Aquí presentamos un método para un modelo humano en vitro de estiramiento lesiones en un formato de 96 pozos en una escala de tiempo pertinente al trauma de impacto. Esto incluye métodos para la fabricación de placas estirables, cuantificar el insulto mecánico, cultivo y lesionar las células, la proyección de imagen y alto contenido análisis para cuantificar daños.
Lesión cerebral traumática (TBI) es un desafío clínico importante con alta morbilidad y mortalidad. A pesar de décadas de investigación preclínica, se han desarrollado sin terapias bien comprobadas para la LCT. Este artículo presenta un método novedoso para la investigación de la clínica de neurotrauma previsto complementar los modelos preclínicos existentes. Presenta la fisiopatología humana mediante el uso de neuronas de derivados de células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSCNs). Alcanza el pulso de carga duración similar a la duración de la carga de clínico cerrado lesiones de impacto principal. Emplea un formato de 96 pozos que facilita los experimentos de alto rendimiento y hace un uso eficiente de las células costosas y reactivos de la cultura. Membranas de silicona son tratadas primero para quitar el polímero neurotóxico y entonces se enlaza a los cuerpos para crear placas de 96 pocillos estirables comercial placa de 96 pocillos. Un dispositivo de medida se utiliza para sangrar algunos o todos los fondos bien desde abajo, induce tensiones mecánicas equibiaxial que lesiona mecánicamente las células en cultivo en los pozos. La relación entre la profundidad de la indentación y la tensión mecánica se determina empíricamente mediante videografía de alta velocidad de fondos bien durante la sangría. Células, incluyendo hiPSCNs, pueden ser cultivadas en estas membranas de silicona usando versiones modificadas de los protocolos de cultivo celular convencional. Imágenes fluorescentes microscópicas de cultivos celulares son adquiridos y analizados después de la lesión de manera semiautomática para cuantificar el nivel de la lesión en cada pozo. El modelo presentado es optimizado para hiPSCNs pero podría en teoría ser aplicado en otros tipos celulares.
TBI es una causa importante de mortalidad y morbilidad en los Estados Unidos, causando alrededor de 52.000 muertes y 275.000 hospitalizaciones cada año1. Se han realizado más de 30 ensayos clínicos de la terapéutica del candidato para la LCT sin un solo éxito2. Este fracaso uniforme sugiere que procesos específicos de humanos separan humano TBI la patofisiología observada en modelos de roedores los utilizados.
El advenimiento de hiPSCNs ha creado una oportunidad para estudiar neurotrauma en un modelo humano en vitro . Detección con modelos basados en hiPSCN de drogas pueden ofrecer resultados que son más predictivos de éxito clínico que los modelos que emplean células de roedores. Además, hiPSCNs puede ser manipulado genéticamente para aislar y estudiar el efecto de variantes genéticas humanas individuales en patología3.
El método descrito en este manuscrito está diseñado para llevar las ventajas únicas de la enfermedad de hiPSCN de modelado para neurotrauma. In vitro modelos estiramiento lesiones de neurotrauma son bien establecido4,5,6 con células de roedores primarias y líneas celulares de cáncer humano de nervios. La mayoría de estos modelos genera tramo neumáticamente cargando una membrana de silicona. Este enfoque es efectivo en un único formato bien pero ha resultado difícil a escala hasta un formato multi-bien7. Como resultado, nunca ha sido una pantalla de alto rendimiento para los agentes para el tratamiento de estiramiento las neuronas lesionadas.
En este modelo, la membrana se extiende debido a la sangría de debajo con un penetrador rígido. Este enfoque ha demostrado repetidas veces para generar patología clínicamente relevantes en vitro en sistemas bien solo8,9,10. Nuestro trabajo reciente ha demostrado que fácilmente escala a un formato de 96 pocillos manteniendo duraciones de pulso del orden de decenas de milisegundos11, cual es el tiempo dominio de cerrado principal impacto eventos12,13.
En Resumen, las principales ventajas de este modelo de lesión en vitro son el formato de 96 pozos, el uso de hiPSCNs y el dominio del tiempo clínicamente relevante de la injuria.
La clave para obtener una constante, biofidelic fenotipo en este modelo es aplicar un insulto mecánico constante biofidelic. Este modelo puede generar pulso duraciones tan cortas como 10-15 ms, que son similares a las duraciones de pulso para impactos humanos cabeza según experimentos cadavéricos12,13. La consistencia de este insulto depende de la alineación de la placa con el bloque del penetrador y la lubricación constante de los penetradores. Cuando el bloque de penetrador está bien alineado, no hay ninguna tendencia en la tensión aplicada a través de filas o columnas (figura 2). Una fina capa de lubricante por lo general crea menos fricción que una capa gruesa, y grasas viscosas no se recomiendan porque falta la silicona y obstruir el paso de la luz durante la microscopia. La amplitud de desplazamiento de fase real bajará sustancialmente por debajo de la amplitud de desplazamiento prescrito cuando se utilizan muchos penetradores, y la amplitud de desplazamiento de fase prescrita es grande (> 3 mm). Sin embargo, mientras que el desplazamiento real es menor que el desplazamiento indicado en grandes amplitudes, es repetible (figura 2B). Por lo tanto, amplitudes desplazamientos grandes, real pueden obtenerse con fiabilidad introduciendo un valor prescrito que exceda el valor deseado. Amplitud de desplazamiento es importante sólo porque es un proxy fácilmente registrado para la cepa de la membrana del pico, que mide directamente el insulto mecánico que induce patología. Por lo tanto, el procedimiento descrito para determinar la tensión de la membrana de desplazamiento de fase es crítico. Este proceso debe repetirse si cualquier principales se realizan cambios en el sistema que afectan la interacción entre la placa y los penetradores, por ejemplo si diferentes penetradores del diámetro del penetrador diferentes o recubrimientos y materiales diferentes tipos de silicona placa de fondo se utilizan. Al inicio de cada experimento debe repetirse el proceso de realinear el bloque del penetrador y la determinación de la posición cero. Un esquema del dispositivo que se muestra en la figura 1. Modelos CAD necesarios para reproducir el dispositivo se ofrecen como materiales complementarios: ‘ dispositivo de lesiones – conjunto completo – 3D genérico. PASO ‘; la cuenta asociada de materiales proporcionados como1 mesa adicional: costumbre construido dispositivos – BOM.xlsx. También vea _loader complementario 2 96 bien placa de mesa de – Diagram.xlsx de cableado de Pinout, que describe las conexiones de cableado que conectan los diversos componentes de los sistemas. ‘Interconnector_circuit_board.dip’ describe una placa de circuito que interconecta los cables.
Si el dispositivo se desactiva la etapa cerca de la mitad de su recorrido, el escenario se moverá después de que la energía está cortada porque está accionada por resorte. Cuando la energía es restaurada, el bucle de realimentación detecta una gran diferencia entre la última posición conocida de prescrita y la posición real. Esto hará que el escenario pasar pronto a la posición fue en cuando el dispositivo fue desactivado. Este movimiento repentino puede provocar errores en la salida del codificador, por lo que debe tenerse cuidado para desactivar el dispositivo cuando lo es en su posición de reposo en la parte superior de su recorrido.
La abrazadera de fabricación está diseñada para unir la placa inferior cuerpo y silicona de manera que permite una óptima adhesión. Para ello, existen tres características principales en el diseño presentado en el archivo suplementario ‘ prensa morir – 3D genérico. PASO ‘. En primer lugar, el titular de cuerpo de abrazadera placa es paralelo a la base de silicona. Si esto está correctamente construido, no requerirá ningún ajuste después de la configuración inicial. En segundo lugar, la capa de goma espuma en la abrazadera proporciona una pequeña cantidad de cumplimiento debajo de la placa, como un sistema completamente rígido teóricamente experimentaría un aumento repentino de cero fuerza de sujeción a la infinita fuerza de sujeción cuando se cerró la pinza. La posición de la barra de montaje y tornillo de la abrazadera son ajustables para que la distancia entre los dos lados de la pinza puede ser optimizada.
Debe hacer todo lo posible para proporcionar un fondo brillante, blanco detrás del punto en la parte inferior bien durante experimentos de caracterización de cepa. Mejor el contraste en estas imágenes, más fácil será para automatizar el proceso de medición de la altura y la anchura del punto, que puede llegar a ser tedioso para un operador humano analizando un experimento grande. Grabación alta velocidad de la parte inferior de un pozo en una placa de 96 pocillos presenta desafíos debido a las paredes del pozo tienden a proyectar sombras. El uso de una cúpula de luz o luz difusa axial que puede iluminar a lo largo de la línea de la vista de la cámara sin oscurecimiento de la imagen elimina las sombras o reflejos especulares que se produciría con una fuente de luz convencional. La más brillante fuente de luz disponible debe utilizarse porque brillante iluminación permite que las imágenes que se adquirirá con un tiempo de exposición corto. Tiempos de exposición cortos minimizan el desenfoque de movimiento. Actualizar los diodos electroluminosos (LED) en la difusa luz axial permite tiempos de exposición más cortos durante la adquisición de vídeo de alta velocidad. Los LEDs pueden actualizarse con la apertura de la difusa luz axial, quitar la culata LED, montaje 4 de alta potencia LED matrices en el panel posterior usando LEDs titulares, se conectan a una fuente de energía actual constante y volver a montar la luz axial difusa (ver tabla de Materiales para números de catálogo). La desventaja de actualizar los LEDs es que los LEDs pasivamente refrigerados no se puede mantener más de unos segundos debido al riesgo de sobrecalentamiento. Por lo tanto, se necesita una luz diferente alineación del ajuste posterior al bloque y la cámara.
El método presentado de cuantificación de la tensión de la membrana mediante la medición de la dilatación de un punto estampado a la membrana es relativamente Tosca, pero puede escalar a varios pozos de una manera robusta. El campo de tensión en la parte inferior bien puede ser caracterizado en detalle mediante correlación digital de imágenes. Esta técnica consiste en pulverizar un patrón moteado en la base del pozo y luego la proyección de imagen en alta velocidad durante la deformación. Software comercial puede utilizarse entonces para cuantificar la tensión en cada punto de la imagen mediante el seguimiento de la evolución del patrón moteado.
Este protocolo produce un fenotipo de lesiones múltiples facetas, clínicamente relevantes, estiramiento en hiPSCNs. Muerte celular y degeneración de la neurita neurite de rebordear son secuelas todo bien documentados de TBI en humanos y modelos animales15. La clave del éxito en este modelo es establecer y mantener cultivos sanos. En términos generales, un protocolo de cultivo celular convertido placas rígidas convencionales es un punto de partida que vale la pena para la cultura de la placa elástica. Sin embargo, la posibilidad de que las células en cuestión pueden responder diferentemente de silicona debe ser considerada siempre. Esto es particularmente cierto de hiPSCNs, que son muy sensibles a las condiciones de cultivo. Algunos ejemplos de optimización de la densidad y laminina la concentración de células se suministran en la sección de Resultados de representante de (figura 3, figura 4). Activación de la silicona con el tratamiento de plasma es vital. La silicona es hidrofóbico y no reacciona; en su estado natural, no se unirá a laminina u otras moléculas utilizados para promover la fijación de la célula. Tratamiento de plasma hace que la superficie hidrofílica y expone grupos reactivos. Estos cambios permiten que las moléculas de adhesión enlazar a la silicona y promover la fijación de la célula. Es importante tener en cuenta que el efecto del tratamiento plasma se disipa dentro de minutos a menos que la superficie quede sumergida en el líquido, y por lo que procedimientos que involucran el secado de la superficie activa deben realizarse tan pronto como sea posible. Una forma sencilla de comprobar si el efecto del tratamiento con plasma ha usado es colocar una gotita de agua en la superficie. De silicona sin tratar, la gota se grano para arriba mientras que el plasma Tratado de silicona, se extenderá hacia fuera. Con la hiPSCNs que hemos utilizado (véase Tabla de materiales), el fabricante recomienda añadir la laminina con la suspensión de células en lugar de la capa. Este protocolo ha incorporado este enfoque con éxito. Segmentación puede, en teoría, realizar con software de código abierto o de uso general lenguajes de programación, un alto grado de competencia con estas herramientas es necesaria para obtener buenos resultados. Neuritas son con frecuencia difíciles de distinguir de la señal de fondo porque son tan delgados. Por lo tanto, recomendamos el uso de herramientas de software comercial distribuido por empresas de alto contenido microscopia con módulos dedicados para segmentación y cuantificación de las neuronas, si están disponibles. Incluso con el software comercial, es aconsejable exportar imágenes de la segmentación para verificar visualmente la exactitud.
Existen algunas limitaciones asociadas con el trabajo en placas estirables en comparación con el trabajo con las placas convencionales, rígidas. Placas elásticos pueden ser reflejadas como normal con objetivos de aire. Sin embargo, la proyección de imagen con objetivos de inmersión es muy difícil. Lente de aceite puede dañar la silicona. Además, el objetivo ejerce una presión sobre la membrana de silicona mientras se mueve hacia arriba. Esta presión desplaza la membrana verticalmente, lo que dificulta llevar la muestra en foco. Las membranas de silicona utilizadas actualmente en la fabricación de las placas son aproximadamente 250 μm de espesor. Este espesor excede la distancia focal de alta potencia muchos, objetivos de inmersión. Debe tener especial cuidado para poner las membranas perfectamente antes de sujeción para lograr la planeidad necesaria para microscopía. Sistemas de enfoque automático pueden compensar desviaciones en la llanura de la placa acabada hasta cierto punto. Las versiones futuras del protocolo pueden tense la membrana antes de que está unido a la parte superior de la placa para asegurar la llanura. El procedimiento libre de adhesivo para la Unión de la membrana de silicona a la placa superior14 se considera una fuerza importante del protocolo actual. Elimina el riesgo de neurotoxicidad de la adhesiva, así como cualquier desviación en planitud debido al espesor no uniforme de la capa de adhesivo.
Electrodos múltiples arreglos de discos se usan en experimentos con hiPSCNs para evaluar su madurez y su funcionalidad. Desafortunadamente, estos sistemas son incompatibles con este modelo porque el sustrato de cultivo celular es rígido. Es posible crear una matriz multi-electrodo estirable, aunque esto se hasta el momento sólo ha demostrado en un solo bien formato16,17. Tenga en cuenta que penetradores pueden extraerse individualmente el bloque de indentación para que algunos pozos no se sangran y pueden servir como impostores. Quitar al penetrador previene el sangrado pero no eliminar por completo mecánica carga puesto que hay todavía inercia movimiento del líquido en los pozos mientras que el escenario se está moviendo. Vale la pena comparar estos pozos a pocillos de placas que fueron nunca objeto de movimiento etapa para medir la influencia patológica de movimiento fluido. Además, la matriz de penetradores en el bloque debe ser bisymmetric (simétrico de adelante hacia atrás y de lado a lado). Esta precaución asegura que la placa se carga uniformemente durante la sangría, para que la etapa no incline hacia los lados y causar las varillas atar en sus rodamientos.
Uno de los retos principales en la innovación terapéutica en neurotrauma es la complejidad y heterogeneidad de la condición. Trauma aplica estrés multimodal a cada tipo de célula en el sistema nervioso central al mismo tiempo. Las neuronas se han generado fiable de las células madre humanas pluripotentes inducidas (hiPSCs) y están ahora ampliamente disponibles de proveedores comerciales. Innovación está procediendo rápidamente en este campo, y también se derivan otros tipos de células neuronales tales como astrocytes18 y microglia19 de hiPSCs. Pronto puede ser posible aislar las respuestas celular Autónoma de cada uno de estos tipos celulares a trauma en vitro y luego a co cultura diferentes tipos de células para entender cómo se comunican después de trauma. De esta manera, es en última instancia posible recrear el desafío clínico desde el fondo hasta entenderlo completamente en un sistema humano. Este enfoque difiere de la aproximación convencional basándose en modelos de roedores y tiene el potencial para generar nuevos conocimientos que conducen a las primeras terapias para esta condición de comunes, devastador e intratable.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo es apoyado en parte por una subvención de los institutos nacionales de salud (R21NS098129). Queremos reconocer la excelente asistencia técnica de SueSan Chen, Jonathan Tan, Courtney Cavanaugh, Shi Kai Ng y Feng Yuan Bu, que diseñó y construyó una estructura para soportar luces usadas durante los experimentos de proyección de imagen de alta velocidad que se describe en este manuscrito .
.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 |