Nous présentons ici une méthode pour un modèle humain in vitro de lésion extensible dans un format 96 puits sur une échelle de temps pertinent à l’impact d’un traumatisme. Cela inclut des méthodes de fabrication des plaques étirables, quantifier l’insulte mécanique, cultivant et blessant des cellules, l’imagerie et haute analyse de contenu pour quantifier le préjudice.
Traumatisme crânien (TCC) est un défi clinique avec taux élevé de morbidité et de mortalité. Malgré des décennies de recherche pré-clinique, aucun traitements éprouvés pour TBI n’ont été développés. Cet article présente une nouvelle méthode pour la recherche pré-clinique neurotrauma destiné à compléter les modèles précliniques existants. Elle introduit la physiopathologie humaine grâce à l’utilisation de neurones de dérivés de cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSCNs). Il réalise des impulsions de chargement durée similaire pour les durées de chargement des cliniques fermées des blessures de choc de la tête. Il utilise un format de 96 puits qui facilite les expériences d’un débit élevé et fait un usage efficace des cellules coûteux et les réactifs de la culture. Membranes de silicone sont d’abord traitées pour supprimer neurotoxique polymère non polymérisée et ensuite collés aux organes de la plaque à 96 puits commerciaux pour créer des plaques de 96 puits extensibles. Un dispositif sur mesure est utilisé en retrait de tout ou partie des culs bien de dessous, induisant une déformation mécanique equibiaxial qui blesse mécaniquement les cellules en culture dans les puits. La relation entre la profondeur d’indentation et sollicitations mécaniques est déterminée empiriquement à l’aide de vidéographie de haute vitesse de fond bien au cours de la mise en retrait. Cellules, y compris hiPSCNs, peuvent être cultivées sur ces membranes de silicone à l’aide de versions modifiées des protocoles de culture de cellules conventionnelles. Fluorescents images microscopiques des cultures cellulaires sont acquis et analysés après blessure de façon semi-automatique pour quantifier le niveau de dommage dans chaque puits. Le modèle présenté est optimisé pour hiPSCNs mais pourrait, en théorie, être appliqué à d’autres types de cellules.
TBI est une cause majeure de mortalité et de morbidité dans les États Unis, provoquant le décès environ 52 000 et 275 000 hospitalisations chaque année1. Plus de 30 essais cliniques de produits thérapeutiques candidat pour TBI ont été menées sans un seul succès2. Cet échec uniform donne à penser que l’homme des processus séparer TBI humaine de la physio-pathologie observée dans des modèles précliniques couramment utilisés.
L’avènement de hiPSCNs a créé une occasion d’étudier la neurotraumatologie un modèle humain in vitro . Avec modèles axés sur les hiPSCN de dépistage de drogue peut produire des résultats qui sont plus prédictives du succès clinique que les modèles utilisant des cellules de rongeurs. En outre, hiPSCNs peuvent être génétiquement manipulés pour isoler et étudier l’effet des variants génétiques humains individuels sur la pathologie3.
La méthode décrite dans ce manuscrit est conçue pour apporter les avantages uniques de maladies hiPSCN modélisation de neurotraumatologie. In vitro le modèles de lésion extensibles de neurotraumatologie sont bien établis4,5,6 avec les cellules primaires de rongeurs et de lignées cellulaires cancéreuses neurales humaines. La plupart de ces modèles génère stretch par chargement pneumatique une membrane de silicone. Cette approche est efficace dans un format bien simple mais s’avère difficile à l’échelle jusqu’à un format multipuits7. En conséquence, il n’a jamais été un écran de haut débit pour les agents traiter des neurones lésés extensibles.
Dans ce modèle, la membrane s’étend en raison de la mise en retrait du dessous avec un pénétrateur rigide. Cette approche a été démontrée à plusieurs reprises pour générer une pathologie cliniquement pertinente in vitro dans les systèmes simples bien8,9,10. Nos travaux récents ont montré qu’il évolue facilement vers le haut pour un format 96 puits tout en conservant des durées d’impulsion sur l’ordre de plusieurs dizaines de millisecondes11, qui est la fois domaine de fermé le choc de la tête des événements12,13.
En résumé, les principaux avantages de ce modèle de blessures in vitro sont le format 96 puits, l’utilisation de hiPSCNs et le domaine temps cliniquement pertinente de l’insulte.
La clé à l’obtention d’un accord, phénotype biofidelic dans ce modèle applique une insulte mécanique conforme biofidelic. Ce modèle peut générer des impulsions durée aussi brève que 10 à 15 ms, qui ressemblent aux durées d’impulsion pour tête anthropisation selon expériences cadavériques12,13. La cohérence de cette insulte dépend de l’alignement entre la plaque et le bloc de pénétrateur et lubrification cohérente des indenters. Lorsque le bloc de pénétrateur est bien aligné, il n’y aucune tendance dans la souche appliquée à travers des lignes ou des colonnes (Figure 2). Une mince couche de lubrifiant crée généralement moins de friction qu’une couche épaisse et visqueuses graisses ne sont pas recommandés parce qu’ils encrassent le silicone et obstruent le passage de la lumière au cours de la microscopie. L’amplitude de déplacement de la scène réelle peut parviendrait pas substantiellement l’amplitude de déplacement prescrite lorsque plusieurs indenters sont utilisés, et l’amplitude de déplacement de phase réglementaire est de grande taille (> 3 mm). Cependant, le déplacement réel est inférieur le déplacement prescrit à grande amplitude, mais il reste répétable (Figure 2 b). Par conséquent, amplitudes de déplacements grand, réelle peuvent être obtenues de fiable en entrant une valeur prescrite supérieure à la valeur souhaitée. Amplitude du déplacement des questions uniquement parce que c’est un proxy facilement enregistré pour la souche de membrane de pointe, qui mesure directement l’insulte mécanique qui induit la pathologie. Par conséquent, la procédure décrite pour déterminer la déformation de la membrane par déplacement de phase est essentielle. Ce processus doit être répété si importants changements sont apportés au système qui affectent l’interaction entre la plaque et les indenters, par exemple s’il est différent indenters de diamètre, avec pénétrateur différents matériaux ou revêtements ou différents types de silicone plaque de fond sont utilisés. Le processus de réalignement du bloc avec pénétrateur et de déterminer la position zéro doit être répété au début de chaque expérience. Une représentation schématique de l’appareil d’étirement est illustrée à la Figure 1. Modèles CAO nécessaires à la reproduction de l’appareil sont fournis à titre de matériaux supplémentaires : “lésion périphérique – assemblage complet – 3D génériques. ÉTAPE ‘ ; la nomenclature associée fournie commesupplémentaire tableau 1 : Custom construit des dispositifs – BOM.xlsx. Voir aussi complémentaire 2 96 bien plateau _loader – Diagram.xlsx de câblage de brochage, qui décrit les connexions de câbles qui relient les différents composants des systèmes. « Interconnector_circuit_board.dip » décrit un circuit imprimé qui interconnecte les câbles.
Si le périphérique est désactivé dans la scène vers le milieu de sa course, la scène se déplace après que l’alimentation électrique est coupée, parce que c’est à ressort. Lorsque le courant est rétabli, la boucle de rétroaction permet de détecter une différence importante entre la dernière position connue prescrite et la position effective. Cela entraînera la scène pour bouger brusquement au poste, qu’elle était avant de l’appareil a été désactivé. Ce mouvement brusque peut entraîner des erreurs dans la sortie de l’encodeur, donc il faut désactiver l’appareil que lorsqu’elle repose dans son non alimentés position au sommet de sa course.
La pince de fabrication vise à rassembler le bas de corps et silicone plaque d’une manière qui permet une adhérence optimale. À cette fin, il y a trois caractéristiques essentielles dans la conception présentée dans le fichier supplémentaire ‘ Die Presse – 3D génériques. ÉTAPE ‘. Tout d’abord, le support de corps de plaque de serrage est parallèle au fond silicone. Si c’est correctement construit, il ne faudra aucun ajustement après l’installation initiale. Deuxièmement, la couche de mousse en caoutchouc dans la pince fournit une petite quantité de conformité dans le cadre de la plaque, comme un système complètement rigide subirait théoriquement une augmentation soudaine de zéro force de serrage à l’infinie force de serrage lors de la fermeture de la pince. La position de la barre transversale et vis de réglage du collier sont réglables pour que la distance entre les deux côtés de la pince peut être affinée.
Tout doit être fait pour fournir un arrière-plan lumineux et blanc derrière le dot sur le fond du puits au cours d’expériences de caractérisation de la souche. Plus le contraste de ces images, il sera facile d’automatiser le processus de mesure de la hauteur et la largeur du point, qui peut devenir fastidieux pour un opérateur humain analyse une grande expérience. Vidéographie à grande vitesse du fond d’un puits dans une plaque à 96 puits pose des difficultés parce que les parois du puits ont tendance à projeter des ombres. L’utilisation d’un dôme de lumière ou lumière axiale diffuse qui peut éclairer le long de la ligne de mire de la caméra sans obscurcir l’image élimine les ombres ou les reflets spéculaires qui pourrait se poser avec une source lumineuse classique. La plus brillante source lumineuse disponible doit être utilisée parce que l’éclairage lumineux permet les images destinées à être absorbées avec un temps d’exposition court. Temps d’exposition court minimisent le flou de mouvement. La mise à niveau de l’éclairage des diodes électroluminescentes (del) à la lumière diffuse axiale permet des temps d’exposition plus courtes pendant l’acquisition vidéo à haute vitesse. La LED peut être amélioré en ouvrant le feu axial diffus, enlevant le stock LED, montage 4 haute puissance LED tableaux au volet arrière à l’aide de supports de LEDs, afin qu’ils connaissent une alimentation courant constant et du remontage de la lumière diffuse axiale (voir Table de Matériaux pour les numéros de catalogue). L’inconvénient de mettre à niveau les LEDs, c’est que les LED refroidies passivement ne peuvent être maintenus plus de quelques secondes en raison du risque de surchauffe. Par conséquent, un éclairage différent est nécessaire pour l’alignement de l’ajustement après bloc et caméra.
La méthode présentée de quantifier la déformation de la membrane en mesurant la dilatation d’un point estampillé sur la membrane est relativement grossière, mais il peut mesurer jusqu’à plusieurs puits de manière robuste. Le champ de déformation bien bas peut se caractériser plus en détail à l’aide de la corrélation d’images numériques. Cette technique consiste à pulvériser une moucheté sur la base du puits et ensuite d’imagerie à haute vitesse pendant la déformation. Logiciel commercial permet ensuite de quantifier la déformation à chaque point de l’image grâce au suivi de l’évolution de la moucheté.
Ce protocole produit un phénotype de blessures aux multiples facettes, cliniquement pertinentes et extensibles à hiPSCNs. La mort cellulaire, dégénérescence des neurites et perler de neurites sont tous bien documentés séquelles du TBI chez l’être humain et animal modèles15. La clé du succès de ce modèle est établir et maintenir des cultures en bonne santé. En général, un protocole de culture cellulaire développé avec des plaques rigides classiques est un point de départ utile pour la culture de plaque extensible. Toutefois, la possibilité que les cellules en question peuvent répondre différemment sur le silicone doit toujours être envisagée. Cela est particulièrement vrai de hiPSCNs, qui sont très sensibles aux conditions de culture. Quelques exemples d’optimisation de la concentration cellulaire laminine et de densité sont fournis dans la section Représentant résultats (Figure 3, Figure 4). Activation de la silicone avec traitement plasma est vitale. Silicone est hydrophobe et pas réactif ; dans son état naturel, il ne liera pas laminine ou autres molécules utilisées pour favoriser la fixation des cellules. Traitement au plasma rend la surface hydrophile et expose des groupes réactifs. Ces modifications permettent aux molécules d’adhérence à lier à la silicone et de promouvoir la fixation des cellules. Il est important de noter que l’effet du traitement plasma se dissipe dans les minutes, sauf si la surface est immergée dans un liquide, et donc les procédures qui impliquent la surface activée de séchage doivent être effectuées aussi rapidement que possible. Une méthode simple pour vérifier si l’effet du traitement plasma s’est dissipé doit verser une goutte d’eau sur la surface. Silicone non traitée, la gouttelette sera billes vers le haut alors que sur les plasma traité au silicone, il se répandrait. Avec le hiPSCNs que nous avons utilisé (voir Table des matières), le fabricant recommande d’ajouter la laminine avec la suspension cellulaire plutôt que le revêtement avant. Ce protocole a incorporé cette approche avec succès. Alors que la segmentation peut, en théorie, être accomplie avec des logiciels libres ou des langages de programmation généraliste, un haut degré de maîtrise de ces outils est nécessaire pour obtenir de bons résultats. Neurites sont souvent difficiles à distinguer du signal de fond parce qu’ils sont tellement minces. Par conséquent, nous recommandons l’utilisation d’outils logiciels commerciaux, distribués par les sociétés de microscopie contenu élevé avec des modules dédiés pour la segmentation et quantification des neurones, si elles sont disponibles. Même avec un logiciel commercial, il est sage d’exporter des images de la segmentation de vérifier visuellement l’exactitude.
Il y a certaines limites associés au travail en plaques étirables par rapport à travailler avec des plaques classiques, rigides. Les plaques extensibles peuvent être photographiées comme d’habitude avec les objectifs de l’air. Toutefois, l’imagerie avec les objectifs à immersion est très difficile. Huile de lentille peut endommager le silicone. En outre, l’objectif exerce une pression sur la membrane de silicone comme il se déplace vers le haut. Cette pression déplace la membrane verticalement, rendant difficile d’amener l’échantillon dans le foyer. Les membranes de silicone actuellement utilisés dans la fabrication des plaques sont environ 250 µm d’épaisseur. Cette épaisseur est supérieure à la distance focale de nombreux haute puissance, objectifs à immersion. Il faut en particulier à poser les membranes parfaitement plat avant serrage pour réaliser la planéité requise pour la microscopie. Systèmes autofocus peuvent compenser des écarts dans la platitude de la plaque finie dans une certaine mesure. Les versions futures du protocole peuvent pre tendre la membrane avant elle est collée sur le dessus de la plaque pour assurer la planéité. La procédure sans adhésif pour coller la membrane silicone au haut de la page plaque14 est considéré comme une force importante du protocole actuel. Il élimine le risque de neurotoxicité de l’adhésif ainsi que tout écart par rapport à la planéité en raison de l’épaisseur non uniforme de la couche de colle.
Rangées d’électrodes multiples sont utilisées dans des expériences avec hiPSCNs pour évaluer leur maturité et leur fonctionnalité. Malheureusement, ces systèmes sont incompatibles avec ce modèle, parce que le substrat de culture cellulaire est rigide. Il est possible de créer un tableau multi-électrode extensible, bien que cela a jusqu’à présent seulement été démontré dans un seul bien format16,17. Notez qu’indenters peuvent être retirés individuellement du bloc avec pénétrateur afin que certains puits ne sont pas en retrait et peuvent servir de couvre-oreillers. Enlever le pénétrateur empêche la mise en retrait, mais n’élimine pas complètement chargement mécanique puisqu’il n’y a toujours inertiel mouvement du fluide dans les puits alors que la scène se déplace. Il est intéressant de comparer ces puits puits dans les plaques qui ont jamais fait l’objet de mouvement étape pour mesurer toute influence pathologique d’un mouvement fluide. En outre, le tableau d’indenters dans le bloc devrait être bisymmetric (symétrique d’avant en arrière et latéralement). Cette précaution garantit que la plaque est chargée uniformément au cours de la mise en retrait, afin que le stade ne pas incliner latéralement et provoquer les tiges lier dans les paliers.
L’un des principaux défis pour l’innovation thérapeutique en neurotraumatologie est la complexité et l’hétérogénéité de la condition. Traumatisme s’applique stress multimodale pour chaque type de cellule dans le système nerveux central en même temps. Les neurones ont été sûrement générés à partir des cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSCs) et sont maintenant largement disponibles chez les revendeurs commerciaux. L’innovation progresse rapidement dans ce domaine, et autres types de cellules neuronales comme astrocytes18 et la microglie19 sont également étant dérivés de hiPSCs. Bientôt, il serait possible d’isoler les réponses cellulaires-autonome de chacun de ces types de cellules à trauma in vitro , puis à la co-culture différents types de cellules à comprendre comment ils communiquent après un traumatisme. De cette façon, il peut être finalement possible de recréer le défi clinique du bas vers le haut pour bien le comprendre dans un système humain. Cette approche se distingue de l’approche traditionnelle en s’appuyant sur les modèles de rongeurs et a le potentiel pour générer des idées nouvelles qui conduisent aux premières thérapies pour cette affection courante, dévastatrice et intraitable.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail est soutenu en partie par une subvention de la National Institutes of Health (R21NS098129). Nous tenons à remercier son aide technique SueSan Chen, Jonathan Tan, Courtney Cavanaugh, Shi Kai Ng et Feng Yuan Bu, qui a conçu et construit une structure pour prendre en charge les lumières utilisées au cours d’expériences d’imagerie haute vitesse décrits dans ce manuscrit .
.010" Silicone Sheet | Specialty Manufacturing, Inc | #70P001200010 | Polydimethylsiloxane (PDMS) sheet |
Sparkleen | Fisher Scientific | #043204 | |
Nunc 256665 | Fisher Scientific | #12-565-600 | Bottomless 96 Well Plate |
Kim Wipes | ULINE | S-8115 | |
Plasma Cleaner | Harrick Plasma | #PDC-001-HC | |
(3-Aminopropyl) triethoxysilane | Sigma-Aldrich | #440140 | APTES |
Parchment Paper | Reynolds | N/A | |
Dome Light | CCS inc | LFX2-100SW | |
Dome Light Power Supply | CCS inc | PSB-1024VB | |
Axial Diffuse Lighting Unit | Siemens | Nerlite DOAL-75-LED | Diffuse axial light |
High Power LED Array | CREE | XLamp CXA2540 | High Power LED Array |
LED holder | Molex | 1807200001 | LED Holder |
LED power supply | Mean Well | HLG-320H-36B | Constant Current Power Supply |
FastCam Viewer software | Photron | camera softeware | |
Fastcam Mini UX50 | Photron | N/A | High Speed Camera |
Micro-NIKKOR 105mm f/2.8 | Nikon | #1455 | High Speed Camera Lens |
0.1 mg/mL Poly-L-Ornithine | Sigma-Aldrich | #P4597 | |
iCells | Cellular Dynamics International | #NRC-100-010-001 | |
iCell media | Cellular Dynamics International | #NRM-100-121-001 | |
iCell supplement | Cellular Dynamics International | #NRM-100-031-001 | |
Laminin | Sigma-Aldrich | #L2020 | |
Hoechst 33342 | Fisher Scientific | #H3570 | |
Calcein AM | Fisher Scientific | #C3099 | |
voice coil actuator | BEI Kimco | LA43-67-000A | |
optical linear encoder | Renishaw | T1031-30A | |
servo drive | Copley Controls | Xenus XTL | |
Controller | National Instruments | cRIO 9024 Real Time PowerPC Controller | |
cRIO chassis | National Instruments | cRIO 9113 | |
digital input module | National Instruments | NI 9411 | |
data acquistion chassis | National Instruments | NI 9113 | |
LabVIEW | National Instruments | instrument control software | |
hiPSCNs | Cellular Dynamics International |