощью Nanoshuttle клетки отделяют и переносят в чашку Петри.
(C) Затем магнитный диск помещается на крышку чашки Петри.
(D) Магнитное поле заставляет клетки подниматься к границе раздела воздух-среда.
(E) Эндотелиальные клетки пупочной вены человека (HUVEC) левитировали в течение 60 минут (изображения слева) и 4 часов (изображения справа) (шкала шкалы, 50 мкм).
Начало межклеточного взаимодействия происходит, как только клетки поднимаются в воздух и начинают формироваться трехмерные структуры. Через 1 час клетки все еще относительно рассредоточены, но уже проявляют некоторые признаки растяжения. Образование 3D-структур видно через 4 часа левитации (стрелки). [1] [2]
Экспрессия белка
[ редактировать ]Экспрессия белка в левитирующих культурах демонстрирует поразительное сходство с закономерностями in vivo. Экспрессия N-кадгерина в левитирующих клетках глиобластомы человека была идентична экспрессии, наблюдаемой в ксенотрансплантатах опухолей человека, выращенных у иммунодефицитных мышей, тогда как стандартная 2D-культура демонстрировала гораздо более слабую экспрессию, которая не соответствовала распределению ксенотрансплантата, как показано на рисунке ниже. [1] Трансмембранный белок N-кадгерин часто используется в качестве индикатора сборки ткани, подобной in vivo, при 3D-культивировании. [1]
На рисунке выше показано распределение N-кадгерина (красный) и ядер (синий) в ксенотрансплантате мышиного рака мозга человека (слева: клетки рака мозга человека, выращенные в мозге мыши ), клетки рака мозга, культивированные с помощью 3D-магнитной левитации в течение 48 часов. (в центре) и клетки, культивированные на покровном стекле (2D, справа). 2D-система показывает N-кадгерин в цитоплазме и ядре и заметно отсутствует в мембране, тогда как в левитирующей культуре и мыши N-кадгерин явно сконцентрирован в мембране, а также присутствует в цитоплазме и клеточных соединениях. [1]
Приложения
[ редактировать ]Совместное культивирование, магнитные манипуляции и анализы на инвазию
[ редактировать ]Одной из проблем создания in vivo подобных культур или тканей in vitro является сложность совместного культивирования различных типов клеток. Благодаря способности трехмерного культивирования клеток с помощью магнитной левитации объединять клетки, возможно совместное культивирование различных типов клеток. Совместное культивирование различных типов клеток может быть достигнуто в начале левитации путем смешивания различных типов клеток перед левитацией или путем магнитного наведения 3D-культур в формате анализа инвазии. [1]
Уникальная способность манипулировать клетками и формировать ткани с помощью магнитов открывает новые возможности для контролируемого совместного культивирования и анализа инвазии. Совместное культивирование в реалистичной архитектуре ткани имеет решающее значение для точного моделирования условий in vivo, например, для повышения точности клеточных анализов, как показано на рисунке ниже. [1]
На рисунке выше показан анализ инвазии многоклеточных сфероидов, левитирующих на магните; [1] флуоресцентные изображения клеток глиобластомы человека (GBM) (зеленые; клетки, экспрессирующие GFP) и нормальных астроцитов человека (NHA) (красные; меченные mCherry ), культивированных отдельно, а затем вместе под магнитным контролем (слева, время 0). Вторжение GBM в NHA в 3D-культуре обеспечивает новый мощный метод базового биологического анализа рака и скрининга лекарств (справа, от 12 до 252 часов). [1] [2]
Сосудистое моделирование со стволовыми клетками
[ редактировать ]Облегчая сборку различных популяций клеток с помощью MLM, последовательного создания органоидов, называемых адипосферами , способных моделировать сложные межклеточные взаимодействия эндогенной белой жировой ткани (WAT). можно добиться [16]
Совместное культивирование преадипоцитов 3T3-L1 в 3D с мышиными эндотелиальными клетками bEND.3 создает сборку сосудистоподобной сети с сопутствующим липогенезом в периваскулярных клетках. См . рисунок ниже. [16]
Помимо клеточных линий, органогенез WAT можно моделировать из первичных клеток. [16]
Стромально-васкулярную фракцию, обедненную адипоцитами (SVF), содержащую жировые стромальные клетки (ASC), эндотелиальные клетки и инфильтрирующие лейкоциты, полученные из белой жировой ткани мыши (WAT), культивировали в 3D. Это выявило органоиды, отличающиеся иерархической организацией с четко выраженной капсулой и внутренними крупными сосудоподобными структурами, выстланными эндотелиальными клетками, а также периваскулярную локализацию АСК. [16]
При индукции адипогенеза либо адипосфер 3T3-L1, либо адипосфер, полученных из SVF, клетки эффективно образовывали большие липидные капли, типичные для белых адипоцитов in vivo, тогда как в 2D достижимо образование только меньших липидных капель. Это указывает на межклеточную передачу сигналов, которая лучше воспроизводит органогенез WAT. [16]
Этот MLM для 3D-совместного культивирования создает адипосферы, подходящие для моделирования WAT ex vivo, и обеспечивает новую платформу для функционального скрининга для идентификации молекул, биоактивных по отношению к отдельным популяциям жировых клеток. Его также можно использовать для трансплантации WAT и в помощь другим подходам к клеточной терапии на основе WAT. [16]
Организованное совместное культивирование для создания тканей, подобных in vivo.
[ редактировать ]Используя MagPen (продукт Nano3D Biosciences, Inc.), можно быстро создавать организованные трехмерные совместные культуры, аналогичные архитектуре нативных тканей. Эндотелиальные клетки (PEC), гладкомышечные клетки (SMC), фибробласты (PF) и эпителиальные клетки (EpiC), культивированные с помощью Bio-Assembler, можно последовательно наслаивать методом перетаскивания для создания бронхиол, которые поддерживают фенотип и индуцируют образование внеклеточного матрикса. [17]
Типы клеток культивируются
[ редактировать ]Ниже перечислены типы клеток (первичные и клеточные линии), которые были успешно культивированы методом магнитной левитации.
| Клетки | Клеточная линия | Организм | Ткань органа | Изображение |
|---|---|---|---|---|
| Мышиный эндотелий [16] | Клеточная линия | Мышь | Судно | [16] |
| Мышиный адипоцит [16] | Клеточная линия | Мышь | Жировой |  |
| Rattus norvegicus Гепатома | Клеточная линия | Крыса | Печень |  |
| Легочные фибробласты (HPF) [17] | Начальный | Человек | Легкое |  |
| Легочный эндотелий (HPMEC) [17] | Начальный | Человек | Легкое | |
| Мелкий эпителий дыхательных путей (HSAEpiC) [17] | Начальный | Человек | Легкое |  |
| Бронхиальный эпителий [17] | Начальный | Человек | Легкое | |
| человека Альвеолярная аденокарцинома [17] | А549 | Человек | Легкое |  |
| Альвеолярный тип II [17] | Начальный | Человек | Легкое | |
| трахеи Гладкие мышцы (HTSMC) [17] | Начальный | Человек | Легкое |  |
| Мезенхимальные стволовые клетки (HMSC) | Начальный | Человек | Костный мозг |  |
| костного мозга Эндотелиальные клетки (HBMEC) | Начальный | Человек | Костный мозг | |
| Стволовые клетки пульпы зуба | Начальный | Человек |  | |
| Эндотелиальные клетки пупочной вены человека (HUVEC) | Начальный | Человек |  | |
| Мышиные хондроциты | Начальный | Мышь | Кость |  |
| Мышиная жировая ткань [16] | Начальный | Мышь |  | |
| сердечного клапана Эндотелий | Начальный | Свинья | ||
| Преадипоциты фибробласты [16] | 3Т3 | Мышь | ||
| Нейральные стволовые клетки | С17.2 | Мышь | Мозг |  |
| Эмбриональные клетки почек человека | HEK293 | Человек | Почка |  |
| Меланома | Б16 | Мышь | Кожа | |
| Астроциты [1] | СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ | Человек | Мозг |  |
| Глиобластомы [1] | ЛН229 | Человек | Мозг |  |
| Т-клетки и антигенпрезентирующие клетки | Человек | |||
| молочной железы Эпителий | MCF10A | Человек | Грудь |  |
| Рак молочной железы | МДА231 | Человек | Грудь | |
| Остеосаркома | МГ63 | Человек | Кость |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Соуза, GR и др. Трехмерная культура ткани на основе магнитной левитации клеток. Nature Nanotechnol.5, 291-296, doi:10.1038/nnano.2010.23 (2010).
- ^ Перейти обратно: а б с д Молина Дж., Хаяши Ю., Стивенс К. и Джорджеску М.-М. Клетки инвазивной глиобластомы приобретают стволовость и повышают активацию Akt. Неоплазия 12, 453-463 (2010).
- ^ «Био-сборка в 3-D с помощью магнитной левитации - обзор технологий». Обзор технологий. Нп и Интернет. 20 августа 2012 г. < http://www.technologyreview.com/view/426363/bio-assembling-in-3-d-with-Magnetic-levitation/ >.
- ^ Перейти обратно: а б Пампалони Ф., Рейно Э.Г. и Стельцер Э.К. Третье измерение устраняет разрыв между клеточной культурой и живой тканью. Нат. Преподобный мол. Cell Biol.8, 839-845 (2007).
- ^ Перейти обратно: а б Кукерман Э., Панков Р., Стивенс Д.Р. и Ямада К.М. Переходя к адгезии клеточного матрикса в третьем измерении. Science294, 1708–1712 (2001).
- ^ Эбботт, А. Новое измерение биологии. Nature424, 870-872 (2003).
- ^ Перейти обратно: а б с Прествич, Г.Д. Упрощение внеклеточного матрикса для трехмерной клеточной культуры и тканевой инженерии: прагматический подход. Дж. Селл. Biochem.101, 1370-1383, doi:10.1002/jcb.21386 (2007).
- ^ Перейти обратно: а б Будро Н. и Уивер В. Форсирование третьего измерения. Cell125, 429-431 (2006).
- ^ Гриффит, Л.Г. и Шварц, М.А. Захват сложной трехмерной физиологии тканей in vitro. Нат. Преподобный мол. Cell Biol.7, 211-224 (2006).
- ^ Биргерсдоттер А., Сандберг Р. и Эрнберг И. Нарушение экспрессии генов in vitro - растущий случай трехмерных (3D) культуральных систем. Семин. Рак Биол.15, 405-412 (2005).
- ^ Ямада, К.М. и Кукерман, Э. Моделирование морфогенеза тканей и рака в 3D. Cell130, 601-610 (2007).
- ^ Атала, А. Инженерные ткани, органы и клетки. Дж. Ткани Eng. Реген. Мед.1, 83-96 (2007).
- ^ Билодо, К. и Мантовани, Д. Биореакторы для тканевой инженерии: фокус на механикеОграничения. Сравнительный обзор. Tissue Eng.12, 2367-2383 (2006).
- ^ Прествич, Г.Д., Лю, Ю., Ю, Б., Шу, XZ и Скотт, А. 3-D культура в синтетических внеклеточных матрицах: новые модели тканей для токсикологии лекарств и открытия лекарств от рака. Адв. Фермент Регул. 47, 196–207 (2007).
- ^ «N3D Biosciences, Inc. »О НАС». N3D Biosciences, Inc. » О НАС. Нп и Интернет. 20 августа 2012 г. < http://www.n3dbio.com/about/. Архивировано 14 декабря 2013 г. на Wayback Machine >.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Дакинаг А.С., Соуза Г.Р., Колонин М.Г. Инженерия жировой ткани в трехмерной левитационной системе культуры ткани на основе магнитных наночастиц. Тканевый англ. Часть C. -Недоступно-, перед печатью. doi:10.1089/ten.tec.2012.0198 (2012).
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Ценг, Х., Гейдж, Дж.А., Рафаэль, Р., Мур, Р.Х., Киллиан, Т.К., Гранде-Аллен, К.Дж. , Соуза, Г.Р. Сборка трехмерной многотипной модели совместной культуры бронхиол с использованием магнитной левитации. Тканевый англ. Часть C. -Недоступно-, перед печатью. doi:10.1089/ten.TEC.2012.0157 (2013)