Method Article
מאמר זה מציג שיטה חדשה לסינתזה של הידרוג'לים חוץ-תאיים של מטריצה חוץ-תאית של סחוס דה-צלולרי (DC-ECM). להידרוג'ל DC-ECM יש תאימות ביולוגית מצוינת והם מספקים מיקרו-סביבה מעולה לצמיחת תאים. לכן, הם יכולים להיות פיגומים תאים אידיאליים ומערכות העברה ביולוגיות.
הידרוג'לים של מטריצה חוץ-תאית לסחוס דה-תאי (DC-ECM) הם ביו-חומרים מבטיחים להנדסת רקמות ולרפואה רגנרטיבית בשל התאימות הביולוגית שלהם ויכולתם לחקות תכונות רקמות טבעיות. פרוטוקול זה נועד לייצר הידרוג'לים DC-ECM המחקים באופן הדוק את ה- ECM המקורי של רקמת הסחוס. הפרוטוקול כולל שילוב של שיבוש פיזיקלי וכימי ועיכול אנזימטי לסילוק החומר התאי תוך שמירה על המבנה וההרכב של ה-ECM. DC-ECM מקושר באמצעות חומר כימי ליצירת הידרוג'ל יציב ופעיל ביולוגית. להידרוג'ל DC-ECM פעילות ביולוגית מצוינת, מבנה מרחבי ופונקציית אינדוקציה ביולוגית, כמו גם אימונוגניות נמוכה. מאפיינים אלה מועילים בקידום הידבקות תאים, התרבות, התמיינות ונדידה וליצירת מיקרו-סביבה מעולה לצמיחת תאים. פרוטוקול זה מספק משאב רב ערך לחוקרים וקלינאים בתחום הנדסת הרקמות. הידרוג'לים ביומימטיים יכולים לשפר את הפיתוח של אסטרטגיות יעילות להנדסת רקמות לתיקון והתחדשות סחוס.
הנדסת רקמת סחוס היא תחום המתפתח במהירות המבקש לחדש רקמת סחוס פגועה או חולה1. אחד האתגרים המרכזיים בתחום זה הוא פיתוח פיגומים ביומימטיים שיכולים לתמוך בגדילה ובהתמיינות של כונדרוציטים, התאים האחראים לייצור סחוס2. ECM של רקמת הסחוס משחק תפקיד קריטי בוויסות ההתנהגות של chondrocytes. DC-ECM הוא פיגום יעיל ליישומי הנדסת רקמות3.
מספר טכניקות פותחו לייצור DC-ECM מרקמת סחוס, כולל שיטות כימיות, אנזימטיות ופיזיקליות. עם זאת, שיטות אלה גורמות לעתים קרובות לייצור הידרוג'לים ECM שאינם ביומימטיים מספיק, מה שמגביל את הפוטנציאל שלהם לשימוש ביישומי הנדסת רקמות 4,5. לכן, יש צורך בשיטה יעילה יותר לייצור הידרוג'לים DC-ECM.
הפיתוח של טכניקה זו חשוב מכיוון שהיא יכולה לקדם את תחום הנדסת הרקמות על ידי מתן גישה חדשה ליצירת פיגומים ביומימטיים שיכולים לתמוך בהתחדשות רקמות ותיקונן. יתר על כן, טכניקה זו יכולה להיות מותאמת בקלות לייצור הידרוג'ל ECM מרקמות אחרות, ובכך להרחיב את היישומים הפוטנציאליים שלה.
בגוף הספרות הרחב יותר, יש עניין גובר בשימוש ב- DC-ECM כפיגום ליישומי הנדסת רקמות6. מחקרים רבים הוכיחו את יעילותם של הידרוג'לים DC-ECM בקידום גדילת תאים והתמיינותם ברקמות שונות, כולל סחוס 7,8. לכן, פיתוח פרוטוקול לייצור הידרוג'ל DC-ECM המחקה באופן הדוק את ה-ECM הטבעי של רקמת הסחוס הוא תרומה משמעותית לתחום.
הפרוטוקול המוצג במאמר זה עונה על צורך זה על ידי מתן שיטה חדשנית לייצור הידרוג'לים DC-ECM המחקים באופן הדוק את ה- ECM הטבעי של רקמת הסחוס. הפרוטוקול כולל דה-צלולריזציה של רקמת הסחוס, בידוד ה-ECM המתקבל ויצירת הידרוג'ל על ידי קישור צולב של ה-ECM עם פולימר תואם ביולוגית. ההידרוג'ל שהתקבל הראה תוצאות מבטיחות בתמיכה בצמיחה ובהתמיינות של כונדרוציטים.
מחקר זה אושר על ידי ועדת האתיקה של בית החולים טונגדה במחוז ג'ג'יאנג.
1. הכנת הידרוג'ל DC-ECM
הערה: במחקר זה, הסחוס התקבל מפרקי הברכיים של חזירי באמה מיניאטוריים בני 12 חודשים, תוך הימנעות מאיסוף רקמת עצם.
2. איתור סחוס דה-צלולרי
כדי להכין הידרוג'ל סחוס DC-ECM טוב יותר, למדנו וסקרנו את הספרות הקודמת והשווינו את פרוטוקולי הדה-צלולריזציה השונים במונחים של יחס דה-צלולריזציה, אימונוגניות ופונקציונליות מכנית9.
על בסיס זה, הכנו את הידרוג'ל הסחוס DC-ECM וחקרנו את ההשפעה של ביו-דיו אקסוזום אקסוזום של מטריצת מיצוי רדיאלית/תאי גזע מזנכימליים בטיפול במומים אוסטאוכונדרליים. התוצאות הראו כי הידרוג'ל הסחוס DC-ECM היה בעל אימונוגניות נמוכה ויכול לשפר את נדידת התאים ולקדם תיקון סחוס10.
בשנים האחרונות ביצענו אופטימיזציה של הכנת הסחוס DC-ECM. הכנו את הסחוס הדה-תאי באמצעות שלבי הניסוי לעיל. התוצאות הראו שתכולת הדנ"א סולקה בסחוס הדה-תאי בהשוואה לזו שבסחוס הטבעי (p < 0.001, איור 1A). בדיקת הידרוקסיפרולין הצביעה על כך שתכולת הקולגן הייתה דומה בין הסחוס המקומי לסחוס הדה-תאי (p = 0.48, איור 1B). בדיקת DMMB הראתה שגליקוזאמינוגליקן נשמר היטב בסחוס נטול התאים בהשוואה לסחוס המקומי (p = 0.68, איור 1C). יתר על כן, SEM ו-TEM שימשו כדי לצפות באולטרה-מבנה של DC-ECM (איור 1D).
כדי להכין הידרוג'ל DC-ECM, תמיסת DC-ECM המיובשת בהקפאה הייתה מסיסה, לריכוז סופי של 2 wt%. יתר על כן, פתרון DC-ECM עורבב עם VB2, ואחריו UVA (370 ננומטר) המושרה על ידי קישור צולב (איור 2A). מיקמנו את תמיסת DC-ECM ואת הידרוג'ל DC-ECM בתוך צינורות מיקרו-צנטריפוגות (איור 2B). כאשר הצינורות היו הפוכים, ההידרוג'ל בצינורות לא זרם לתחתית, וזה היה סימן לג'לציה. זמן הג'לציה של תמיסת DC-ECM המבוססת על הרכבה עצמית של קולגן ב-37°C ללא חומר קישור צולב היה בערך 15 דקות (איור 2C). נבדקו הצמיגות והמודולוס הדינמי של תמיסת DC-ECM וההידרוג'ל. מצאנו שצמיגות התמיסה של הידרוג'ל DC-ECM הייתה גבוהה יותר מזו של תמיסת DC-ECM, וקצבי גזירה גבוהים יותר היו קשורים לצמיגות נמוכה יותר של התמיסה (איור 2D). נוסף על כך, מודולוס האחסון של תמיסת DC-ECM והידרוג'ל היה גבוה בהרבה ממודולוס ההפסד, מה שמצביע על כך שלשניהם היו תכונות של ג'ל ולא של נוזל (איור 2E). יש לציין כי לאחר קישור צולב וייבוש בהקפאה, גדלי הנקבוביות של תמיסת DC-ECM והידרוג'ל DC-ECM, שנמדדו באמצעות SEM, ירדו מ-137.672 מיקרומטר ל-37.936 מיקרומטר (p < 0.00195, איור 2F,G).
איור 1: הכנה ואפיון של הסחוס הדה-צלולרי. הסחוס הדה-צלולרי הושווה לסחוס הטבעי. (א-ג) כימות תכולת הדנ"א, הקולגן והגליקוזאמינוגליקן (GAG). n = 5, ***p < 0.001 (מבחן t של סטודנט). כל הניסויים בוצעו לפחות שלוש פעמים. (D) מבנים מיקרוסקופיים של הסחוס המקומי והסחוס הדה-תאי שצולמו עם SEM ו-TEM. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: הכנה ואפיון של הידרוג'ל DC-ECM. תחת אור אולטרה סגול, פתרון DC-ECM ו- VB2 צולבים ויצרו הידרוג'ל DC-ECM. (A) מבני מולקולות וסינתזה של הידרוג'ל DC-ECM. המראה, האפיון והתכונות המכניות הושוו בין פתרון DC-ECM לבין הידרוג'ל DC-ECM. (B) התמונות של תמיסת DC-ECM והידרוג'ל DC-ECM בצינורות מיקרוצנטריפוגות. (C) זמן הג'לציה של הידרוג'ל DC-ECM והידרוג'ל DC-ECM/VB2. n = 3, ***p < 0.001 (מבחן t של סטודנט). (D) הצמיגות והמודולוס הדינמי (E) של תמיסת DC-ECM והידרוג'ל DC-ECM. (F) מבנים מיקרוסקופיים של תמיסת DC-ECM והידרוג'ל (הגדלה נמוכה וגבוהה). פסי קנה מידה = 100 מיקרומטר. (G) גדלי נקבוביות של תמיסת DC-ECM והידרוג'ל. n = 5, ***p < 0.001 (מבחן t של סטודנט). כל הניסויים בוצעו לפחות שלוש פעמים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
פרוטוקול זה מספק גישה שיטתית להכנת הידרוג'לים מטריקס חוץ-תאיים של סחוס דה-צלולרי המחקים באופן הדוק את ה-ECM המקורי של רקמת הסחוס. הפרוטוקול כולל שילוב של הפרעה פיזיקלית, כימית ואנזימטית לסילוק חומר תאי תוך שמירה על המבנה וההרכב של ECM. השלבים הקריטיים של הפרוטוקול כוללים התאמת זמן ושיטות הדה-צלולריזציה והבטחת דה-צלולריזציה מלאה.
בהשוואה לשיטות קיימות אחרות להנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית, פרוטוקול זה מציע מספר יתרונות. להידרוג'ל DC-ECM פעילות ביולוגית מצוינת, מבנה מרחבי ופונקציית אינדוקציה ביולוגית, כמו גם אימונוגניות נמוכה, ומאפיינים אלה מועילים בקידום הידבקות תאים, התפשטות, התמיינות ונדידה11. הידרוג'ל DC-ECM יכול לשמש גם להעברת תרופות וטיפול בפגם סחוס12.
שינוי אחד שניתן לבצע בפרוטוקול זה הוא השימוש בחומרים צולבים שונים כדי לשפר את התכונות המכניות של ההידרוג'ל. לדוגמה, ניתן להשתמש בחומרים ננו-מתכתיים כדי לשפר את התכונות המכניות של הידרוג'ל13. בנוסף, ניתן לייעל את ריכוז הריבופלבין ואת זמני החשיפה לאור UV כדי לשלוט בעוצמות הדחיסה והמתיחה של ההידרוג'ל.
למרות יתרונותיה הרבים, לטכניקה זו יש כמה מגבלות שיש לקחת בחשבון. מגבלה אחת היא שתהליך הדה-צלולריזציה עלול לגרום נזק מסוים ל-ECM, מה שיוביל לשינויים בתכונותיו המכניות14. מגבלה נוספת היא שתהליך הדה-צלולריזציה עלול שלא להסיר לחלוטין את כל החומר האנטיגני, מה שמוביל לתגובה חיסונית פוטנציאלית15. יתר על כן, חשוב לציין כי הפרוטוקול המתואר במאמר זה הוא ספציפי לרקמת הסחוס, וסוגים אחרים של רקמות עשויים לדרוש התאמות לשיטת הדה-צלולריזציה.
במונחים של יישומים עתידיים, פרוטוקול זה יכול להיות מותאם עוד יותר לפיתוח הידרוג'ל DC-ECM עם עוצמות דחיסה ומתיחה שונות. בנוסף, טכניקה זו יכולה להיות מיושמת על רקמות אחרות כדי לפתח הידרוג'לים ביומימטיים עבור הנדסת רקמות ויישומי רפואה רגנרטיבית. בסך הכל, הפרוטוקול המוצג במאמר זה מספק משאב רב ערך לחוקרים ולקלינאים בתחום הנדסת הרקמות, ויש לו פוטנציאל לשפר את הפיתוח של אסטרטגיות יעילות להנדסת רקמות לתיקון והתחדשות סחוס.
למחברים אין מה לחשוף.
עבודה זו מומנה על ידי תוכנית הרפואה וטכנולוגיית הבריאות של מחוז ג'ג'יאנג (2019KY050), תוכנית המדע והטכנולוגיה של הרפואה הסינית המסורתית של מחוז ג'ג'יאנג (2019ZA026), תוכנית המחקר והפיתוח המרכזית במחוז ג'ג'יאנג (מענק מס '2020C03043), תוכנית המדע והטכנולוגיה של הרפואה הסינית המסורתית של מחוז ג'ג'יאנג (2021ZQ021), והקרן למדעי הטבע של מחוז ג'ג'יאנג של סין (LQ22H060007).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 M Tris-HCl, pH7.6 | Beyotime | ST776-100 mL | |
1 M Tris-HCl, pH8.0 | Beyotime | ST780-500 mL | |
-80 °C Freezer | Eppendorf | F440340034 | |
Deoxyribonuclease | Aladdin | D128600-80KU | |
DNEasy Blood &Tissue Kit | Qiagen | No. 69506 | |
GAG colorimetric quantitative detection kit | Shanghai Haling | HL19236.2 | |
HCP-2 dryer | Hitachi | N/A | |
Nanodrop8000 | Thermo Fisher | N/A | Spectrophotometer |
PBS (10x) | Gibco | 70011044 | |
Ribonuclease | Aladdin | R341325-100 mg | |
Sigma500 | ZIESS | N/A | Scanning electron microscope |
Spectra S | Thermo Fisher | N/A | Transmission electron microscope |
Stainless steel sieve | SHXB-Z-1 | Shanghai Xinbu | |
Triton X-100 | Beyotime | P0096-500 mL | |
Trypsin | Gibco | 15050065 | |
Ultraviolet lamp | Omnicure 2000 | N/A | |
Vitamin B2 | Gibco | R4500-5G | |
Vortex mixer | Shanghai Qiasen | 78HW-1 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved