הנדסת רקמות הקרנית: במבחנה מודל של אינטראקציות סטרומה-עצב של הקרנית האנושית
Summary
פרוטוקול זה מתאר את הרומן תלת מימדי במבחנה מודל, שבו תאי סטרומה הקרנית ואת תאים עצביים מתורבתים יחד כדי לסייע בדיקה והבנה של האינטראקציות של תא שני הסוגים.
Abstract
הנדסת רקמות זכה להכרה משמעותית בשל הביקוש הגבוה החלפת הקרנית האנושית בערך 10 מיליון אנשים ברחבי העולם הסובלים אובדן ראייה הקרנית1. כדי לענות על הביקוש קיימא הקרנית האנושית, התקדמות משמעותית ברקמה תלת מימדי (3D) הנדסה הפך2,3,4. מודלים אלה קרנית נע בין מערכות חד שכבתי פשוטה דגמי מרובה שכבות, שמוביל תלת-ממד מלא-עובי הקרנית ששווי הערך2.
עם זאת, השימוש של הקרנית רקמות מהונדסים 3D בהקשר של במבחנה המחלה מודלים למד עד תאריך חסר דמיון המבנה מרובה שכבות תלת-ממד רקמת הקרנית, פונקציה של הרשתות של סוגי תאים שונים (כלומר, חוצפה, אפיתל stroma, אנדותל)2,3. בנוסף, גדל הביקוש במבחנה מודלים רקמת הקרנית בניסיון להפחית את הניסויים בחיות עבור מוצרים פרמצבטיים. לפיכך, דגמים מתוחכמים יותר נדרשים על מנת שיתאימו יותר מערכות לדרישות הפיזיולוגיות האנושי, הפיתוח של מודל זה יותר רלוונטי האוכלוסייה המטופלת הוא הכרחי. בהתחשב בכך סוגי תאים מרובים הקרנית מושפעים ומחלות dystrophies, כגון קרטוקונוס, Keratopathy סוכרתית, פוקס, מודל זה כולל דגם תלת-ממד תרבות משותפת של ראשי האדם הקרנית fibroblasts (HCFs) תורמים בריא, נוירונים מ הקו תא SH-SY5Y. זה מאפשר לנו לראשונה לחקור את האינטראקציות בין סוגי שני תאים בתוך הרקמה הקרנית האנושית. אנו מאמינים כי מודל זה יכול באופן פוטנציאלי לנתח המנגנונים הבסיסית המשויכת את האינטראקציות סטרומה-עצב של מחלות קרנית כי התערוכה עצב נזקים. דגם תלת-ממד זה מראות הטבע אנטומית, פיזיולוגית בסיסית של ה רקמת הקרנית ויוו , יכול לשמש בעתיד ככלי עבור חוקרים פגמים הקרנית, כמו גם הקרנת את היעילות של סוכנים שונים לפני הניסויים בחיות.
Introduction
בגוף האדם, הקרנית היא הרקמה innervated ביותר. העצבים אחראים על תחושות שונות כמו מגע, כאב, טמפרטורה, ויש גם תפקיד חיוני ריפוי פצעים, ממצמץ רפלקסים, לקרוע הייצור, ועל הפרשת5,6,7. הקרנית, גזעי עצב סטרומה נובעים מקלעת limbal והזן stroma הקרנית היקפיים בצורה רדיאלית. הארגון עצב סטרומה במקביל lamellae קולגן, הם עוד סניף לתוך קטנות fascicles הם התקדמותך לעבר שטחי משתית5,8. סיבי העצב עוד לחדור את שכבת האפיתל, לפיכך, העצבוב נרחב מתפרסת על פני אפיתל הקרנית משתית. לכן, העצבוב יש תפקיד חיוני במדינת בריאים וחולים של הקרנית. ב פרוטוקול זה, אנו חושפים את ההתקדמות של הרומן 3D במבחנה דוגמן, הוא הראשון מסוגו כדי לחקות את האינטראקציות סטרומה-עצב ויוו . שורת התאים SH-SY5Y נעשה שימוש במחקר זה, כי הוא אחד הקווים הוותיקים ביותר, טוב מאופיין המשמשות ללימוד צמיחה עצביים. שורת התאים SH-SY5Y כבר מתואר לייצר שני מחסידי המצע (S-type), neuroblastic (מסוג N) תאים זה יכול לעבור transdifferentiation9. כתוצאה מכך, אף-על-פי קו תא זה נגזר מתוך מבחר טריפל subclone רצופות של תאים מסוג N, הוא מכיל גם מספר קטן של S-type תאים שעברו התמיינות לתוך הנוירונים באמצעות retinoic חומצה, נגזר המוח neurotrophic פקטור9. זה מספק כלי זה עשוי להוביל להבנה טובה יותר של הקרנית הסיבוכים עם רטינופתיה סוכרתית (DM) ומחלות אחרות עינית. בשל הקשיים הקשורים בהשגת culturing נוירונים של חולים עם מחלה עינית, מודל זה 3D במבחנה מספק השלכות משמעותית הלומדים את האינטראקציות עצביים, איתות עם stroma הקרנית.
תנאים חולה לעיתים קרובות משפיעים על רקמות שונות בגוף בקנה מידה גדול מאוד, המוביל אל איכות חיים בסכנה. Dystrophies עינית סיבוכים נפוצים קשורה לעיתים קרובות עם מחלות מערכתיות ולהוביל אובדן של חדות הראייה או אובדן ראייה ואפילו קבע. מחקרים מקיפים חיוניים לעתים קרובות לצורך הבנה טובה יותר של מצב המחלה, כמו גם את ההשפעות ברמה התאית הבזליים. לחקור את ההשפעות של מחלות כאלה, פותחו מודלים שונים ב- vivo ו- in vitro לקשרי עם העזרה של רקמות יישומי הנדסה. יישומי הנדסת רקמות הקרנית משכו עניין רב ברחבי בתחומים השונים של מדעי10,11,12,13,14, אך ישנן מגבלות הגדולות עדיין במהלך יישום בפועל, לרבות הקרנית להשתיל דחיות, דלקות וצלקות10,11,12,13,14. ישנם מספר מחקרים יש בהצלחה פיתח והקים שונים במבחנה מודלים3,15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25,26. דגמי תלת-ממד במבחנה הם המבטיחים ביותר עניין מדעי רב. דגמי תלת-ממד ידועים יותר לשקף ויוו הסלולר האירועים ופיזיולוגיים הן קריטיות במהלך פיברוזיס, פצע ריפוי15,27,28,29. מודלים אלה במבחנה לשחק תפקיד חשוב למצוא גישות טיפוליות חדשות לטיפול במצבים למחלות שונות כולל סיבוכים הקרנית. למרות תפקיד קריטי של העצבוב בפונקציות הקרנית, הפך מעט מאמץ כדי לקדם את הפצת במערכת העצבים ההיקפית בתוך הקרנית בונה רקמות מהונדסים2,3. עם זאת, המבנה תא המוצע 3D במבחנה לחקות את רקמת המטרה כדי להשיג את הפונקציונליות הרקמה הרצויה.
בעוד keratopathy סוכרתית הוא יישום ברור עבור המודל המתואר כאן בשל הליקויים עצביים, ישנן מספר מחלות הקרנית אחרות יכולים להפיק תועלת מודל אנושי במבחנה כולל dystrophies קרטוקונוס, פוקס. דגם התלת-ממד שלנו מגיח זה פרוספקט, מציע הפיתוח של ייצוג במבחנה של רקמת הקרנית כדי להעריך תרופות והבטיחות של תרופות חדשות עינית.
Protocol
Representative Results
Discussion
מספר מחקרים התמקדו על פיתוח מודלים בבעלי חיים שונים יכולים לעזור לפתח הבנה טובה יותר של מחלות הקרנית וכן לגלות טיפולים. עם זאת, ערך משמעותי לבני ממחקרים אלה לא אומת. עד כה, מודלים שונים במבחנה יש כבר שפותחו ונחקרו נרחב עקב שלהם משמעות קלינית יוצא מן הכלל. המודל שלנו שנקבעו קודם 3D במבח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להרחיב שלנו כנה בזכות ד ר בן פאולר לעזרה טכנית שלו עם הניסויים TEM.
Materials
| Healthy corneal tissue | NDRI | Samples from donors with no ocular trauma or systemic disease | |
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Solution (1X) | Gibco by Life Technologies | 14190-144 | |
| Sterile forceps | Fischer Scientific | 13-812-42 | Fisherbrand Dissecting Extra-Fine-Pointed Splinter Forceps |
| Single edge razor blades | Personna | 270100 | |
| Sterile surgical scalpel blades No.10 | Feather Surgical Blade | 2976#10 | |
| Eagle’s Minimum Essential Medium | ATCC | 30-2003 | |
| Fetal Bovine Serum | Atlanta Biologicals | S11550 | 10% FBS is required for media preparation |
| Antibiotic-Antimycotic (100X) | Gibco by Life Technologies | 15240-062 | 1% Antibiotic-Antimycotic is required for media preparation |
| 0.05% Trypsin EDTA(1X) | Gibco by Life Technologies | 25300062 | |
| Polycarbonate membrane inserts with 0.4-μm pores | Corning Costar | 3412 | |
| 2-O-α-Dglucopyranosyl-L-ascorbic acid (Vitamin C) | Sigma-Aldrich | SMB00390-14 | A concentration of 0.5 mM should be used for the study |
| Wax block | VWR | 50-949-027 | |
| SH-SY5Y Neuroblastoma cells | ATCC | SHSY5YATCC CRL-2266 | |
| Retinoic Acid | Sigma-Aldrich | SRP3014-10UG | Final concentration of 10uM needs to be used |
| BDNF | Sigma-Aldrich | R2625-100MG | Final concentration of 2nM needs to be used |
| Dimethyl Sulfoxide(DMSO) | VWR-Alfa Aesar | 67-68-5 | Ultra Pure Grade-Sterile DMSO to be used |
| Thermo Scientific Nunc Cell Culture Treated EasYFlasks (T25) | Fisher Scientific | 12-565-351 | |
| Thermo Scientific Nunc Cell Culture Treated EasYFlasks (T75) | Fisher Scientific | 12-565-349 |
References
- Pascolini, D., Mariotti, S. P. Global estimates of visual impairment: 2010. Br J Ophthalmol. 96 (5), 614-618 (2012).
- Rönkkö, S., Vellonen, K. -. S., Järvinen, K., Toropainen, E., Urtti, A. Human corneal cell culture models for drug toxicity studies. Drug Delivery and Translational Research. 6 (6), 660-675 (2016).
- Ghezzi, C. E., Rnjak-Kovacina, J., Kaplan, D. L. Corneal tissue engineering: recent advances and future perspectives. Tissue Eng Part B Rev. 21 (3), 278-287 (2015).
- Shafaie, S., Hutter, V., Cook, M. T., Brown, M. B., Chau, D. Y. S. In Vitro Cell Models for Ophthalmic Drug Development Applications. BioResearch Open Access. 5 (1), 94-108 (2016).
- Shaheen, B. S., Bakir, M., Jain, S. Corneal nerves in health and disease. Surv Ophthalmol. 59 (3), 263-285 (2014).
- Beuerman, R. W., Schimmelpfennig, B. Sensory denervation of the rabbit cornea affects epithelial properties. Exp Neurol. 69 (1), 196-201 (1980).
- Heigle, T. J., Pflugfelder, S. C. Aqueous tear production in patients with neurotrophic keratitis. Cornea. 15 (2), 135-138 (1996).
- Wang, S., et al. In vitro 3D corneal tissue model with epithelium, stroma, and innervation. Biomaterials. 112, 1-9 (2017).
- Ross, R. A., Spengler, B. A., Biedler, J. L. Coordinate morphological and biochemical interconversion of human neuroblastoma cells. J Natl Cancer Inst. 71 (4), 741-747 (1983).
- Griffith, L. G., Naughton, G. Tissue engineering – Current challenges and expanding opportunities. Science. 295 (5557), (2002).
- Guo, X., et al. Morphologic characterization of organized extracellular matrix deposition by ascorbic acid-stimulated human corneal fibroblasts. Invest Ophthalmol Vis Sci. 48 (9), 4050-4060 (2007).
- Karamichos, D. Ocular tissue engineering: current and future directions. J Funct Biomater. 6 (1), 77-80 (2015).
- Karamichos, D., Brown, R. A., Mudera, V. Collagen stiffness regulates cellular contraction and matrix remodeling gene expression. J Biomed Mater Res A. 83 (3), 887-894 (2007).
- Ruberti, J. W., Zieske, J. D. Prelude to corneal tissue engineering – gaining control of collagen organization. Prog Retin Eye Res. 27 (5), 549-577 (2008).
- Karamichos, D., Guo, X. Q., Hutcheon, A. E., Zieske, J. D. Human corneal fibrosis: an in vitro model. Invest Ophthalmol Vis Sci. 51 (3), 1382-1388 (2010).
- Chen, F. M., Liu, X. Advancing biomaterials of human origin for tissue engineering. Prog Polym Sci. 53, 86-168 (2016).
- Priyadarsini, S., Sarker-Nag, A., Rowsey, T. G., Ma, J. X., Karamichos, D. Establishment of a 3D In Vitro Model to Accelerate the Development of Human Therapies against Corneal Diabetes. PLoS One. 11 (12), e0168845 (2016).
- Karamichos, D., Hjortdal, J. Keratoconus: tissue engineering and biomaterials. J Funct Biomater. 5 (3), 111-134 (2014).
- Wilson, S. L., Yang, Y., El Haj, A. J. Corneal Stromal Cell Plasticity: In Vitro Regulation of Cell Phenotype Through Cell-Cell Interactions in a Three-Dimensional Model. Tissue Engineering Part A. 20 (1-2), 225-238 (2014).
- Proulx, S., et al. Reconstruction of a human cornea by the self-assembly approach of tissue engineering using the three native cell types. Molecular Vision. 16 (234-236), 2192-2201 (2010).
- Gonzalez-Andrades, M., et al. Establishment of a novel in vitro model of stratified epithelial wound healing with barrier function. Sci Rep. 6, 19395 (2016).
- Hopkins, A. M., DeSimone, E., Chwalek, K., Kaplan, D. L. 3D in vitro modeling of the central nervous system. Prog Neurobiol. 125, 1-25 (2015).
- Schulz, S., et al. Natural Corneal Cell-Based Microenvironment as Prerequisite for Balanced 3D Corneal Epithelial Morphogenesis: A Promising Animal Experiment-Abandoning Tool in Ophthalmology. Tissue Engineering Part C-Methods. 20 (4), 297-307 (2014).
- Gao, J., Wang, Y., Zhao, X., Chen, P., Xie, L. MicroRNA-204-5p-Mediated Regulation of SIRT1 Contributes to the Delay of Epithelial Cell Cycle Traversal in Diabetic Corneas. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (3), 1493-1504 (2015).
- Koulikovska, M., et al. Enhanced regeneration of corneal tissue via a bioengineered collagen construct implanted by a nondisruptive surgical technique. Tissue Eng Part A. 21 (5-6), 1116-1130 (2015).
- Ljubimov, A. V., Saghizadeh, M. Progress in corneal wound healing. Progress in retinal and eye research. 49, 17-45 (2015).
- Zieske, J. D. Extracellular matrix and wound healing. Curr Opin Ophthalmol. 12 (4), 237-241 (2001).
- Karamichos, D., Hutcheon, A. E., Zieske, J. D. Transforming growth factor-beta3 regulates assembly of a non-fibrotic matrix in a 3D corneal model. J Tissue Eng Regen Med. 5 (8), e228-e238 (2011).
- Karamichos, D., Lakshman, N., Petroll, W. M. An experimental model for assessing fibroblast migration in 3-D collagen matrices. Cell Motil Cytoskeleton. 66 (1), 1-9 (2009).
- Karamichos, D., et al. Novel in Vitro Model for Keratoconus Disease. J Funct Biomater. 3 (4), 760-775 (2012).
