Summary

2차원(2D) 단일 배양에서 3차원(3D) 다중 배양에 이르기까지 다양한 응용 분야를 위한 피부 모델 구축

Published: October 20, 2023
doi:

Summary

여기에서는 세포 배양 실험실에서 일상적인 연구를 위해 다양한 3D 피부 모델을 소개하는 저렴하고 간단한 절차를 제시합니다. 연구원은 상업적으로 이용 가능한 모델에 의존하지 않고 필요에 맞는 모델을 만들 수 있습니다.

Abstract

피부의 복잡한 구조와 중요한 기능으로 인해 화장품, 제약 및 의료 산업에서 흥미로운 연구 모델입니다. 유럽연합(EU)에서는 화장품과 화장품 성분에 대한 동물 실험을 전면 금지하고 있습니다. 의약품 및 의약품의 경우에도 이러한 가능성은 지속적으로 제한되고 있습니다. 3R 원칙에 따라 인위적으로 생성된 모델에서 개별 화합물과 전체 제형을 테스트하는 것이 점점 더 보편화되고 있습니다. 가장 저렴하고 가장 널리 사용되는 것은 세포 단층으로 구성되지만 조직 내 세포 간의 실제 상호 작용을 반영하지 않는 2D 모델입니다. 상업적으로 이용 가능한 3D 모델은 조직을 더 잘 표현하지만 대규모로 사용되지는 않습니다. 이는 비싸고 대기 시간이 상당히 길며 사용 가능한 모델이 일반적으로 사용되는 모델로만 제한되는 경우가 많기 때문입니다.

수행된 연구를 더 높은 수준으로 끌어올리기 위해 다양한 3D 피부 모델 준비 절차를 최적화했습니다. 설명된 절차는 세포 배양에 대한 다양한 경험을 가진 연구원과 수많은 실험실에 적용할 수 있으므로 저렴하고 간단하게 준비할 수 있습니다.

Introduction

피부는 다세포 상호 작용이 있는 연속적인 구조로, 이 복잡한 기관의 적절한 기능과 항상성을 드러냅니다. 그것은 형태 학적으로 다른 층으로 만들어집니다 : 내부 층 – 진피와 외부 층 – 표피. 표피 위에, 우리는 외부 환경에 대한 가장 큰 보호를 제공하는 각질층 (평평한 죽은 세포 – 각막 세포로 구성)을 추가로 구별합니다. 피부의 가장 중요한 수동적 및 능동적 기능 중 일부는 외부 요인에 대한 신체 보호, 면역 과정 참여, 분비, 흡수, 체온 조절 및 감지 1,2,3입니다. 신체에서 가장 큰 장기 중 하나로 간주되기 때문에 다양한 병원체, 알레르겐, 화학 물질 및 자외선(UV)과의 접촉을 피할 수 없습니다. 따라서 특정 기능을 가진 많은 유형의 세포로 구성됩니다. 표피에 존재하는 주요 유형의 세포는 각질 형성 세포(모든 세포의 거의 90%가 표피의 깊은 부분에서 구조적 및 면역학적 기능을 하지만 나중에 표피의 최상층에서 각막 세포로 전환하기 위해 각질화 과정을 거치음), 멜라닌 세포(표피 세포 집단의 3%-7%에 불과하며 UV 보호 색소 멜라닌을 생성함) 및 랑게르한스 세포(면역 체계에서). 진피의 경우 주요 세포는 섬유아세포(성장 인자 및 단백질 생성), 수지상 세포 및 비만 세포(면역 체계의 두 세포 유형)입니다4,5,6. 또한, 피부는 여러 세포외 단백질(예: 콜라겐 유형 I 및 IV, 피브로넥틴 및 라미닌; 그림 1) 단백질 섬유(콜라겐 및 엘라스틴)는 피부의 특정 구조를 보장할 뿐만 아니라 세포 결합, 세포 접착 및 기타 상호 작용을 촉진합니다7.

Figure 1
그림 1: 스킨 구조를 보여주는 개략도. 피부 구조는 개별 층에서 발생하는 4가지 기본 세포 유형과 세포외 기질의 구별된 단백질을 표시했습니다. 이 그림은 MS PowerPoint로 만든 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

화장품 및 의약품의 안전성은 매우 중요한 문제이며 소비자와 환자의 건강을 보호하는 것이 최우선 과제입니다8. 얼마 전까지만 해도, 그것은 동물을 대상으로 한 연구를 포함하여 수많은 실험에 의해 보장되는 것으로 여겨졌다. 불행히도, 이러한 방법은 종종 과감한 방법을 사용해야 했으며, 연구 목적으로 사용되는 동물(종종 생쥐, 쥐, 돼지)에게 고통과 고통을 유발했습니다. 1959년, 인도적 실험기법의 원칙(3R 원칙)이 도입되었다: (1 – 대체) 연구 중인 동물을 in vitro, in sillico 또는 ex vivo 모델로 대체, (2 – 환원) 연구에 사용되는 동물의 수를 줄이고, (3 – 개선) 여전히 연구에 필요한 동물의 복지를 개선하고 동시에 개발된 대체 방법을 개선한다9. 또한 유럽 연합(EU)에서는 화장품 동물 실험을 법으로 규제하고 있습니다. 2004년 9월 11일부터 동물 실험 화장품 사용 금지령이 발효되었습니다. 2009년 3월 11일, EU는 화장품 성분에 대한 동물 실험을 금지했습니다. 새로 동물 실험을 거친 성분으로 만든 화장품의 판매는 허용되지 않았습니다. 그러나 반복 투여 독성, 생식 독성 및 독성 동태학과 같은 복잡한 인간 건강 문제에 대해 동물을 대상으로 제품을 테스트하는 것은 여전히 허용되었습니다. 2013년 3월 11일부터 EU에서는 완제품 또는 그 성분이 동물 실험을 거친 화장품의 판매는 불법이다10. 따라서 현재 미용에서는 in vitro (세포), ex vivo (실제 조직) 및 in vivo (지원자)의 세 가지 수준에서 연구가 수행됩니다11. 의약품의 경우 동물 실험의 필요성은 여전히 남아 있습니다. 그러나 현저히 줄어들고 엄격하게 통제됩니다12.

동물 실험의 대체 방법 및 새로운 활성 성분의 효과에 대한 초기 평가를 위해 체외 피부 세포 배양이 사용됩니다. 다양한 유형의 피부 세포를 분리하고 멸균 실험실 조건에서 배양하면 활성 물질의 안전성과 독성을 평가할 수 있습니다. 피부 세포주는 또한 인증된 회사에서 세포를 판매하고 그 결과를 다른 실험실에서 비교할 수 있기 때문에 널리 인정받는 연구 모델입니다. 이러한 테스트는 일반적으로 인간 피부 세포 단일 배양의 간단한 2D 모델에서 수행됩니다. 보다 발전된 모델 중 일부는 공동 배양(예: 섬유아세포가 있는 각질형성세포 및 멜라닌세포가 있는 각질형성세포)뿐만 아니라 스캐폴드가 없는 배양(구체) 및 표피, 진피 또는 피부의 전체 두께 대체물인 스캐폴드 기반 피부에 등가물을 포함하는 3차원 모델입니다(13). 마지막 유형(피부 등가물)을 제외하고 나머지는 상업적으로 이용 가능하지 않으며 필요한 경우 과학자가 직접 준비해야 한다는 점을 언급할 가치가 있습니다.

이러한 모델 중 상당수가 유지 관리되어 오늘날 일상적으로 판매되고 있지만(표 1), 대부분의 결과를 검증하기 위해 추가 모델이 지속적으로 필요합니다. 따라서 새롭게 엔지니어링된 모델은 인체에서 발생하는 실제 상호 작용을 더 잘 재현해야 합니다. 상이한 유형의 세포의 혼합물이 이러한 모델을 형성하는 데 사용될 때, 생체 내 조직의 다세포 측면의 재현이 달성될 수 있다. 그 결과, 유기형 배양(organotypic culture)이 개발됩니다(그림 2).

이름 묘사
중성 피부 에피스킨 재건된 인간 표피 – 콜라겐 막의 각질 세포
스킨윤리 RHE 재건된 인간 표피 – 폴리카보네이트 막의 각질 형성
스킨윤리 RHE-LC 인간 표피 모델 Langerhans 세포 – 폴리카보네이트 막의 각질 세포 및 Langerhans 세포
스킨에티컬 RHPE Reconstructed Human Pigmented Epidermis – 폴리카보네이트 멤브레인의 각질 세포 및 멜라닌 세포
T스킨 재구성된 인간 전체 두께 피부 모델 – 폴리카보네이트 막에서 성장한 섬유아세포층의 각질 세포
Phenion FT 스킨 모델 하이드로겔의 각질세포와 섬유아세포
질병이 있는 피부 흑색종 FT 피부 모델 인간 악성 흑색종 세포주 A375를 가진 정상 인간 유래 각질세포 및 섬유아세포
건선 조직 모델 정상적인 인간 각질세포 및 섬유아세포

표 1: 다양한 연구에서 가장 인기 있는 상업용 피부.

Figure 2
그림 2: 다양한 in vitro 모델의 복잡성. 유기체를 재현하기 위한 다양한 in vitro 모델의 복잡성과 인체에서 직접 발생하는 실제 상호 작용 간의 관계. 이 그림은 Servier Medical Art의 Servier (https://smart.servier.com/)의 “Microbiology and Cell Culture”세트에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

상업적 등가물의 가장 중요한 제한 사항 중 하나는 몇 가지 유형의 세포(일반적으로 1-2개, 드물게 3개)를 가진 매우 일반적인 연구 모델만 사용할 수 있다는 것입니다. 그러나 피부에는 더 많은 세포가 존재하며, 이들이 서로 상호 작용하여 다양한 성분에 대한 내성이 향상되거나 나빠질 수 있습니다14. 일부 면역 성분의 결핍은 면역 요법을 포함한 여러 종류의 연구에서 그 가치를 감소시킬 수 있습니다. 흑색종은 전이가 조기에 시작되고 적용된 치료에 대한 빈번한 내성으로 인해 생명을 위협하는 피부암이기 때문에 이는 심각한 문제이다15. 인공 피부 모델을 개선하기 위해 연구자들은 면역 세포와 세포주 및 오가노이드16의 공동 배양을 시도하고 있으며, 이는 연구 된 모델의 큰 개선으로 간주됩니다. 예를 들어, 비만세포는 피부에서 많은 생리적(상처 치유, 조직 재생) 및 병리학적(염증, 혈관신생, 종양 진행) 과정에 참여한다17. 따라서, 모델에서의 발생은 연구된 화합물에 대한 모델의 반응을 크게 변화시킬 수 있습니다. 마지막으로, 많은 피부 관련 정보가 여전히 누락되어 있으며, 이는 기초 연구를 수행해야만 발견할 수 있습니다. 그렇기 때문에 다양한 인공 피부 모델(표 2)을 만들고 개선하는 것이 매우 중요한 노력입니다. 이 문서에서는 구체 및 이에 상응하는 스킨을 포함한 고급 스킨 모델을 만드는 몇 가지 절차를 제공합니다.

인비트로(In vitro ) 스킨 모델 조직에서 발생하는 상호 작용을 재현하려고 시도합니다. 사용된 셀의 예
2D 또는 3D 세포 배양 표피 각질형성세포
멜라닌 세포
각질형성세포 + 멜라닌세포
피부 섬유아세포(Fibroblasts)
비만 세포
섬유아세포 + 비만세포
피부 각질세포 + 섬유아세포
각질형성세포 + 비만세포
멜라닌 세포 + 섬유아세포
멜라닌 세포 + 비만 세포
각질형성세포 + 섬유아세포 + 멜라닌세포
각질형성세포 + 섬유아세포 + 비만세포

표 2: 2D 및 3D 배양에서 피부 조직을 재현하기 위한 세포 유형 혼합물의 예.

Protocol

이 연구는 헬싱키 선언의 지침에 따라 수행되었으며 바르샤바 의과대학 윤리위원회의 승인을 받았습니다(KB/7/2022). 연구에 참여한 모든 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다. 주의: 고급 피부 모델 준비의 설명된 절차는 상업적으로 이용 가능한 일차 피부 세포 및 세포주를 사용하거나 환자로부터 분리한 일차 세포를 사용하여 수행할 수 있습니다. 상업용 셀은 관련 문서와 함께 제공되며 대부분의 국가에서 연구에서 사용하는 데 추가 승인이 필요하지 않습니다. 그러나 일부 국가에서는 의무 사항이므로 현지 윤리 위원회 규정에 따라 확인해야 합니다. 환자로부터 분리한 일차 세포를 연구에 사용해야 하는 경우, 먼저 연구는 지역 윤리 위원회의 승인을 받아야 하며, 엄격한 지침에 따라 수행되어야 합니다. 또한 모든 피부 조직 기증자로부터 서면 동의서를 수집해야 합니다. 일차 피부 세포의 분리는 이 논문의 주제가 아니었지만, Kosten et al. (keratinocytes)18, Ścieżyńska et al. (melanocytes)19, Kröger et al. (fibroblasts and mast cells)20에서 예시적인 분리 절차를 찾을 수 있습니다. 대부분의 정상적인 피부 세포와 세포주는 BSL1 등급의 안전 수준을 가지고 있습니다. 그들은 어떤 위협도 일으키지 않습니다. 그러나 사용된 실험실 장비는 통제된 조건에서 동물 및 인간 세포 배양 표준을 충족해야 합니다. 1. 피부 세포 배양 참고: 피부 세포 배양은 37°C에서 인큐베이터에서 이산화탄소 함량이 5%인 부착 세포 또는 부유 세포(세포 유형에 따라 다름) 전용 플라스크에서 수행해야 합니다. 재배 및 연구 사용과 관련된 활동은 멸균 상태가 필요하며 자외선 C(UVC)에 15-30분 동안 노출된 후 층류 챔버에서 수행해야 합니다. 2차원 및 3차원 모델을 만드는 데 사용되는 세포 현탁액을 얻으려면 세포 유형에 따라 절차를 구현해야 합니다(각질세포, 섬유아세포, 멜라닌세포와 같은 부착 세포의 경우 – 1.1단계, 비만 세포의 비부착 세포의 경우 – 1.2단계)(그림 3). 다양한 배양 플라스크 크기의 경우, 설명된 방법에 사용된 모든 시약(예: 매체, 인산염 완충 식염수 또는 트립신 용액)의 부피가 표 3에 나열되어 있습니다. 세포의 종류에 따른 파라미터(예: 시약의 농도 및 조성, 원심분리 방법 등)는 표 4에 정렬되어 있습니다. 파종에 사용되는 세포 밀도는 표 5에 나와 있습니다. 이러한 모든 표는 이 섹션의 끝에 포함되어 있습니다. 그림 3: 부착 및 비부착 세포 배양. 부착 및 비부착 세포 배양의 일반적인 단계별 절차(숫자는 1.1 및 1.2 단계의 설명에 해당). 이 그림은 MS PowerPoint로 만들었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 부착 세포의 현탁액 얻기배양 플라스크에서 배지를 제거합니다. 인산염 완충 식염수로 세포를 부드럽게 세척합니다(PBS, 표 3). 에틸렌 디아민 테트라 아세트산(trypsin-EDTA 용액, 표 3)에 트립신 용액을 첨가합니다. 37°C에서 플라스크를 배양하고 광학 현미경의 표면에서 세포가 분리되는 과정을 제어합니다. 트립신을 비활성화하기 위해 분리된 세포를 최소 2배의 전성장 배지 또는 트립신 중화제에 현탁시킵니다(부피의 경우 표 3 참조, 시약의 경우 표 4 참조). 플라스크의 내용물을 15mL 튜브로 정량적으로 옮깁니다. 소량(20μL)의 세포 현탁액을 1.5mL 튜브에 넣고 수동 또는 자동 혈구계로 세포를 계수합니다. 튜브를 원심분리하고( 표 4의 매개변수) 대부분의 상층액을 제거하고, 소량의 나머지 액체에 세포 펠릿을 재현탁시킵니다. 그런 다음, 세포 밀도가 새 배지의 필요한 부피를 파종하거나 다시 계산하기에 적합한 경우 사전 원심분리 부피( 표 3의 부피)를 얻기 위해 충분한 새 배지를 추가합니다.참고: 멜라닌 세포와 같은 일부 세포는 원심분리에 매우 민감하므로 짧은 시간 내에 다시 원심분리할 필요가 없습니다. 실험(피부 세포의 2D/3D 단층 또는 다중 배양)에 필요한 밀도(세포/mL, 표 5의 세포 밀도)의 세포 현탁액을 준비합니다.참고: 세포를 추가로 배양해야 하는 경우 5,000-8,000 cells/mL를 새 플라스크에 넣고 새 배지를 추가합니다( 표 3의 부피). 비부착 세포의 현탁액 얻기배양 플라스크에서 세포 현탁액이 있는 배지를 제거하고 15mL 튜브에 정량적으로 옮깁니다. 소량(20 μL)의 세포 현탁액을 새 1.5 mL 튜브에 넣습니다. 수동 또는 자동 혈구계로 세포를 세십시오. 튜브를 원심분리하고( 표 4의 매개변수) 대부분의 상층액을 제거하고, 소량의 나머지 액체에 세포를 재현탁시킵니다. 그런 다음 세포 밀도가 새 배지의 필요한 부피를 파종하거나 다시 계산하기에 적합한 경우 새 배지를 추가하여 사전 원심분리 부피( 표 3에 표시됨)를 얻습니다. 실험(피부 세포의 2D/3D 단일 또는 다중 배양)에 필요한 밀도( 표 5에 제안된 mL당 세포)의 세포 현탁액을 준비합니다.참고: 세포를 추가로 배양하려면 5,000-8,000 cells/mL를 새 플라스크에 넣고 새 배지를 추가하십시오.      25cm 배양용 플라스크2 개 75cm 배양용 플라스크2 개 배양 배지 [mL] 4–5 8–12 PBS [mL] 5 10 트립신–EDTA [mL] 0.5–1 1–2 중화제[mL] 1–2 2–4 표 3: 세포 현탁액의 배양 및 준비 중에 사용된 시약의 부피. 피부 세포의 단일 배양 트립신 트립신 비활성화제 원심 분리 2D 단일 배양을 위한 미디엄 타입 각질형성세포 0.25% 트립신 중화제 사용 300 x g, 5분, RT 각질 세포 성장 배지 2 섬유아세포(Fibroblasts) 0.25% 매체 포함 300 x g, 5분, RT DMEM, 10% FBS 멜라닌 세포 0.025% 트립신 중화제 사용 300 x g, 3분, RT Medium 254, PMA-Free 인간 멜라닌 세포 성장 보충제-2 비만 세포 필요 없음 필요 없음 300 x g, 3분, RT IMDM, 10% FBS, 1% 비필수 아미노산, 226 μM α-모노티오글리세롤 표 4: 트립신화, 원심분리 파라미터 및 배지 유형은 세포 유형에 따라 다릅니다. 모델 유형 세포 밀도 [cell/mL] 2차원 단층 섬유아세포(Fibroblasts) 2 엑스 105 비만 세포 각질형성세포 멜라닌 세포 3차원 구체 (행잉 드롭 방식) 섬유아세포(Fibroblasts) 5 엑스 105 비만 세포 각질형성세포 멜라닌 세포 세포의 혼합 Sphere (리미팅 셀 접착 방법) 섬유아세포(Fibroblasts) 2 엑스 105 비만 세포 각질형성세포 멜라닌 세포 세포의 혼합 해당 섬유아세포(Fibroblasts) 1 엑스 105 비만 세포 1 엑스 104 각질형성세포 8 엑스 105 멜라닌 세포 5 엑스 104 표 5: 다양한 유형의 피부 모델에 대한 세포 파종 밀도. 2. 피부 세포구의 준비 참고: 구를 만들기 위해 행잉 드롭 방법의 사용은 2.1단계(그림 4)에 설명되어 있으며, 셀 접착을 제한하는 데 중점을 둔 접근 방식은 2.2단계(그림 5)에 나와 있습니다. 그럼에도 불구하고 구체는 매우 작고 불안정할 수 있기 때문에 이러한 방법으로 수행되는 활동에는 인내심, 섬세함 및 느린 행동이 필요합니다. 행잉 드롭 방식원하는 구 크기를 얻기 위해 적절한 세포 밀도를 사용하십시오(권장 세포 밀도 5 x 105 cells/mL, 표 5). 페트리 접시 또는 멀티웰 플레이트의 뚜껑에 있는 셀 현탁액 20μL를 피펫팅합니다(그림 4A). 접시/접시를 바닥 부분으로 덮고 부드럽게 뒤집습니다(뚜껑에 매달린 방울이 자동으로 생성됩니다, 그림 4B). 물방울에서 매체가 증발하는 것을 방지하기 위해 플레이트의 페트리 접시/우물을 멸균수/PBS 용액으로 채웁니다. 37 °C에서 48-72 시간 동안 액적을 배양합니다.참고: 중력은 세포를 아래로 끌어내리고 접근 가능한 표면이 없기 때문에 세포가 혈관에 부착되는 것을 방지하고 세포 응집을 촉진합니다. 그러나 일부 세포 유형은 더 긴 배양이 필요할 수 있습니다. 다음 단계를 수행하기 전에 새 플레이트의 웰을 채우십시오(또는 웰에서 물/PBS를 제거한 기존 플레이트 사용) 전체 성장 매체(100μL)를 채웁니다.참고: 다음 단계를 위해 200μL 팁을 가져다가 각 팁 끝의 1/5을 제거하고 사용하기 전에 멸균하십시오. 끝이 절단된 멸균 피펫 팁을 사용하여 cell sphere를 multi-well plate의 well로 옮깁니다. 200μL 팁을 가져다가 각 팁 끝의 1/5을 제거하고 사용하기 전에 멸균합니다(그림 4C).알림: 접시/접시를 뒤집는 동안 액체 흐름이 구를 손상시킬 수 있으므로 이 단계가 어려울 수 있습니다. 추가 실험(예: 화합물 추가, 세포 독성 분석, 등가물에 대한 구 소개)을 수행하기 전에 37°C의 멀티웰 플레이트에서 1일 동안 이송된 구를 배양합니다(그림 4D). 세포 접착을 제한하는 방법세포 파종 전에 U-바닥 플레이트의 웰을 계면활성제 용액(예: Pluronic F-127, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알코올)으로 덮습니다.21. PBS에서 100μL의 1% 계면활성제 용액을 준비하고 각 웰에 추가합니다. 37 ° C에서 24 시간 동안 용액으로 플레이트를 배양합니다 (그림 5A-C). 필요한 경우 플레이트를 더 오래 보관하되 PBS 버퍼를 더 추가하여 유체 레벨을 유지합니다. 웰당 50 μL의 원하는 세포 밀도로 세포 현탁액을 준비합니다(2 x 105/mL 파종 시 권장 세포 밀도, 표 5). 용해에 의한 세포막 파괴를 방지하기 위해 세포를 파종하기 전에 웰에서 계면활성제 용액을 제거합니다(그림 5D). 세포 용액을 플레이트에 추가하고 세포 응집체에 도달하기 위해 37°C에서 24시간 동안 배양합니다(그림 5E). 약 1-3일 후에 구가 형성되고(그림 5F) 추가 실험에 사용할 준비가 됩니다. 그림 4: 행잉 드롭 방법. (A) 뚜껑에 피펫팅 셀 현탁액을 넣고 뚜껑을 접시의 바닥 부분으로 덮는 단계; (B) 접시를 회전시켜 매달린 방울을 만듭니다. (C) 접시의 바닥 부분에 물/PBS 추가(액체 증발 제한); (D) 세포 구를 만들기 위해 매달린 방울로 접시를 배양합니다. (E) 구가 형성된 액적의 수집 및 multi-well plate에서 이송된 구의 안정화. 피규어는 Biorender.com 로 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 5: Limiting Cell Adhesion 방법에 의한 구의 단계별 준비. (A) U-바닥 우물; (B,C) 계면활성제 용액에 의한 세포 부착 제한; (D) 우물에서 용액을 제거하는 단계; (E) 파종 세포; (F) 세포의 응집과 구의 형성. 피규어는 Biorender.com 로 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 3. 전체 두께의 피부 등가물 준비 참고: 전체 두께(표피 및 진피) 등가물의 발달은 세 단계로 나눌 수 있습니다(그림 6): 전형적인 진피 세포(예: 섬유아세포 및 비만 세포, 그림 6A)의 발생을 통한 인공 진피층의 준비, 인공 표피에 포함된 세포(주로 각질 형성 세포 및 멜라닌 세포, 그림 6B)의 파종, 그림 6B) 및 가능한 각질화 과정(각질층의 형성, 그림 6C)을 동반한 각질세포의 수직 성장. 전체 두께 스킨 등가물의 제조는 단계 3.1(3.1.1-3.1.10)에 설명되어 있습니다. 덜 진행된 피부 등가물이 필요한 경우(예: 표피형만) 선택된 세포 유형(예: 각질형성세포)을 시판되는 콜라겐 또는 폴리카보네이트 멤브레인에 직접 파종할 수 있으며 각질화 과정을 유도할 수 있는 가능성으로 배양할 수도 있습니다(직접 3.1.9-3.1.10단계로 이동). 그림 6: 인서트에서 전체 두께 스킨 등가물의 단계별 준비. (A) 진피 세포를 가진 가성 진피층의 준비, (B) 표피 세포의 파종, (C) 배지에서 등가물의 추가 배양, (D) 공기-액체 계면 배양은 성층 상피의 형성을 촉진합니다. 피규어는 Biorender.com 로 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 24-well plate에서 full-thickness skin 등가물 준비물, PBS(10x), 1M NaOH 및 I형 콜라겐 용액이 담긴 튜브를 얼음 위에 놓습니다. 하이드로겔에 파종할 적절한 수의 진피 세포(예: 섬유아세포 및 비만 세포, 10:1 비율)를 결정합니다. 적절한 수의 진피 세포를 1.5mL 튜브( 표 5의 세포 밀도에 따라 500μL의 섬유아세포 및 500μL의 비만 세포)에 옮기고 세포를 원심분리합니다(300 x g, 3분, RT). 상층액을 제거하고 물 695μL/PBS(10x) 100μL/NaOH 5μL의 혼합물에 세포를 부드럽게 재현탁시킵니다.참고: 총 용액 1mL가 충분하지 않은 경우 표 6 을 사용하여 각 시약의 부피를 다시 계산하십시오. 혼합물에 200μL의 콜라겐 용액을 넣고 피펫팅으로 부드럽게 혼합합니다.알림: 혼합물의 농도가 조밀하므로 주의하십시오. 준비된 혼합물 200μL를 24웰 플레이트의 인서트에 추가합니다. 각질층이 없는 모델의 경우 24웰 플레이트의 각 웰에 500μL를 추가합니다. 플레이트를 실온(RT)에서 10분 동안 배양한 다음 인큐베이터로 30분 동안 옮깁니다.알림: 다른 조치를 취하기 전에 하이드로겔이 중합되었는지 확인하십시오. 하이드로겔 표면에 세포 파종을 하기 전에 PBS 완충액(500μL/웰)으로 헹굽니다. 하이드로겔 위에 파종할 표피 세포(예: 각질 세포 및 멜라닌 세포, 15:1 비율)의 적절한 수를 결정합니다. 10% FBS가 보충된 DMEM 배지 500μL에 세포 혼합물을 준비하고(각질세포 250μL 및 멜라닌세포 250μL 추가, 세포 밀도는 표 4에 언급됨) 웰에 부드럽게 첨가합니다.참고: 경우에 따라 먼저 멜라닌 세포를 파종하고 하이드로겔에 잘 퍼지도록 하고 추가 24시간 후에 배지를 제거하고 각질 세포를 파종하는 것이 좋습니다. 이 경우 250μL의 셀 현탁액과 250μL의 배지를 추가합니다. 세포 성장 속도에 따라 37°C에서 2-5일 동안 플레이트를 배양하고 48시간마다 배지 교환(FBS 농도가 10%에서 최대 1%로 감소)하고 광학 현미경에서 세포 모니터링을 수행합니다. 하이드로겔 위에 각질형성 단층을 얻은 후 각질화 과정을 유도하려면 칼슘 이온과 L-아스코르브산이 추가로 보충된 FBS-free 배지를 추가로 2-7주 동안 사용합니다(1.5μM CaCl2 및 50μg/mL L-아스코르브산 농도).참고: 배양 시간은 사용된 각질세포와 분화 속도에 따라 다릅니다. 시약 시약의 부피를 계산하는 방정식 계산 예시 (최종 부피 = V총 1mL) I형 콜라겐 용액 (C콜라겐 = 10mg/mL) 0.2mL = 200μL PBS(10개) 0.1mL = 100μL 1개 M NaOH 0.005mL = 5μL 멸균 H2O 0.695mL = 695μL 표 6: 2mg/mL 콜라겐 유형 I 하이드로겔 제제에 필요한 시약 부피 계산. 4. 세포 염색 방법에 의한 3D 피부 모델의 세포 유형 식별 참고: 개발된 피부 모델이 예상되는 세포로 구성되어 있는지 확인하려면 세포 염색을 수행하는 것이 좋습니다. 이는 주어진 모델(22)에 대해 임의의 표적 실험을 수행할 수 있기 전에 중요한 단계이다. 3D 피부 모델의 경우, 주어진 모델을 파라핀에 삽입하고 세포 염색 전에 마이크로톰에 인공 조직을 절단한 현미경 슬라이드를 준비해야 합니다(단계 4.1). 그림 7: 3D 피부 모델 임베딩, 세포 염색 및 현미경 관찰의 기본 단계. 피규어는 Biorender.com 로 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 3D 스킨 모델 임베딩PBS에 해당하는 피부를 RT에서 5분 동안 두 번 세척하고 PBS(30분, RT)에 3.7% 파라포름알데히드 용액을 사용하여 고정합니다. PBS로 세탁 단계를 반복합니다. 매립하기 전에 50%(15분), 70%(15분), 96%(2x, 30분) 및 99.8%(2x, 30분)의 농도를 높인 에탄올 용액으로 배양하여 피부를 탈수합니다. 고정 피부와 탈수 피부에 해당하는 것을 파라핀으로 채워진 틀에 넣으십시오.알림: 등가물을 적절한 방향으로 놓으십시오. 카세트로 금형을 덮고 그 위에 파라핀을 더 추가합니다. RT에서 최대 30분 동안 굳히십시오. 파라핀이 함유된 피부를 -80°C에서 최소 1시간 동안 동결합니다. 마이크로톰을 켜고 파라핀이 내장된 피부에 해당하는 제품을 삽입한 다음 5μm 조각을 자릅니다. 절단된 인공 조직 조각을 현미경 슬라이드에 놓고 37°C에서 8시간 이상 건조시킵니다. 슬라이드를 크실렌(2회, 10분)에 담그고 에탄올 농도 99.8%(5분), 96%(5분), 70%(5분) 및 50%(5분)로 슬라이드를 재수화합니다. 에탄올 용액에서 슬라이드를 제거하고 물로 두 번 헹굽니다(5분).참고: 전통적인 세포 염색은 특정 염료(Hematoxylin, Eosin23)를 적용하거나 바이오마커(섬유아세포의 경우 콜라겐 1A2, 각질형성세포의 경우 사이토케라틴 14, 멜라닌세포의 경우 멜라닌 A 또는 티로시나아제24 포함)를 선택적으로 표적으로 하는 항체를 사용하여 수행됩니다. 일상적인 헤마톡실린 및 에오신 염색은 여러 회사에서 준비한 프로토콜에 따라 수행할 수 있습니다(단계 4.2). 반면에, 면역형광 또는 면역조직화학적 염색이 필요한 경우, 절차가 다르고 훨씬 더 오래 걸립니다(단계 4.3 및 4.4). 비특이적 반응을 피하려면 다른 종에서 생성된 1차 항체를 사용하고 그 다음으로 전용 2차 항체를 사용하십시오. 3D 피부 모델의 Hematoxylin 및 eosin 염색RT에서 3분 동안 헤마톡실린 용액에 미세한 슬라이드를 염색합니다. 산성화된 알코올 용액에 슬라이드를 1분 동안 세척합니다.알림: 2%-35% 염산 38mL와 98% 에틸알코올 98mL를 혼합하여 산성화된 알코올 용액을 준비합니다. 다음으로, 0.1% 중탄산나트륨 용액으로 슬라이드를 세척하여 눈에 잘 띄고 섬세한 청자색을 얻습니다.참고: 0.1% 중탄산나트륨 용액을 얻으려면 중탄산나트륨 100mg을 초순수 100mL에 녹입니다. 슬라이드를 95% 에탄올로 1분 동안 세척합니다. 미세한 슬라이드를 에오신 용액에 넣고 RT에서 1분 동안 염색합니다. 슬라이드를 95% 에탄올로 1분 동안 세척하고 99.8% 에탄올로 2분 동안 세척합니다. 슬라이드를 크실렌으로 각각 2분씩 두 번씩 세척합니다. 발삼에 장착하고 슬라이드 상단에 커버 슬립을 놓습니다. 샘플은 현미경 관찰을 위해 준비되었습니다. 3D 피부 모델의 면역형광 염색PBS로 슬라이드를 헹굽니다(5분). 차단 용액(3% Triton X-0.1 및 0.1% Tween 20을 첨가한 PBS 완충액에 0.1% 소 혈청 알부민[BSA] 또는 무지방 우유)을 준비하고 RT에서 1시간 동안 슬라이드를 배양합니다. PBS 버퍼로 슬라이드를 두 번 세척합니다(5분). PBS 완충액에 1차 항체를 희석하고(생산자의 권장 사항, 표 7에 따름) 슬라이드를 RT에서 1-2시간 동안 또는 4°C에서 하룻밤 동안 배양합니다. PBS 버퍼로 슬라이드를 두 번 세척합니다(5분). PBS 완충액에 2차 항체를 희석하고(생산자의 권장 사항, 표 7에 따름) RT에서 1시간 동안 슬라이드를 배양합니다. PBS로 슬라이드를 두 번 세척합니다(5분). 핵 염색을 위한 염료 용액을 준비하고(예: Hoechst 33342 또는 DAPI, 표 7) RT에서 최대 15분 동안 슬라이드를 배양합니다. PBS로 슬라이드를 세척합니다(5분). 발삼에 장착하고 커버슬립으로 절편을 덮고 형광 현미경을 사용하여 세포 염색의 효과를 시각화합니다. 3D 피부 모델의 면역조직화학 염색4.3.1-4.3.5단계를 수행합니다. 또한, 2차 항체가 접합되는 효소에 적합한 완충액을 사용하여 세척 단계를 수행합니다. 2차 항체를 접합 효소에 적합한 완충액에 희석하고(생산자의 권장 사항에 따라) RT에서 1시간 동안 슬라이드를 배양합니다. PBS로 슬라이드를 두 번 세척합니다(5분). 사용된 효소에 적합한 기질의 용액을 준비하고 생산자의 권장 사항에 따라 슬라이드를 배양합니다. 버퍼로 슬라이드를 세척하고(5분) 발삼에 장착합니다. 명시야 현미경을 사용하여 세포 염색의 효과를 시각화합니다. 세포 유형/세포 오가노이드 검출 염색제 희석 / 농축 비만 세포 아비딘−설포로다민 101 1μg/mL 섬유아세포(Fibroblasts) 토끼에서 생산된 Col1A2 항체 1:50 FITC와 결합된 염소 항토끼 2차 항체 1:250 각질형성세포 마우스에서 생성된 Cytokeratin 14 항체 1:50 FITC와 결합된 염소 항 마우스 2차 항체 1:250 멜라닌 세포 마우스에서 생성된 Melan-A 항체 1:50 FITC와 결합된 염소 항 마우스 2차 항체 1:250 핵 회흐스트 33342 1μg/mL 다피 1μg/mL 표 7: 세포 염색에 사용되는 시약의 농도 및 희석.

Representative Results

실험실에서 피부 모델을 만들기 전에 사용할 세포 유형(일차/세포주)에 대한 결정과 이러한 세포에 적합한 배지를 선택해야 합니다. 대부분의 세포 은행은 모든 유형의 세포 배양에 배지를 권장하고 제공할 수 있습니다. 다배양 모델의 경우, 배양에 존재하는 모든 세포 유형에 적합한 하나의 배지를 선택해야 합니다. 일차 피부 세포 배양 및 가장 흔한 피부 세포주 모두에 사용되는 일부 전형적인 세포 배지를 표 8 18,19,20,25,26,27에 수집하였다. 1차 세포 배양에 사용되는 일반적인 배지는 다소 비싸고 조성이 복잡합니다. 반면에, 세포주는 일반적으로 단순한 조성을 가진 배지에 만족합니다. 일부 세포 유형(주로 섬유아세포 및 비만세포)은 다른 세포(예: 각질세포 및 멜라닌세포)의 성장을 자극하는 인자를 생성하고 분비할 수 있습니다28,29. 모델에 대한 그들의 존재가 계획된 경우, 매체의 추가 보충이 필요하지 않습니다. 세포 유형 셀 이름 보통 참조 각질형성세포 HaCaT 셀 라인 DMEM, 10% FBS, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신 판매자에 따르면 원발성 정상 인간 표피 각질 세포(NHEK) 각질 세포 성장 배지 2 (기초 배지 + 보충제 믹스) 판매자에 따르면 원발성 인간 표피 각질 세포; 노멀, 어덜트(HEKa) 진피 세포 기저 배지, 0.4% 소 뇌하수체 추출물, 0.5ng/mL rh-형질전환 성장 인자-알파, 6mM L-글루타민, 100ng/mL 하이드로코르티손 헤미석시네이트, 5mg/mL rh-인슐린, 1mM 에피네프린, 5mg/mL 아포-트랜스페린, 100U/mL 페니실린(필요한 경우), 100μg/mL 스트렙토마이신(필요한 경우) 판매자에 따르면 원발성 각질형성세포 DMEM/F-12 (3:1), 1% Ultroser G, 1 μM 하이드로코르티손, 1 μM 이소프로테레놀, 0.1 μM 인슐린, 1 ng/mL 각질세포 성장 인자, 1% 페니실린-스트렙토마이신 18 멜라닌 세포 원발성 멜라닌 세포 Medium 254, PMA-Free Human Melanocyte Growth Supplement-2, 1% 항생제 용액 19 원발성 멜라닌 세포 RPMI-1640, 10% FBS, 14.7μg/mL 페놀 레드 용액, 1% L-글루타민, 1% 페니실린/스트렙토마이신 27 HEMa-LP 세포주 배지 254, 5 μg/mL rh-인슐린, 50 μg/mL 아스코르브산, 6 mM L-글루타민, 1 μM 에피네프린, 1.5 mM 염화칼슘, 100 U/mL 페니실린(필요한 경우), 100 μg/mL 스트렙토마이신(필요한 경우) 판매자에 따르면 원발성 정상 인간 표피 멜라닌 세포(NHEM) Melanocyte Growth Medium (기초 배지 + 보충제 믹스) 판매자에 따르면 섬유아세포(Fibroblasts) 1차 인간 장부 섬유아세포(HTF) EMEM, 5% FBS, 5ng/mL rh-염기성 섬유아세포 성장 인자, 5μg/mL rh-인슐린, 50μg/mL 아스코르브산, 7mM L-글루타민, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신, 0.25μg/mL 암포테리신 B 28 기본 HTF 및 DMEM, 10% FBS, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신, 0.25μg/mL 암포테리신 B 20.28 원발성 인간 피부 섬유아세포 HFF-1 세포주 DMEM, 15% FBS, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신 판매자에 따르면 BJ 세포주 EMEM, 10% FBS, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신 판매자에 따르면 비만 세포 일차 인간 피부 비만 세포(hsMC) IMDM, 10% FBS, 1% 비필수 아미노산, 226 μM α-모노티오글리세롤, 100 U/mL 페니실린, 100 μg/mL 스트렙토마이신 20 LAD2 세포주 StemPro-34, 2.5% StemPro-34 영양 보충제, 2mM L-글루타민, 100ng/mL rh-줄기세포 인자, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신 29 HMC-1.1 및 1.2 세포주 IMDM, 10% FBS, 2mM L-글루타민, 25mM HEPES, 100U/mL 페니실린, 100μg/mL 스트렙토마이신 29 표 8: 일차 피부 세포 및 세포주를 배양하는 데 가장 많이 사용되는 배지의 개요.범례: 둘베코의 최소 필수 배지(DMEM), 독수리의 최소 필수 배지(EMEM), 소 태아 혈청(FBS), 영양 혼합물 함의 F-12(F12), Iscove의 변형 둘베코의 배지(IMDM), 재조합 인간(rh), 로스웰 파크 메모리얼 인스티튜트(RPMI). 이 기사에서는 각질세포, 멜라닌세포, 섬유아세포, 비만세포의 일차 세포로 피부 모델을 만들었습니다. 이들은 세포주보다 약간 더 까다로우며, 단세포 배양에 사용된 배양에 권장되는 배지는 보충된 Keratinocyte Growth Medium 2(각질세포의 경우), Supplemented Medium 254(멜라닌세포의 경우), supplemented DMEM medium(섬유아세포의 경우) 및 supplemented IMDM medium(비만세포의 경우)입니다. 이러한 매체에서 세포는 해당 유형에 할당된 전형적인 형태를 나타냅니다(대표 이미지는 그림 8 참조). 두 개 이상의 세포 유형의 다배양의 경우, 모든 배양된 세포 유형이 성장할 수 있는 배지를 선택하는 것이 중요했습니다. 몇 가지 테스트를 거친 후, 10% FBS와 1% 항생제 혼합물이 함유된 DMEM 배지를 선택하여 구체 및 등가물의 고급 3D 모델을 준비했습니다. 그림 8: 피부 세포는 2D 단일 배양 중에 관찰된 다양한 형태를 나타냅니다. 스케일 바: 100 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 구체(일반적으로 스페로이드라고 함)는 세포 및 조직 공학 연구원이 개발한 가장 간단한 3D 모델 중 하나이지만 피부 세포로 만든 구체는 그다지 인기가 없습니다. 이 모델 내에서는 구체의 단일 문화와 다중 문화의 생성이 모두 가능합니다. 구체 준비를 위한 여러 방법(예: 행잉 드롭, 제한 셀 접착, 자기 부상, 회전, 미세유체역학 등)이 문헌30에 설명되어 있습니다. 준비의 용이성, 저렴한 비용, 쉽게 구할 수 있는 재료 및 장비로 인해 처음 두 가지 방법은 3차원(3D) 세포 모델 초보자에게 권장되며 성능에 대한 프로토콜은 위에서 찾을 수 있습니다(2.1 및 2.2 단계). 문헌31,32에 따르면, 이러한 방법에서 가장 중요한 매개변수는 세포 수, 세포 현탁액의 부피 및 배양 시간입니다. 구체는 다양한 수의 세포로 생성할 수 있지만, seeding을 위한 세포 밀도는 세포 공동 배양뿐만 아니라 모든 세포 유형에 대해 개별적으로 최적화되어야 합니다. 각질형성세포와 섬유아세포의 단일배양을 위한 수행된 최적화 프로세스는 웰당 1 x 104 세포를 파종하는 것이 두 세포 유형 모두에서 최상의 결과를 제공한다는 것을 보여주었습니다. 도 9 에 제시된 구체는 U-바닥 플레이트에서 셀 접착을 제한하는 방법을 사용하여 제조하였다(단계 2.2). 기술적 반복으로 최소 4 개의 웰을 준비하는 것이 좋습니다 (최적은 6 웰입니다). 1 x 104 개의 세포로 구성된 구체는 우물에서 볼 수 있기 때문에 조작하기가 더 쉬웠습니다. 그 결과, 구체를 배출하지 않고 분석 중에 웰에서 오래된 배지를 제거하는 것도 가능했습니다. 설명된 작업 후 구의 모양은 대부분 변경되지 않고 반복 가능했습니다. 이 과정에서 더 큰 구체의 안정성이 낮았습니다. 또한 다양한 세포 유형이 다양한 색상의 구를 형성할 수 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다(예: 각질형성세포는 더 어두운 구를 형성하는 반면 섬유아세포 구체는 훨씬 더 밝음). 그림 9: 구 생성. 제한 세포 접착 방법을 사용하여 다양한 유형과 수의 피부 세포에 의해 생성된 구체. 스케일 바(상단 패널): 200 μm. 스케일 바(하단 패널): 100 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 행잉 드롭 방법(2.1단계)에서 언급했듯이 특정 지점에서 구체는 뚜껑에서 우물로 옮겨야 합니다. 이 프로세스는 구체에 잠재적으로 손상을 줄 수 있습니다. 따라서 이 단계에서는 높은 작업 정확도가 필수적입니다. 생성된 구는 조심스럽게 다루지 않으면 적절한 모양을 잃기 쉽습니다(그림 10). 첫 번째 이미지(그림 10A)는 모든 면이 동일하게 둥글게 된 양호한 구를 나타냅니다. 두 번째와 세 번째 이미지(그림 10B,C)에서는 구에 의한 형태가 완만하게 사라지는 것이 관찰되었지만, 세포 응집체는 둥글게 유지되었습니다. 마지막 세 이미지(그림 10D-F)는 구체 손상의 다양한 단계를 보여줍니다. 생성된 구 모양 및 구조의 반복성을 얻기 위해서는 경험을 쌓는 것이 필요합니다. 구체를 개발하려는 첫 번째 시도에서는 경험이 부족한 연구자를 위해 세포 접착을 제한하는 방법(2.2단계)을 사용하는 것이 권장되며, 이는 연구자 활동의 제한된 영향으로 더 유사한 결과를 제공하기 때문입니다. 그림 10: 뚜껑에서 우물로 구체를 옮길 때 발생할 수 있는 어려움 – 행잉 드롭 방법. (A) 양호한 구, (B,C) 약간 손상된 구, (D-F) 심하게 손상된 구. 이미지는 전송 후 24시간 후에 촬영되었습니다. 스케일 바: 200 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 등가물은 구체보다 훨씬 더 발전된 인공 피부의 3D 모델입니다. 피부 모델의 구성 과정에서는 모델의 층 수(표피만, 진피만, 표피가 있는 진피 및 각질층), 사용된 세포 유형, 적용 재료, 등가물의 바람직한 크기, 추가 사용될 연구 유형 등을 포함하여 다양한 측면을 고려해야 합니다.14. 스킨 등가물은 원하는 크기(96-, 48-, 24-웰 등)의 표준 멀티-웰 플레이트에 배치된 특수 인서트에 배열될 수 있습니다. 인서트는 한 웰에서 다른 웰로 그리고 매체 교환 중에 더 쉽게 이송할 수 있지만 등가물은 손상될 수 없습니다. 그들은 상당히 비쌉니다. 모델이 각질층의 존재를 요구하지 않는 경우, 더 저렴한 솔루션은 다중 웰 플레이트의 웰에서 등가물을 준비하는 것입니다. 인공 진피층은 전형적으로 천연(젤라틴, 콜라겐, 피브린, 히알루론산, 키토산-알긴산 등) 또는 합성(폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 및 폴리락트산) 하이드로겔을 사용하여 골격 기반 모델로 구성된다(33). 실제 피부 진피와 유사하기 위해서는, 이 층은 세포 결합, 세포 간 상호작용 및 기타 세포 작용을 매개하는 일부 세포외 기질(ECM) 성분(콜라겐 또는 피브로넥틴 포함)이 포함된 물을 대부분 함유해야 한다34. 이 연구에서는 하이드로겔 형태로 제조하기 쉽고 유연한 구조로 인해 추가 잠재적 연구 활동(예: 한 접시에서 다른 접시로 등가물의 이동)의 용이성을 보장하는 I형 콜라겐이 선택되었습니다. 쥐 꼬리에서 얻은 I형 콜라겐의 용액은 일반적으로 20mM 아세트산에 분말 용해로 제조됩니다. 콜라겐 중합 단계를 달성하려면 6.5-7.5 범위의 적절한 pH 조건을 제공해야 합니다. 이것은 엄격한 양의 수산화 나트륨을 첨가함으로써 보장 될 수 있습니다. 편의성을 위해 일부 회사는 이러한 하이드로겔을 제조하는 데 필요한 정확한 부피를 결정하는 데 도움이 될 수 있는 특정 계산을 도입했습니다(표 6). 문헌에서는 하이드로겔에서 다양한 농도의 콜라겐을 만날 수 있지만(예: 0.5-2mg/mL35; 5-30mg/mL36; 낮고 높은 콜라겐 함량37), 설명된 모델에서는 하이드로겔이 여전히 유연한 구조를 가지고 있지만 필요한 경우 웰에서 꺼낼 수 있을 만큼 충분히 컴팩트했기 때문에 2mg/mL 용액이 사용되었습니다. 매우 사실적인 전체 두께의 피부를 준비하려면 우리 몸에 존재하는 것과 가능한 한 가까운 비율로 동등한 세포를 파종해야 합니다. 표피의 경우, 신체 부위에 따라 멜라닌 세포와 관련 각질 세포 풀 사이의 관계는 약 1:36의 비율이며, 이를 표피 멜라닌 단위(EMU)38로 정의합니다. 따라서, 인공 표피에 적용된 비율은 1개의 멜라닌 세포 대 15개의 각질형성 세포였다(표 5). 인공 진피층을 만들기 위해 섬유아세포와 비만세포를 1개의 비만세포에 10개의 섬유아세포의 비율로 혼입한 콜라겐 1형 하이드로겔을 사용했습니다. 구성된 등가물의 각 층은 관찰된 샘플의 깊이를 변경함으로써 도립 광학 현미경에서 실시간으로 모니터링할 수 있습니다(예시적인 이미지가 그림 11에 나와 있음). 그림 11: 생성된 전체 두께 피부에 상응하는 특정 층의 다른 세포를 실시간으로 관찰 한 결과. (A) 유사 진피 및 (B) 유사 표피)를 명시야 현미경으로 시각화한 결과. 스케일 바: 50 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 모델의 의도된 구조를 얻는다는 확인과 함께 보다 정확한 관찰은 등가물의 염색을 수행함으로써 이루어질 수 있습니다. 고정된 등가물은 먼저 파라핀에 삽입하고 다음으로 마이크로톰에서 절단해야 합니다. 얇은 인공 조직이 있는 슬라이드는 나중에 헤마톡실린(hematoxylin) 및 에오신(eosin)을 포함한 다양한 염료로 염색할 수 있습니다(의료 실험실에서 수행되는 기본 염색). 이러한 작용 덕분에, 인공 진피와 표피를 등가물로 구별할 수 있을 뿐만 아니라 개별 피부 세포를 식별할 수 있습니다(그림 12). 그림 12에서는 특정 세포 유형뿐만 아니라 세포 분열 과정의 여러 단계(텔로기 및 중기)에서 각질형성세포를 볼 수도 있습니다. 비만 세포의 경우, 세포 내부에서 특정 과립을 잘 인식할 수 있습니다. 이 이미지는 처음에 생성된 피부 등가물이 살아 있고(세포가 그 안에서 성장하고 있음) 개발된 모델에서 정상적으로 기능할 수 있음을 확인합니다. 그러나, 피부의 3D 표피 및 전층 모델의 경우, 얻어진 구조체의 품질 및 기능성을 확인하는 것이 특히 중요하다. 각질층의 투과성을 확인하기 위해, 경상피 전기 저항(Transepithelial Electrical Resistance, TEER) 측정 또는 루시퍼-옐로우 염색(Lucifer-Yellow staining)을 적용해야 한다39,40. 더욱이, 적절하게 구성된 인공 피부에는 분화 마커(예: Filaggrin, Involucrin, Loricrin, Keratin 10, Keratin 5, 세라마이드를 포함하는 지질 클래스), 진피-표피 접합 마커(예: Type IV collagen, Laminin V, Alpha6Beta4-integrin, BP antigen)41, 표피층의 밀착 접합 마커(예: claudin-1, occludin, zonula occludens protein (ZO)-1)42를 포함한 특정 마커가 존재해야 합니다 뿐만 아니라 기저층 증식 마커 (Ki67) 41. 그림 12: 피부 세포 형태 및 기능. 헤마톡실린 및 에오신으로 염색된 전층 피부 등가물에서의 피부 세포 형태 및 기능(세포 분열 관찰)에 대한 개요. 스케일 바: 100 μm(상단 패널), 50 μm(중간 패널, 왼쪽), 100 μm(중간 패널, 오른쪽), 50 μm(하단 패널). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 바이오마커의 존재를 확인하기 위해 가장 자주 사용되는 방법은 면역조직화학적 또는 면역형광등과 같은 특정 염색을 수행하는 것입니다. 모델의 특정 세포를 현미경으로 시각화하기 위해 다양한 항체와 형광 염료를 적용할 수 있습니다. 배양 중인 세포의 예시적인 염색 결과는 그림 13에서 볼 수 있습니다. 각질세포를 관찰하기 위해 사이토케라틴 14에 대한 항체를 사용했습니다. 멜라닌 세포의 경우 멜란 A 특이 항체였습니다. 콜라겐 1A2 항체를 사용하여 섬유아세포를 염색하고 형광 설포호다민 101을 아비딘과 결합하여 비만세포에 존재하는 헤파린을 검출했습니다. 그림 13: 형광 세포 염색 결과. (A) 각질세포의 사이토케라틴 14. 척도 막대: 50 μm. (B) 멜라닌 세포의 멜란-A. 척도 막대: 50 μm. (C) 섬유아세포의 콜라겐 1A2. 척도 막대: 100 μm. (D) 비만 세포의 헤파린. 스케일 바: 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이 기사에서는 자신의 고급 인공 피부 모델을 준비하는 데 적용할 수 있는 방법론을 제시합니다. 계획된 연구에 시장에서 사용할 수 없거나 매우 비쌀 수 있는 엄격하게 정의된 연구 모델이 필요할 때마다 좋은 솔루션입니다. 앞서 언급했듯이 시장에는 여러 가지 상용 스킨 등가물이 나와 있습니다(예: EpiSkin, EpiDerm FT). 그러나 비용(개당 €100-€400)과 배송 시간(며칠-주)으로 인해 연구자가 이러한 모델을 직접 준비하려고 시도할 수 있습니다. 제안된 절차는 경험이 없는 과학자도 쉽게 수행할 수 있으며 동시에 매우 고급 피부 모델을 얻을 수 있습니다. 주어진 모델의 세포 구성에 대한 결정은 전적으로 연구자에게 달려 있다는 점을 강조할 가치가 있습니다. 생성된 모델 외에도 더욱 개발되고 개선될 수 있으며, 이는 완전히 새로운 연구 관점을 열어줍니다. 상업용 모델의 경우 다른 등가물을 구입해야 합니다.

3D 세포 배양은 여러 세포 유형으로 발전하여 다루기 쉽고 접근이 용이할 수 있지만, 여전히 조직의 복잡성과 기능(예: 면역학적 기능, 혈관화)을 완전히 재현할 수 없는 인공 모델일 뿐입니다. 그렇기 때문에 대부분의 연구에서 얻은 결과를 확인하기 위해 여러 모델이 필요합니다. 이러한 모델의 몇 가지 장점과 단점은 표 9와 그 한계에 정리되어 있습니다. 반면에 상용 모델은 실험의 재현성과 실험실 간 데이터 비교 가능성과 함께 높은 품질 표준을 보장합니다. 연구를 위한 새로운 화합물의 사용을 실행하기 위하여는, 확실히 적합한 상업적인 동등물을 구매하는 것이 필요할 것입니다. 그러나 준비 단계에서 피부의 자체 제작 3D 모델(다세포형 구체 또는 이와 동등한 모델)은 상업적인 등가물에 대해 수행해야 하는 실험 수를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 설명된 모델을 생산하고 사용하는 목표는 인증된 연구 모델을 적용할 필요성을 우회하는 것이 아니라 연구를 촉진하고 관련 비용을 줄이는 것입니다.

비교된 모델 쌍 장점 단점
세포 배양 vs. 동물 동물의 고통 최소화 테스트된 요인이 전신에 미치는 영향에 대한 제한된 정보
높은 실험 표준화 – 결과의 재현성 향상 단일 모델로는 신체에서 발생하는 과정을 반영하기에 충분하지 않습니다
전체 유기체에 대한 부작용 없음
실험 조건에 대한 더 나은 제어
자동화 가능성(예: 바이오프린팅)
비용 절감
필요한 샘플의 작은 크기
제한된 양의 폐기물 발생
3D 문화와 2D 문화 비교 전체 유기체를 더 잘 반영합니다. 시간이 많이 걸리는 문화
기능성 조직을 만들 수 있는 가능성 더 높은 비용
수행된 연구의 요구에 맞는 모델을 만들 수 있는 가능성 3D 구조의 자발적인 형성은 거의 불가능합니다
다양한 화합물의 효과를 정량화하기 위한 표준화된 테스트의 부족
시중에서 구할 수 있는 다양한 3D 문화에 대한 접근이 제한되어 있습니다.
세포주 vs. 일차 세포 인증 및 승인된 모델 제한된 수의 세포주만 사용할 수 있습니다.
높은 실험 표준화 – 결과의 재현성 향상 동일한 기증자로부터 여러 유형의 세포를 얻을 수 있는 제한된 가능성
더 긴 수명 네이티브 세포에서 변경된 특성을 가질 수 있습니다.
오히려 빠른 확산 속도 세포의 기능이 자주 방해 받음
여러 활동(예: 동결, 원심분리)에 덜 민감합니다.

표 9: 연구에서 다양한 모델의 사용 비교 – 장점 대 단점

몇몇 논문들은 3D 피부 모델들을 제조하는 방법을 설명한다(상업적으로 이용 가능한 모델들(14,43,44)을 요약하는 리뷰 기사들을 제외하고, 이들은 일반적으로 구체(45) 또는 등가물(46)을 얻기 위한 단일 방법론에 초점을 맞춘다).

이 기사에서는 피부 세포를 이용한 구 형성에 대한 두 가지 방법론에 대해 설명했습니다. 행잉 드롭 방법은 널리 사용되지만 경우에 따라 반복성과 안정성이 충분하지 않을 수 있습니다. 대부분의 단계에는 이송 중 물방울에서 물이 증발하기 때문에 고속 작업과 같은 특정 작업이 필요합니다. 이러한 기술이 부족하면 세포 응집체 손상이 발생할 수 있으므로 부드러운 움직임도 권장됩니다31,32. 따라서 구체 준비를 위한 더 쉬운 방법은 세포 접착을 제한하는 데 초점을 맞춥니다. 세포 부착을 위한 좋은 표면이 없으면 세포 간의 더 높은 상호 작용을 촉진합니다. 그 결과, 셀 응집체가 생성됩니다. 구체 전송이 필요하지 않기 때문에 반복성이 훨씬 높습니다. 이러한 방법을 통해 구를 생성하기 위한 최적의 피부 세포 수를 1 x 104 cells/sphere로 설정했습니다.

다음으로, 피부 등가물의 제조를 설명하는 절차를 보여주었습니다. 연구에서 이들의 외관과 기능은 세포(표 2), 골격 및 매체를 포함하여 구성되는 요소에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 인공 피부 제조에 사용되는 3D 골격은 합성 하이드로겔과 천연 원료로 형성된 것으로 나눌 수 있습니다. 하이드로겔을 구성하는 데 사용되는 재료 및 그 특성에 따라, 매체를 추가로 보충할 필요성이 발생할 수 있다. 합성 하이드로겔은 특정 세포 기능을 매개하기 위해 생체 활성 분자(단백질, 효소 및 성장 인자)를 합성 하이드로겔 네트워크에 통합해야 합니다47. 하이드로겔에 대한 성장 인자의 제어된 전달을 달성하기 위한 문헌에 제시된 주요 접근법에는 직접 로딩(direct loading), 정전기 상호작용(electrostatic interaction), 공유 결합(covalent binding) 및 담체(carrier) 48의 사용이 포함된다. ECM 단백질 및 폴리머와 같은 천연 공급원으로 형성된 하이드로겔은 3D 스캐폴드 전체에 유체 경로를 생성하여 영양소 분포를 가속화할 수 있습니다. 따라서, 배지의 추가적인 보충이 필요하지 않다. 조사에 따르면 소분자(예: 사이토카인 및 성장 인자) 및 거대분자(글리코사미노글리칸 및 프로테오글리칸 포함)는 확산47에 의해 ECM을 통해 운반될 수 있습니다. 그러나 산소, 영양소 및 기타 생체 활성 분자의 분자 확산은 ECM 하이드로겔 자체의 특성에 의해 방해받을 수 있습니다. 낮은 확산은 하이드로겔의 더 높은 두께와 상관 관계가 있었지만 또한 매우 높은 농도의 콜라겐37과 관련이 있었습니다. 이 연구에서는 동등한 피부를 만들기 위해 2mg/mL에 해당하는 낮은 콜라겐 농도를 사용했으며, 이는 하이드로겔을 통한 분자 확산이 양호하고 빨라야 함을 시사합니다. 따라서, 이 단계에서 배지 또는 하이드로겔 자체에 대한 추가 보충은 제공되지 않았다. 진피를 모방하기 위해 비만 세포와 섬유아세포(1:10)를 콜라겐 하이드로겔에 삽입했습니다. 다음으로, 멜라닌 세포와 각질 형성 세포(1:15)를 하이드로겔에 파종하고 전체 등가물을 배지에서 배양했습니다. 기본 배지는 여러 아미노산, 무기산 및 비타민으로 구성되며 혈청(세포, 지질, 호르몬, 영양소 및 에너지원, 운반체, 결합 및 전달 단백질 등의 성장 및 부착 인자로 구성)이 추가로 보충된다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 표피의 적절한 구조를 달성하려면 특정 시간에 매체에 다양한 보충제를 추가해야 합니다. 표피 분화를 시작하는 가장 중요한 자극제는 칼슘으로, 세포 내 신호 전달을 활성화합니다. 아스코르브산은 칼슘에 의해 매개되는 것과 유사한 신호전달 경로를 자극하지만, 그 효과는 또한 아스코르브산 수송 강화 및 친수성 항산화제 고갈 방지를 동반한다41. 또한, 다른 성분(예: 카페인, 하이드로코르티손, 트리요오드티로닌, 아데닌 및 콜레라 독소)을 배지에 첨가했을 때 세포의 분화가 개선되었습니다.41,44. 준비된 모델은 항상 적절한 레이어에 주어진 세포 유형이 있는지 확인해야 합니다. 4가지 유형의 피부 세포의 존재는 H&E 염색에 의해 생성된 등가물의 구조에서 확인되었습니다.

가장 일반적인 문제는 얻은 모델을 다룰 때의 섬세함과 직관력입니다. 일부 어려움은 세포구 형성 및 하이드로겔 준비와 관련될 수 있습니다. 세포 배양 중에 몇 가지 다른 문제도 발생할 수 있습니다. 여기에는 미생물 감염, 세포의 낮은 증식 속도, 모델에 사용된 일차 세포의 노화, 일차 세포와 세포주에서 재구성한 2D 및 3D 모델의 최대 배양 시간 등이 포함됩니다. 표 10에서는 다음 문제 중 하나가 발생했을 때 어떻게 해야 하는지에 대한 몇 가지 실용적인 조언을 수집했습니다.

세포 배양의 일반적인 문제 제안
미생물 감염 세포가 있는 플라스크/접시 중 하나에서 미생물 감염이 발생하면 감염된 배양물을 가능한 한 빨리 제거하는 것이 좋습니다(나머지 플라스크/접시를 세포로 오염시키지 않음). 세포가 있는 새 바이알을 다시 얼립니다.  감염이 재발하면 적용된 항생제의 스펙트럼을 넓히고 농도를 높이는 것이 좋습니다.
세포의 낮은 증식 속도 일부 세포는 배가 시간이 깁니다. 이들의 증식을 자극하기 위해, 여러 세포 특이적 성장 인자를 염기성 배지에 첨가할 수 있습니다. 또한 기저 배지에서 FBS 또는 L-글루타민의 농도를 증가시키는 것은 세포의 성장을 자극하는 데 도움이 될 수 있습니다.
모델에 사용된 일차 세포의 노화 몇 번의 통과 후에 일차 세포는 노화에 들어가고 분열을 멈춥니다. 모델에서 이 문제를 극복하려면 가능한 한 초기 통로의 셀을 사용하여 모델을 구축하는 것이 좋습니다.
일차 세포주와 세포주에서 재구성한 2D 및 3D 모델의 최대 배양 시간 모델의 배양 시간은 사용 된 세포의 유형에 따라 크게 달라집니다. 일차 세포를 사용하면 수명이 짧기 때문에 배양 시간이 짧아집니다.
세포구 형성의 어려움 일부 세포는 구 형성에 더 오랜 시간이 필요할 수 있습니다. 며칠이 더 지나도 구체가 형성되지 않으면 샘플에서 세포를 수집하고 예를 들어 트리판 블루 염색을 사용하여 세포의 생존 가능성을 확인합니다.
구 안정성 문제 구체가 안정적이지 않고 처리하는 동안 파괴되는 경우 더 적은 수의 셀에서 구를 생성해 보십시오. 구체가 자라는 접시를 항상 부드럽게 옮기십시오.
하이드로겔 제제의 어려움 성분(물, PBS[10x], NaOH, 콜라겐 1형)의 비율이 올바른지 확인합니다. 콜라겐의 원액은 일반적으로 매우 조밀하므로 천천히 피펫해야 합니다. 기포는 하이드로겔의 형태를 방해하므로 겔의 역 피펫팅이 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

표 10: 세포 배양 문제 해결

(1) 의약품 및 화장품에 사용하기 위한 생물학적 활성을 가진 새로운 화합물의 세포독성 및 유전독성 실험(49), (2) 다양한 요인 자극을 이용한 실험(50), (3) 피부 세포, 피부 세포의 생물학적 기능, 다른 세포 및 환경과의 상호 작용에 대한 지식을 향상시키는 기초 연구51 등 다양한 분야에서 제작 후 확립된 모델을 사용할 수 있습니다. 52, (4) 생성된 모델에 특정 유형의 세포를 도입할 수 있는 선별된 질병 개체(암세포, 특정 유전자에 돌연변이가 있는 세포 등)에 대한 연구14,53) 등. 이러한 모델의 적용이 제품 테스트 및 과학 연구에서 동물을 보다 윤리적으로 사용하기 위한 3R 원칙에 부합하며 화장품 동물 실험 금지법을 위반하지 않는다는 것은 말할 필요도 없습니다.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자들은 바르샤바 공과대학교가 ‘Excellence Initiative – Research University’ 프로그램을 통해 POB BIB BIOTECHMED-2 시작(no. 1820/2/ZO1/POB4/2021)과 학생 연구 그룹을 위한 총장 보조금(SKIN-ART, no. 1820/116/Z16/2021)의 두 가지 보조금 형태로 제공한 재정적 지원에 감사드립니다. 또한, 저자들은 Joanna Cieśla 교수와 의약품 및 화장품 생명공학 학과장, 바르샤바 공과대학 화학부의 생명공학 과학 클럽 ‘Herbion’의 지원에 감사드립니다. Pluronic F-127 화합물을 제공해 주신 Michał Stepulak 박사님께 특별한 감사를 드립니다.

Materials

24-well plate for adherent cell culture Biologix Europe GmbH 07-6024
35%–38% HCL Chempur 115752837
60 mm cell culture Petri dish  Nest 705001
Avidin−Sulforhodamine 101 Sigma Aldrich A2348-5MG
Bright-field inverted microscope Olympus CKX41
Calcium chloride Avantor 874870116
Cell culture flask T75 for adherent cells Genoplast G77080033
Centrifuge tube 15 mL GoogLab Scientific G66010522
CO2 Incubator Heal Force Galaxy 170R
Col1A2 antibody produced in rabbit Novus NBP2-92790
Corning(R) Transwell(R) Polycarbonate Corning CLS3422-48EA
Cytokeratin 14 antibody produced in mouse Novus NBP1-79069
DPX Mountant for histology Sigma Aldrich 06522-100ML
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) VWR Chemicals L0102-500
Eosine Y Kolchem 0.5 % aquatic solution
Eppendorf tube 1.5 mL Sarstedt 72.690.001
Eppendorf tube 2 mL Sarstedt 72.691
Ethyl alcohol absolute 99.8% Avantor 396480111 diluted in ultrapure water to the needed concentrations 
Fetal bovine serum Gibco 10270106
Fluorescent inverted microscope  Olympus IX71
Goat anti-mouse secondary antibody conjugated with FITC Sigma Aldrich F0257-1mL
Goat anti-rabbit secondary antibody conjugated with FITC Novus NB7159
Harris Hematoxylin Kolchem 1 mg/mL in 95% ethanol
Hoechst 33342 ThermoFisher H3570
Laminar chamber Heal Force HFSafe-1200
Melan-A antibody produced in mouse Santa Cruz Biotechnology sc-20032
Microtome Microm HM355S
NaOH  Avantor 810981997
Paraffin pastilles Sigma Aldrich 1.07164
Paraformaldehyde Sigma Aldrich 1581227
Penicillin/Streptomycin solution Sigma Aldrich P4333
Pipette tip, 1000 µL Sarstedt 70.305
Pipette tip, 20 µL Sarstedt 70.3021
Pipette tip, 200 µL Sarstedt 70.303
Pluronic F-127 BASF 50401036
Serological pipette 10 mL GoogLab Scientific G33270011
Serological pipette 25 mL GoogLab Scientific G33280011
Serological pipette 5 mL GoogLab Scientific G33260011
Sodium bicarbonate Sigma Aldrich S5761
Sodium bicarbonate Chempur 118105307
Trypsin-EDTA 0.25% solution, phenol red Sigma Aldrich 25200072
Type 1 collagen IBIDI 50201
U-bottom 96-well plate Sarstedt 83.3925500
Xylene Sigma Aldrich 534056

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Citar este artigo
Piasek, A. M., Levkovych, I., Musolf, P., Chmielewska, H., Ścieżyńska, A., Sobiepanek, A. Building Up Skin Models for Numerous Applications – from Two-Dimensional (2D) Monoculture to Three-Dimensional (3D) Multiculture. J. Vis. Exp. (200), e65773, doi:10.3791/65773 (2023).

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