Bioprintable Альгинатные/желатин гидрогеля 3D в Vitro модель системы вызывать клетки сфероида образование

Мы разработали гетерогенных груди Рак модель, состоящая из увековечен опухоли и фибробластов клетки, встроенный в bioprintable bioink Альгинатные/желатина. Эта модель резюмирует микроокружения опухоли в естественных условиях и облегчает формирование многоклеточного опухоли сфероидов, давая понять механизмы вождения tumorigenesis.

Сотовые, биохимические и биофизические неоднородность микроокружения опухоли родной не сведены воедино растущего увековечен рак клеточных линий, с помощью обычных двухмерных (2D) клеточной культуры. Эти проблемы могут быть преодолены с помощью методов подложке для построения моделей гетерогенных трехмерные (3D) опухоли, whereby внедряются различные типы клеток. Альгинат и желатин являются двумя наиболее распространенными биоматериалов, занятых в подложке из-за их биосовместимости, biomimicry и механических свойств. Путем объединения двух полимеров, мы достигли bioprintable композитный гидрогеля с сходства в микроскопических архитектуру родной опухоли стромы. Мы изучили печатными свойствами композиционных гидрогеля через реологии и получено оптимальное окно печати. Клеток рака молочной железы фибробластов встроенных в гидрогелей и были напечатаны для формирования 3D-модель имитирует микроокружения в естественных условиях . Bioprinted гетерогенных модель достигает высокой жизнеспособности для долгосрочного клеточной культуры (> 30 дней) и способствует самостоятельной сборки из клеток рака молочной железы в многоклеточных опухоли сфероидов (MCTS). Мы наблюдали, миграции и взаимодействия клеток рака связанные фибробластов (CAFs) с MCTS в этой модели. С помощью bioprinted клетки культуры платформ как сопредседатель культуры системы, он предлагает уникальный инструмент для изучения зависимости tumorigenesis состав стромы. Эта техника имеет высокой пропускной способностью, низкая стоимость и высокая воспроизводимость, и она может также предоставлять альтернативную модель для обычных клетки однослойная культур и животных опухоли модели для изучения биологии рака.

Хотя 2D клеточной культуры широко используется в исследовании рака, существуют ограничения, как клетки выращивают в формате монослой с единообразные концентрации питательных веществ и кислорода. Эти культуры не хватает важных клеток и клеток матрица взаимодействия в родной опухоли микроокружения (ТМЕ). Следовательно эти модели плохо пилки физиологических условиях, что приводит к аберрантных клеток поведения, включая неестественным морфологии, нерегулярные рецептор Организации, поляризацию мембраны и аномальный ген выражение, среди других условия^1,2,3,4. С другой стороны 3D клеточной культуры, где клетки раскрываются в объемном пространстве, как агрегатов, сфероидов или organoids, предлагает альтернативный метод для создания более точной в vitro условий для изучения фундаментальных клеточной биологии и физиологии. Модели 3D клетки культуры может также стимулировать клетки ECM взаимодействий, которые являются критическим физиологические характеристики родной TME в пробирке^1,4,5. Новые 3D подложке технология обеспечивает возможности для построения моделей, которые имитируют гетерогенных TME.

Является производным от быстрое прототипирование 3D подложке и позволяет изготовление 3D микроструктур, которые способны подражая некоторых сложностей живых тканей образцы^6,7. Текущий подложке методы включают струйный, экструзии и при содействии лазерной печати⁸. Среди них метод экструзии позволяет неоднородность управляться в пределах печатной матрицы путем точного позиционирования различных видов материалов в разных местах первоначального. Таким образом он является наилучшим подходом для изготовления гетерогенных в vitro модели с участием нескольких типов клеток или матрицы. Экструзии подложке успешно используется для построения аурикулярных формы подмостей⁹, сосудистых структур^10,11,12и кожные ткани¹³, что приводит к высокой печати верности и ячейки жизнеспособности. Технология также имеется универсальный материал выбора, возможность хранение материалов с клетками, внедренные с известным плотность и высокую воспроизводимость^14,,1516,17 . Натуральные и синтетические гидрогели часто используются как bioinks для 3D подложке из-за их биосовместимости, биологическую и их гидрофильные сетей, которые могут быть спроектированы для структурно напоминают ECM^{7,18 ,19,}-^20,-^21,-^22,-²³. Гидрогели также выгодно, так как они могут включать клей сайты для клетки, структурные элементы, проницаемость для питательных веществ и газов, и соответствующие механические свойства для поощрения развития²⁴ячейки. Например коллагеновая гидрогели предлагают Интегрин узлами крепления клетки можно использовать для подключения к матрице. Желатин, денатурированные коллаген, сохраняет аналогичные сайты адгезии клеток. В противоположность этому альгинат биоинертный но обеспечивает механическую целостность путем формирования сшивки с ионов двухвалентной^25,26,27,28.

В этой работе мы разработали композитный гидрогеля как bioink, состоящая из альгината и желатин, с сходства в микроскопических архитектуру родной опухоли стромы. Груди раковых клеток и фибробластов были внедрены в гидрогелей и напечатаны через bioprinter на основе экструзии для создания 3D-модель, которая имитирует микроокружения в естественных условиях . Инженерии 3D окружающей среды позволяет раковые клетки для формирования многоклеточного опухоли сфероидов (MCTS) с высокой жизнеспособности для длительных периодов клеточной культуры (> 30 дней). Этот протокол демонстрирует методики синтеза композиционных гидрогели, характеризующие микроструктуру и печатными свойствами, подложке сотовой разнородных моделей, материалов и наблюдения за формирование MCTS. Эти методы могут быть применены к другим bioinks в экструзии подложке, а также различных конструкций, моделей разнородных тканей с потенциального применения наркотиков скрининг, клетки миграции анализов и исследований, которые сосредоточены на основных клеток физиологические функции.

1. Подготовка материалов, гидрогеля и клетки культуры материалов

1. Подготовка материалов и решения
   1. Вымойте и высушите 250 мл и 100 мл стеклянные стаканы, магнитные мешалки, шпатели, 10 мл картриджи, цилиндрические насадки 25 G (длиной 0,5 дюйма) и внутренний диаметр 250 мкм. Стерилизация автоклавированием материалы их на 121 ° C/15 мин/1 атм храните материалы в стерильных условиях до использования.
      Примечание: Обратитесь к Таблице материалы для поставщиков информации.
   2. Весят 3 g альгината (3% w/v) и 7 г желатина (7% w/v) (обозначается как A3G7 ниже).
   3. Стерилизуйте следующие пункты под УФ света для по крайней мере 4 h: альгината и желатин порошков, парафин пленки, алюминиевой фольги штук 5 см²и 1 мл и 5 мл-шприцы. Стерилизовать заглушки, кончик шапки и поршни, погружая их в 70% этанола для по крайней мере 4 h и мыть их 2 x стерилизованные ультра-чистой водой.
      Примечание: Обратитесь к Таблице материалы для поставщиков информации.
   4. Распустить 4 g агарозы ультра-чистой водой и стерилизации в автоклавах.
      Примечание: Агарозы полностью распущены после процесса автоклавированием.
   5. Приготовляют раствор 100 мм безводного хлористого кальция (₂CaCl) в стерилизованные ультра-чистой воды и стерильным фильтром (с размером пор 0,22 мкм) перед использованием.
   6. Для агарозы покрытием 6-ну пластин расплава стерильных агарозы в микроволновую печь для получения жидкого раствора; Затем под кабинет биобезопасности (BSC) и с использованием 1 мл микропипеткой, добавить 2 мл на колодец и размешать осторожно, чтобы создать единый слой в нижней части скважины. Оставьте остыть и печатью хорошо с парафином фильм. Держите его при комнатной температуре (RT) до использования.
2. Подготовка A3G7 гидрогеля прекурсоров
   1. Смешайте 3 g альгината и 7 г желатина порошков в 250 мл стакан в BSC. Добавление магнитную мешалку и 100 мл DPBS. Уплотнение стакан с стерильных парафин пленки и алюминиевой фольги (5 см²) чтобы избежать загрязнения.
   2. Растворите порошки под постоянным агитации в магнитных/горячая плита с 600 об/мин при 60 ° C для 1 h и в РТ за дополнительную 2 ч.
   3. Подогрева материала при 37 ° C, до тех пор, пока гель проходит фазовый переход в жидком состоянии (для 100 мл раствора запасов гель, это занимает около 45 минут). Передача решения в стерильных 50 мл конические пробирок, запечатать их и центрифуги трубы в 834 x g 5 мин для устранения любых газовых пузырей из материала.
   4. Аспирационная гидрогеля прекурсоров в 10 мл-шприцы. Уплотнение шприцов с шапки и парафин фильм. Храните при 4 ° C до использования.
3. Культура клеток
   Примечание: В этом разделе должны выполняться в стерильных условиях.
   1. Подготовить базальной среде DMEM следующим (1 Л): в BSC, смешать 100 мл плода бычьим сывороточным (ФБС) плюс 10 мл раствора антибиотик/противогрибковое (100 x Стабилизированный раствор) в свежих стерильный контейнер. Добавить DMEM среднего для регулировки смесь до 1000 мл. Печать контейнер и держать его на 4 ° C.
   2. В ранее утепленные водяной бане (37 ° C) размораживание 1 флакон MDA-MB-231-GFP (линия клетки рака молочной железы человека GFP-меченых, ядерной локализации) и 1 флакон IMR-90-mCherry (рак связанные фибробластов клеточных линий mCherry маркировкой, с цитоплазматических локализации ) клетки от хранения жидкого азота, перемещая их нежно в воду. Как клеточных линий, так и плазмид GFP и mCherry маркировки, коммерчески доступны.
   3. Перевести 160 мкл/хорошо клеток раствора (3 х 10⁶ клеток/мл) в 6-ну тарелку и добавьте 5 мл базальной DMEM среды утепленные (37 ° C). Инкубируйте пластину на 37 °C/5% CO₂ для 24-48 ч до 80% слияния ячеек.
   4. После того, как клетки достичь слияния, отказаться от среднего и промойте клетки дважды с DPBS; инкубировать клетки с 500 мкл трипсина ЭДТА решения/скважины (0,25%, 1 x, ранее нагревается при 37 ° C) при 37 ° C за 6 мин. Затем, деактивируют трипсина, добавив 500 мкл FBS, восстановить клетки решение и перенести его на T-75 колбы. Инкубируйте их снова на 37 °C/5% CO₂ клетки до 80% слияния.
      Примечание: Объем раствор трипсина ЭДТА может варьироваться в зависимости от роста клеток судна.
   5. Повторите предыдущий шаг, чтобы работать с клетки на проход 3-4, как это, когда клетки имеют больше метаболической активности и стабильности.
   6. Подсчет количества ячеек с помощью Трипановый синий пробирного (0,4%) для определения начальной концентрации клеток, чтобы смешивать с гидрогеля.

2. измерения реологических свойств гидрогели

1. Подготовьте альгината/желатин гидрогеля прекурсоров, как описано в шаге 1.2.
   Примечание: Стерильные условия не являются обязательными для образцов, созданных для механических испытаний и анализа. Все реологических тесты выполняются в трех экземплярах.
2. Возьмите шприц гидрогеля прекурсоров и разогреть на водяной бане 37 ° C за 1 ч.
3. Включите Реометр и инициализировать систему согласно следующие шаги.
   1. Включите компрессор подключен к Реометр и пусть воздушный компрессор, запустить на 30 мин переключатель на поле контроля температуры для Реометр, включите Реометр сам и на компьютере подключен к Реометр.
   2. Откройте программное обеспечение Реометр, на панели управления нажмите кнопку инициализировать и пусть закончить процесс инициализации. Установите температуру платформы до 37 ° C на панели управления.
   3. Нажмите на вкладку измерения набор перейдите к Запустите функцию службы, в раскрывающемся меню выберите настройки драйвера инерции и Начало перестройки во всплывающем окне.
   4. Установите измерительный инструмент в Реометр параллель. Все эксперименты, проведенные здесь использовать тарелку диаметром 25 мм с 1 мм зазор между пластинами.
   5. На панели управления нажмите кнопку задать нулевой разрыв и ждать процедуры для завершения. Обратите внимание на обычных сил в ходе этого процесса.
      Примечание: После этой процедуры, нормальное усилие должно быть 0.
   6. Перейдите на вкладку измерения набор перейдите к Запустите функцию службы, выберите Регулировка верхней измерительной системы инерциии нажмите кнопку начать перестройки во всплывающем окне. После этого, нажмите треугольную кнопку на панели управления, чтобы позволить измерительный инструмент для перемещения вверх.
4. Проведение размах амплитуды.
   1. Нажмите кнопку Пуск, а затем нажмите кнопку Вставить в верхнем меню, выберите ждать из раскрывающегося меню. Потяните вверх окна установки и задать время ожидания до 2 ч.
      Примечание: Это будет добавить шаг ожидания перед проведением испытаний.
   2. Нажмите кнопку Пуск, затем снова нажмите кнопку Вставить и из раскрывающегося меню, выберите устройство. Потяните вверх окна настройки, выберите температуруи задайте его равным 25 ° C. Снимите флажок ждать, пока не будет достигнуто значение.
   3. Щелкните шаг измерения, затем щелкните переменную колебание напряжения, потяните вверх окна установки, настроить профиль для рамп логарифми измените значение на 0,001% и 100% первоначальной деформации и окончательной деформации, соответственно. Установите частоту на 0,01 Гц.
   4. Нажмите кнопку Добавить для добавления переменной температуры . Щелкните переменной температуры и задайте его равным 25 ° C. В окне pull-up разверните Калькулятор, равным 10 очков/десятилетия плотность точек .
   5. Возьмите шприц из водяной бани и выдавить около 0,5 мл прекурсоров на платформу Реометр.
   6. Нажмите кнопку вниз на панели управления кнопку треугольник. Ждать для измерительного инструмента, чтобы двигаться вниз до обрезки позиции.
   7. Лопаточкой обрезать избыток прекурсоров, которые бежали на краю измерительного инструмента и отбросить лишние материал.
   8. Пипетка минерального масла на краю измерительный инструмент и подождите, пока полностью сальники границы.
   9. На панели управления нажмите кнопку продолжить . Нажмите кнопку Пуск (зеленый треугольник), а затем нажав кнопку продолжить на экране внизу.
   10. Когда тестирование делается, отпустите измерительный инструмент и затем нажмите кнопку вверх на панели управления кнопку треугольник. Удалите средство измерения и очистить его с 70% этиловом спирте. Очистите платформы с 70% этиловом спирте.
   11. В текущем проекте щелкните шаг измерения и потяните вверх окна установки. Теперь набор частоты до 100 Гц. Держите все другие параметры без изменений.
   12. Повторите шаги 2.4.5 - 2.4.10.
   13. Щелкните диаграмму. Наблюдать за кривой G', G» против колебаний напряжения. Найти прогиб точки G' для обеих частотах (0,01 Гц и 100 Гц). Найти соответствующие колебания штаммов для обеих точек прогиб.
   14. Выберите меньше колебаний напряжения и использовать 1/10 этого штамма для всех колебаний тестов, проведенных после этого.
       Примечание: Начала G' отклонение считается конечной линейной упругой деформации (Условного), который не должен быть превышен в последующих тестах. Соотношение 1/10 обычно используется в машиностроении по соображениям безопасности. Это рассчитано, что штамм обозначается как g_C.
   15. После того, как тест будет сделано, нажмите кнопку Таблица, скопировать все данные и вставьте его в текстовый файл.
5. Провести температуры.
   1. Нажмите мои apps и выберите шаблон температура пандуса, колебательная сдвига: гелеобразования.
   2. Имя проекта.
   3. Щелкните шаг измерения в рабочем процессе. Затем щелкните переменную температуру, потяните вверх окна установки и начальной и конечной температуры составляет 37 ° C и 25 ° C, соответственно.
   4. В окне pull-up установите колебание напряжения 0,1%, частота колебаний до 1 Гц. Затем установите количество точек данных в 61. Установите частоту сбора данных на 1 очко/мин щелкните Калькулятор и задать точку плотности до 0,2 ° C/точки.
      Примечание: Это позволит температуру изменить в размере 0,2 ° C/мин.
   5. Загрузить образец на платформе Реометр и выполнить тест, выполните шаги 2.4.5 - 2.4.10.
   6. Нажмите кнопку Диаграмма, наблюдать G', G» против температуры. Найти точку G кроссовер ' и G». Найти температуру в точке кроссовер.
      Примечание: Это температура перехода золь/гель гидрогеля прекурсоров.
   7. Повторите шаг 2.4.15.
6. Проведение изотермической время развертки.
   1. Нажмите мои apps и найдите и выберите шаблон, изотермические время температура теста. Щелкните шаг измерения в рабочем процессе и затем щелкните переменную колебания напряжения, потяните вверх окна установки, равным 0,1% колебаний напряжения и частоты колебаний равным 1 Гц. В окне pull-up установите количество точек данных до 120. Задайте частоту сбора данных на 1 очко/мин.
      Примечание: Значение этого штамма основан на результатах размах амплитуды.
   2. Нажмите кнопку Добавить для добавления переменной температуры . Нажмите кнопку переменная температура в среднем окне и установите его в 25 ° C.
      1. Щелкните правой кнопкой мыши устройство перейти к точка измерения шаг в рабочем процессе, нажмите кнопку Удалить. Нажмите кнопку шаг, устройство установлено значение, снимите флажок ждать, пока не будет достигнуто значениеи установите значение равным 25 ° C. Щелкните Рисунок, капельку, кнопки внизу экрана, снимите флажок продолжить. Затем нажмите кнопку шаг, начать, имя проекта и сохраните его.
   3. Загрузить образец на платформу Реометр и начать тест, выполните шаги 2.4.5 - 2.4.10.
   4. Наблюдать за G', G» против времени. Найти точку G кроссовер ' и G». Найти время в точке кроссовер. После того, как тест будет сделано, нажмите кнопку Таблица, скопировать все данные и вставьте его в текстовый файл.
      Примечание: Это время перехода золь/гель гидрогеля прекурсора при 25 ° C.
7. Мера текучести гелеобразующего неоднократно.
   1. Нажмите мои apps и найти шаблон урожайность и потока стресс, гель как. Имя проекта. Нажмите кнопку шаг, начать в рабочем процессе. В верхнем меню нажмите кнопку Вставить и в раскрывающемся меню выберите подождать. Потяните вверх окна установки и задать время ожидания для 20 мин.
      Примечание: Это будет добавить шаг ожидания перед проведением испытаний.
   2. Нажмите кнопку Начало, затем снова нажмите кнопку Вставить и в раскрывающемся меню, выберите устройство. Потяните вверх окна установки, выбрал температуры и установите его в 25 ° C. Снимите флажок ждать, пока не будет достигнуто значение.
   3. Щелкните шаг измерения в рабочем процессе, выберите переменную касательное напряжение, потяните вверх окна установки и задать начальное и конечное касательное напряжение 0 и 10 000 Па, соответственно.  Щелкните Калькулятор, задать плотность точек 0.2 точки/Pa. На вкладке точки данных на левой стороне задайте 1 очко в секунду.
      Примечание: это приведет к стресс наращивает темпы 5 Pa/сек.
   4. Щелкните вкладку событие элемента управления в нижней части окна подтягивающий и задайте критерий остановки: остановить измерение Если сдвига > 100 s^-1.
      Примечание: Это будет автоматически остановить измерение Если дали материал.
   5. Загрузить образец на платформу Реометр и начать тест, выполните шаги 2.4.5 - 2.4.10.
   6. Щелкните диаграмму. Наблюдать за кривой деформации стресс. Найти точку отклонения напряжения и его соответствующий стресса. Повторите шаги 2.7.2 - 2.7.6, но изменить время ожидания на 30, 40 и 50 минут для каждой репликации; Это приведет к текучести в разные времена гелеобразующего.
      Примечание: Этот стресс рассматривается как явное текучести.
      Примечание: программное обеспечение кликов может отличаться Реометр моделей и версий программного обеспечения. Мы рекомендуем читателям принять ссылку параметров тестирования, мы предоставляем, время, обратитесь к руководству конкретного Реометр/программного обеспечения в практическом использовании.
       

3. эшафот дизайн, клетки Ладена гидрогеля и модели 3D печати

1. Эшафот дизайн
   1. Нарисуйте модель пропеллер как на бумаге.
      Примечание: Пропеллер как модель разработана на основе следующих соображений: она имитирует сценарий в естественных условиях , где раковые клетки находятся в окружении CAFs; (b) он уменьшает концентрацию стресса через использование круговой геометрии; (c) он является гибким, так что больше секторов может быть добавлена в модель в будущем без изменения существующей геометрии; и (d) это квартира в своей вертикальной шкале для облегчения распространения питательных веществ.
   2. Пусть центр пропеллер быть происхождение и использование символов R₀, R₁и R₂ представляют максимальный радиус внутренний круг, средней секторов и внешних секторов, соответственно. Используйте символы m и n представляет количество внутренней дуги и спицы внутри области сектора, соответственно.
   3. Вычислить координаты каждого узла на винт как модель и записать их в символические выражения R₀, R₁, R₂, mи n.
   4. Запустите сценарий программы, установить R₀, R₁, R₂, mи n в качестве переменных и ввода символическое выражение каждого ключа узла.
      Примечание: Обратитесь к Таблице материалов для любого программного обеспечения информацией.
   5. Организовать путь, который соединяет узлы и назначьте патрон для внутреннего круга, среднего секторов и внешнего сектора. Задайте толщину слоя 150 мкм и количество слоев для 4.
   6. Пусть программа вывода в текстовый файл в G-код формата, распознаваемые bioprinter.
   7. Установить Р₀ = 3,85, R₁ = 6.85, R₂ = 8.65, m = 2 и n = 5. Запустите сценарий и извлекать созданный файл G-кода. Копировать и вставить в файл bioprinter в выделенную папку G-кода.
   8. Включите bioprinter и его программное обеспечение управления. Инициализация принтера. Откройте сценарий G-код только что создали и все давление равным нулю. Возвращение в программное обеспечение управления, перейдите на вкладку торговец генератори нажмите кнопку запустить , в правом нижнем углу. Наблюдать за движущейся путь принтера.
      Примечание: Это будет проверить точность созданного G-кода. Обратитесь к Таблице материалы для информации, связанной с bioprinter.
   9. Этот шаг является необязательным. Создание демонстрационной 3D-модель, на основе параметров выше через программное обеспечение автоматизированного проектирования (CAD).
      Примечание: Обратитесь к Таблице материалов для поставщиков программного обеспечения информации.
2. Сделать предвестником клетки Ладена Гидрогель A3G7
   Примечание: В этом разделе должны выполняться в стерильных условиях. Держите bioprinter внутри BSC.
   1. Стерилизовать bioprinter путем распыления на 70% спирте тщательно и подвергая его УФ света на ночь.
   2. Возьмите шприц гидрогеля прекурсоров (при 4 ° C) и тепло его в водяной бане при 37 ° C в течение 1 ч.
   3. Возьмите T-колба с клеток (см. шаг 1.3) CO₂ инкубатора и поместите его в BSC. Отказаться от питательной среды и промойте клетки с DPBS дважды. Добавьте решение утепленные трипсина ЭДТА (3,0 мл) и инкубации клеток при 37 ° C на 6 мин неактивным трипсина же объемом FBS. Подсчет количества ячеек, используя assay Трипановый синий.
   4. Возьмите шприц гидрогеля прекурсоров из водяной бани, чистить и стерилизовать его с 70% этанол. Поместите шприц в BSC.
   5. Выдавить около 3 мл гидрогеля прекурсоров в 10 мл печати картриджа. Смешайте прекурсоров с MDA-MB-231-GFP клеток в 1 x 10⁶ клеток/мл, медленно закупорить, избегая производства пузырей. Обложка картридж с стерильным концом и верхней крышки и запечатать его с парафином фильм. Центрифуга в 834 x г за 1 мин для устранения любых газовых пузырьков производится.
   6. Повторите шаги 3.2.3 - 3.2.5 IMR-90-mCherry клеток Ладена прекурсоров и свободных клеток прекурсора.
   7. Простерилизуйте все 3 картриджи с 70% этанола и затем загрузить их в камеры bioprinter. В программное обеспечение управления принтера установите картридж температуру до 25 ° C. Подождите, 35 минут, чтобы позволить прекурсор для достижения условий печати.
      Примечание: На этот раз не влияет на жизнеспособность клеток, встроенные в гидрогеля.
3. Модели 3D печати
   1. В программное обеспечение управления принтера разверните вкладку головка инструмента в программное обеспечение управления принтера, нажмите на 1 картридж на графический интерфейс на левой стороне и нажмите кнопку меру короткие измерить положение кончик насадки. Повторите эту процедуру для других 2 картриджи.
   2. Разместите ясно полистирола микроплиты, откройте файл G-кода и изменить давление до 200 кПа для всех картриджей. Возвращение в программное обеспечение управления, перейдите на вкладку торговец генератор, выберите точку для начала печати и нажмите кнопку запустить , в правом нижнем углу. Повторите этот шаг, чтобы получить 3 больше реплицирует.
   3. После печати всех реплицирует пропеллер моделей, добавить 100 мм₂ решение CaCl перекрестные ссылки модели за 1 мин и промойте его 2 x с DPBS, чтобы удалить избыток ионов Ca⁺⁺ .
   4. Тщательно передачи модели на агарозы покрытием 6-ну пластину с помощью шпателя. Добавьте 5 мл DMEM СМИ в каждой скважине. Инкубируйте пластины в инкубаторе при 37 ° C и 5% CO₂.
      Примечание: Убедитесь, что модели являются плавающие в скважинах.
   5. Заменить средний культуры клеток свежим среднего каждые 3 дня, культура на 30 дней в общей сложности.

4. жизнеспособность и сфероида формирования эксперименты на дисках гидрогеля.

1. Подготовка диска Гидрогель
   1. Повторите шаги 3.2.1 - 3.2.6.
      Примечание: Это возможно для замены картриджа с небольшой стерильный контейнер.
   2. Используйте стерильные закончил 1 мл шприц и вырезать насадку для создания большое отверстие в шприц (отверстие имеет тот же диаметр, как и остальная часть трубку от шприца). Очистить его с 70% этанола и оставить его до тех пор, пока он высохнет.
      Примечание: Для этого в стерильных BSC.
   3. Использование хорошо пластина крышки, добавить 100 мм CaCl₂ до тех пор, пока поверхность покрыта; Затем возьмите клетки Ладена Гидрогель для заполнения шприц; выдавливание 100 мкл, используя висит падение метод. Оставьте гидрогеля за 1 мин и промойте его с чрезмерным DPBS. Передавать диски гидрогеля на пластину 6-ну агарозы-покрытием, добавить 5 мл базальной DMEM и инкубировать их в 37 ° C и 5% CO₂ на срок до 30 дней. Обновите носитель каждые 3 дня.
2. Жизнеспособность клеток и сфероида
   1. Для определения жизнеспособности клеток используйте МТС assay. Мыть каждый диск с DPBS и разрезать на 4 части с тонкой стерильные лезвия. Собирать части целого диска и передавать их на 96-луночных пластины. Затем добавить 100 мкл DMEM плюс 20 мкл Реагента МТС в каждой скважине и инкубировать смесь при 37 ° C на 2 ч.
   2. После реакции, МТС восстановить супернатант и перенести его на тарелку чистой 96-луночных. Измерение оптической плотности образцов 490 Нм.
3. Формирование сфероида
   1. Вынуть инкубирован пропеллер или диск модель из инкубатора на 0, 7, 15, 21 и 30 дней культуры и передавать их на тарелку чистой 6-хорошо.
   2. Использование диска конфокальный спиннинг инвертированный микроскоп для визуализации сфероидов и получать изображения, используя несколько позиций и z стеки. Изображения каждого винта, или модель диска, вдоль его горизонтальный диаметр слева направо с разрывом 500 мкм и приобрести z стек от дна до верхней плоскости фокуса в каждом горизонтальном положении.
      Примечание: Обратитесь к Таблице материалов для поставщиков информации.
   3. Восстановите образ с помощью максимальный стека арифметические инструмент, предоставляемый программой ImageJ, для создания 2D изображения, используемые для анализа сфероида.

5. растровая электронная микроскопия (SEM)

1. Приготовьте Гидрогель альгината/желатина, как описано в шаге 1.2.
   Примечание: Стерильные условия не являются обязательными.
   Предупреждение: Жидкий азот и параформальдегида являются опасными и должны быть обработаны с осторожностью.
2. Положите 1 мл гидрогеля в ступке, добавить жидкого азота и растереть его с помощью пестика. Продолжайте добавлять жидкий азот, чтобы избежать гидрогеля от размораживания. Передача порошка в 1,5 мл пластиковых пробирок, запечатать его и хранить его на-80 ° C на 2 ч. Freeze-dry образец для 24 h.
3. Для изображений сфероида, мыть гидрогеля нежно с DPBS 2 x, исправить клетки путем погружения в параформальдегида 4% для 30 минут при 37 ° C, а затем промойте их с DPBS и заморозить их жидким азотом. Наконец freeze-dry образец для 24 h.
4. Анализировать гидрогеля/сфероида структура и морфология с сканирующего электронного микроскопа (SEM) в 25,0 кв, до 70 Па (давление в камере) с увеличением 40 X 5, 000 X.

Температура развертки показывает четкое различие A3G7 прекурсоров при 25 ° C и 37 ° C. Предвестником жидкости при 37 ° C и имеет сложный вязкость 1938.1 МПа ± 84.0 x s, который подтверждается более G» над G'. Как при понижении температуры, предвестником претерпевает физическое гелеобразования из-за спонтанного физической запутанности желатин молекул в tri спираль формирования^29,30. Как G» и G «увеличить и сходятся в 30,6 ° C, указывающее перехода золь гель. Модули по-прежнему увеличиваться, причем снижение температуры, достигнув 468.5 ± 34,2 Па G' и 140,7 ± 9.3 Па G» при 25 ° C (рис. 1a). Основываясь на результатах развертки температуры, мы выбрали 25 ° C в качестве печати температуры. Гелеобразование кинетики эксперимент имитирует изменения температуры, которая происходит во время подготовки и обработки (т.е., удаление образец из 37 ° C водой ванны и поместив его в камеру bioprinter 25 ° C). G', G», и | η * | увеличение со временем при пониженной температуре, и золь гель переход происходит на ~ 17 мин при 25 ° C, когда G' ≈ G» ≈ 64,3 Па и фактора потерь равен 1 (рис. 1b и 1 c). Предшественник продолжает грубеют и достигает окно печати после 50-90 мин гелеобразование. В рамках этой печати окна можно плавно экструдированный прекурсоров с помощью G25 цилиндрические насадки при давлении 200 кПа. Существование текучести подразумевает твердые подобное поведение материала и поднимает структурной целостности после экструзии выдержать собственный вес³¹. Рамп стресс признает текучести в разное время гелеобразования. Результаты показывают, что урожайность стресс увеличивается с увеличением времени гелеобразования. В 50 мин гелеобразования, текучести достигает 325.9 Pa, заверив, что модель является стабильным после экструзии.

Печатных пропеллер модель показана на рисунке 2a. Конфокальная микроскопия подтверждает первоначальные экструзии местах MDA-MB-231-GFP и Гиповитаминоза-90-mCherry клеток (рис. 2b). MDA-MB-231-GFP клетки начинают разрабатывать сфероидов 15 дней в период культура, следуют увеличение размера и числа сфероидов до дня 30 (рис. 2 c - 2f). Некоторые из клеток IMR-90-mCherry также формируют агломерации (рис. 2 g - 2j). Заметно после 30 дней культуры, Гиповитаминоза-90-mCherry клетки наблюдаются в регионе первоначально оккупирована MDA-MB-231-GFP клетки (Рисунок 2f), подразумевая возможной миграции события в модели. Аналогичным образом перенесенные MDA-MB-231-GFP клетки может также наблюдаться в регионе IMR-90-mCherry доминирует на день 30 (Рисунок 2j).

Модель диска показана на рисунке 3a. Конфокальная микроскопия подтверждает однородных клеток распределения в рамках диска (рис. 3b). MDA-MB-231-GFP клетки ведут себя аналогично в модель диска, как они это делали при печати как модель пропеллер. Представитель изображения отображаются на рис. 3 c - 3f. SEM изображений показывает MDA-MB-231-GFP гидрогеля сфероид Ладена после 21 дней культуры (рис. 4a). Поколения и присутствие, сфероида проверяется путем сравнения изображений SEM с свободной ячейки гидрогели (рис. 4В).

Жизнеспособность клеток обоих типов клеток показана на рисунке 4 c. MDA-MB-231-GFP клеток выразить выше жизнеспособность клеток, по сравнению с IMR-90-mCherry клеток. Интересно, что клетки MDA-MB-231-GFP экспонат крепнущая тенденция жизнеспособности до дня 15, с утроить количество жизнеспособных клеток, по сравнению с днем 0. Это сопровождается уменьшением на 21 день, до восстановления снова на день 30. В отличие от Гиповитаминоза-90-mCherry клетки имеют минимальные колебания в жизнеспособность на протяжении периода культуры. Уменьшение значения в жизнеспособность клеток MDA-MB-231-ГФП в день 21 соответствуют большой формирования MTCSs, который разработал некротические ядер.

Рисунок 1: реологических характеристик прекурсоров гидрогеля. развертки () A температура показывает перехода золь гель на 30,6 ° C. (b-c) Гелеобразование кинетика A3G7 прекурсоров показывает увеличение G', G», и | η^*| время гелеобразования, и золь гель переход происходит в приблизительно 17 мин при 25 ° C. (d) группа показывает текучести прекурсоров по сравнению время гелеобразования. С больше гелеобразующего время наблюдается рост текучести. Результаты отображаются в среднее ± SD, n≥ 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: MCTS формирования в рамках модели в пробирке 3D bioprinted, состоящий из IMR-90-mCherry Миофибробласт и клеток рака молочной железы MDA-MB-231-GFP. () эти фотографии показывают bioprinted в vitro образца (слева) и модель CAD (справа). (b) это представитель конфокальный промежуток времени изображение показывает MDA-MB-231-GFP (зеленый) и Гиповитаминоза-90-mCherry (красный) клетки bioprinted внутри модели. (c - f) Эти зум модули показывают MDA-MB-231-GFP ячейки регионов (белой пунктирной коробки). (g - j) эти зум модули показывают ячейки регионов IMR-90-mCherry (желтой пунктирной коробки). Масштаб гистограммы являются 2 мм в группа 2aи 1 мм в группы 2b, 500 мкм в панели 2 c - 2j для отдельных областей, и увеличение 10 X. Столица «D» в образах означает «дни культуры». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: MCTS формирование внутри диска 3D MDA-MB-231-GFP-Ладена гидрогеля. () на этой фотографии изображена гидрогеля диска. (b) это представитель конфокальное изображение показывает MDA-MB-231-GFP клетки, встроенные в композиционных материалах. (c-f) Эти зум ins Показать область ячейки MDA-MB-231-GFP (белый пунктирную рамку в панели 3b) на (c) 0, (d) 7, (e) 15 и (f) 21 дней культуры. Масштаб гистограммы являются 2 мм в панели 3aи 1 мм в панели 3b, 500 мкм в панели 3 c - 3f для отдельных областей, и увеличение 10 X. Столица «D» в образах означает «дни культуры». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: морфология и клеток жизнеспособность MTCSs. () это SEM изображение показывает MCTS MDA-MB-231-ГФП в гель после 21 дней культуры, показаны малых MCTS (указано стрелкой). (b) это SEM изображение показывает альгината/желатин гидрогеля без клетки. Увеличение составляет 350 X. (c) Эта группа показывает жизнеспособность клеток MDA-MB-231-GFP и Гиповитаминоза-90-mCherry в течение 30 дней культуры в рамках гидрогеля. Результаты были проанализированы как среднее ± SD и статистически проанализированы с помощью двухсторонней ANOVA и Бонферрони после тестирования. p (*) < 0,05, n ≥ 3. Данные нормализована плотность ячеек, используемых для создания образцов на день 0. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Ячейки Ладена структуры может быть нарушена, если загрязнение (биологическое или химическое) происходит в любой точке процесса. Обычно биологическое загрязнение рассматривается после двух или трех дней культуры как цвет изменения в культуре средств массовой информации или bioprinted структуру. Таким образом стерилизации (физической и химической дезинфекции) является ключевым шагом для всех процессов, связанных с ячейками. Примечательно, желатин автоклавирования меняет ее гелеобразующего свойства, которые сделали это гель медленнее в испытаниях, которые мы провели. Таким образом мы стерилизованное альгината и желатин питания через УФ облучения. Из-за возможности весьма ограниченной проникновение ультрафиолетового света должен использоваться очень тонкий слой (< 0,5 мм). Концентрация альгината и желатина могут меняться произвольно настроить механических и биологических свойств³². В настоящей работе мы выбрали A3G7, потому что она обеспечивает желательно печатными свойствами при его печати окна, и высокоструктурированные гидрогеля обеспечивает высокую стабильность через 30-дневный эксперимент. Отопление до 60 ° C время растворения порошка в DPBS помогает активизировать liquefication желатин, который облегчает перемешивания. Может также использоваться более низкой температуры; Однако больше перемешивания затем потребуется время.

Развертки реологических температуры дает точку золь гель на 30,6 ° C, который совместим с другими публикациями³³. Теоретически любой температуры выше, чем 30,6 ° C может расплавляться прекурсоров. Мы выбрали 37 ° C для упрощения работы, как клетки культуры среднего подогретым в ванну воды 37 ° C. Основываясь на гелеобразование кинетика (до прекурсоров гели), есть приблизительно 17 мин для смешивания клеток; После этого времени смешивание клетки и прекурсоров гидрогеля затруднено из-за повышенной вязкости и модулей, вызывая неоднородность bioink клеток Ладена. Поэтому мы предлагаем, обработки клеток смешивания работу в течение первых 10 минут гелеобразующего. Предел текучести не считается атрибутом материала, который затрагивает печатными свойствами до недавно³⁴; независимо от того было широко признано полимер учеными как маркер пастообразных/гранулированный жидкости^31,35,,3637. Существование текучести помогает наращивать структурной целостности, чтобы выдержать собственный вес. Высокой текучести также может потребовать запуска увеличение давления в экструзии; Таким образом это может привести к повреждению клеток из-за чрезмерного напряжения сдвига³². Верность модель может быть нарушена, если процесс экструзии происходит вне окна оптимальной печати. Общие показатели этой проблемы приведены в структуре окончательный bioprinted: она будет либо слишком грубая или слишком жидкого на краях. A3G7 прекурсоров экспонатов оптимальной печати окна во время 50-90 мин гелеобразующего что удовлетворяет структурную стабильность и выживаемость клеток и может использоваться как средство для создания гетерогенных опухоли модели¹⁴.

Общая высота пропеллер модели составляет 600 мкм, как он генерируется из четырех слоистых 150 мкм нитей. Эта конструкция позволяет питательных веществ и газового обмена как клетки не более 300 мкм от поверхности, связавшись с СМИ во время инкубации. Выше модели достижимы в изготовлении, но являются узким местом на расстояние ограниченного распространения питательных веществ в гидрогеля³⁸, что может привести к низкой ячейку выживания в регионе основной.

Различные стратегии были разработаны в форме MCTS в пробирке, таких как сокращение вися, microfluidic чип, Ассамблея и подложке³⁹. Однако некоторые из этих методик можно изменить ячейку физиологии и биохимии, генерации поведения различных клеток, которые происходят в нормальных опухолевой ткани. К примеру висит падение метод силами одной клетки остаться как агрегаты клеток через физические родов⁴⁰. Кроме того химической индукции форме MCTS добавлением пептид может изменить биохимии сфероидов⁴¹. Гидрогель композита, описанные здесь позволяет MCTS формирования путем создания биомиметических среды без внешние раздражители. Начав как один хорошо рассеянных клеток, после 7 дней культур, реорганизовать клетки как малые MCTS (более 6 ячеек на сфероиде), увеличивая их размер и количество в течение 30 дней культуры.

В результаты этого исследования мы обнаружили, что MDA-MB-231-GFP сфероидов снижение жизнеспособности клеток на 21 день, соотнося это явление с образованием больших сфероидов. Твердые опухоли состоит из трех различных слоев, в которой внешний слой представляет высокий распространения скорость по сравнению с средний слой и внутренней некротические или стареющей ядро сфероида¹⁸. Это могло бы объяснить снижение жизнеспособности в результатах.

(1) bioink динамика и совместимость типов клеток (2) этого ограничения настоящего Протокола. Bioink динамика ссылается на различные свойства материала во время процесса гелеобразования, что приводит к оптимальной печати окна, за пределами которого неисправен печатных структура. Совместимость типа ячейки ссылается на неспособность некоторых типов клеток (линия клетки или первичной культуре) поведение родной в естественных условиях .

Гидрогель A3G7 достигает высокой стабильности и клеток жизнеспособности. Для построения моделей 3D разнородных болезни с высокой пропускной способностью, низкая стоимость и высокая воспроизводимость как более реалистичной альтернативой традиционным клеточной культуры и мелких животных опухоли модели может использоваться 3D подложке.

Авторы не имеют ничего сообщать.

Дао Цзян благодарит Китай Стипендиальный Совет (201403170354) и МакГилл инженерных докторской премии (90025) для финансирования их стипендию. Хосе G. Мунгиа-Лопес спасибо КОНАСИТ (250279, 290936 и 291168) и FRQNT (258421) для финансирования их стипендию. Сальвадор Флорес-Торрес спасибо КОНАСИТ за их стипендию финансирования (751540). Джозеф м. Kinsella благодаря национальной науки и инженерных исследований Совет, Канадский фонд для инноваций, Фонд семьи Таунсенд-Lamarre и Университет Макгилла для их финансирования. Мы хотели бы поблагодарить Аллен Ehrlicher за предоставленную нам возможность использовать его Реометр, Dan Николау за предоставленную нам возможность использовать его конфокального микроскопа и Мораг парк для предоставления нам доступа к дневно обозначенные клеточных линий.