このレポートでは、血液脳関門モデルを構築するための μSiM プラットフォームでのアセンブリ、細胞培養、およびアッセイのプロトコルを提供します。
microSiM(μSiM)は、血液脳関門(BBB)をモデル化するためのメンブレンベースの培養プラットフォームです。従来のメンブレンベースのプラットフォームとは異なり、μSiM は、生細胞イメージング、「血液」室と「脳」室間のパラクリンシグナル伝達の妨害なし、メンブレンの抽出/再マウントを必要とせずに免疫蛍光を直接イメージングする機能など、実験者に新しい機能を提供します。ここでは、極薄ナノ多孔質窒化ケイ素膜を用いて、BBBの単培養(内皮細胞)および共培養(内皮細胞および周皮細胞)モデルを確立するためのプラットフォームの基本的な使用法を示します。初代細胞培養とヒト人工多能性幹細胞(iPS細胞)培養の両方との適合性を実証しています。免疫蛍光染色によるBBBモデルの定性分析法を提供し、低分子透過性アッセイにおけるバリア機能の定量的評価に μSiM を使用することを実証します。提供される手法により、ユーザーはプラットフォーム上でバリアモデルを確立でき、ヒト組織を研究するための組織チップ技術の使用が促進されます。
生体組織は、バリアを作成および維持し、どの細胞と分子があるコンパートメントから別のコンパートメントに輸送されるかを調節する特殊な細胞によって区画化されています。バリア機能の不適切な調節は、急性疾患と慢性疾患の両方の原因となる可能性があります。血液脳関門(BBB)は、人体で最も制限の厳しい組織関門です1。BBBの機能不全は、アルツハイマー病2、パーキンソン病3,4、多発性硬化症5,6など、中枢神経系(CNS)の幅広い疾患の根底にあります。BBBの損傷は、敗血症7、COVID-198、術後せん妄9などの急性疾患の結果としての長期的な認知障害にも関連しています。脳障害を治療する可能性のある薬剤の開発は、BBBを意図的に破って脳内の標的に生理活性分子を送達するという課題のために、苛立たしいほど困難でした10。これらの理由から、in vitroでBBB機能を研究する方法は、中枢神経系の疾患の理解と治療にとって最も重要です。
in vitroでバリア機能を測定するための基本的な方法は、半透膜上に単層または共培養を確立し、低分子拡散または小電流のいずれかに対して細胞によって付与される抵抗を測定することを含む11,12,13,14。微小生理学的システム(MPS)の出現により、BBBを3Dでモデル化するための豊富な選択肢が生まれましたが15,16、システム形状の多様性により、MPS間の透過性測定値や確立された文献値と比較することは困難です。信頼できるベースライン値の確立は、脳血管内皮細胞による広範なバリア制御のために、in vitro透過性値が高度に精査されるBBB研究において特に重要です12,17,18。これらの理由から、2Dメンブレン上に確立された単層間の透過性測定は、今後何年にもわたってBBB研究の定番であり続けるでしょう。これは、ベースライン透過性の絶対値が in vitro モデルを検証および比較するために使用されている上皮バリアを含む他の組織バリアにも当てはまります 19,20,21。
BBB研究コミュニティにとって価値のある新しいツールを確立することを目標に、過去5年間、バリア組織モデリングに使用するためのシリコンMエンベレーン(μSiM)プラットフォームを備えたマイクロデバイスを22と23,24,25,26に導入しました。このプラットフォームの実現可能な特徴は、数億個のナノポア27,28、またはナノポアとマイクロポアの混合物29を備えた超薄型(厚さ<100 nm)メンブレンです。自立型メンブレンチップは、300μmのシリコン「チップ」上に製造され、超薄型構造30を安定化し、デバイス組み立てのためにピンセットで取り扱うことを可能にする。その超薄型の性質のために、膜は、市販の膜培養装置で使用される従来のトラックエッチング膜よりも2桁高い透過性を有する31,32。実際には、これはナノポア(<60 nm)よりも小さい分子の拡散に対する膜の障害が無視できるほど小さいことを意味します33。したがって、細胞障壁については、細胞およびそれらが堆積するマトリックスのみが、膜34によって分離された頂端区画から基底区画への小分子輸送の速度を決定するであろう。また、デバイスの設計と膜の極薄性は、光学顕微鏡に多くの利点をもたらします。これらには、1)位相差または明視野イメージングを使用して生培養を追跡する能力、2)メンブレンを抽出してカバーガラスに転写する必要なく、その場で蛍光染色およびイメージングを行う能力、および3)メンブレンが共焦点の「スライス」よりも薄いため、直接共培養では、厚さ6〜10 μmのトラックエッチングメンブレンで達成できるよりも細胞タイプ間の間隔が自然であるという事実が含まれます。
最近では、迅速な組み立て34とカスタマイズ35,36を容易にするために、プラットフォームをモジュラー形式に進化させました。私たちは、モジュラー形式を活用して、バイオエンジニアリングと共同の脳関門ラボ間でデバイスコンポーネントを分散させました。その後、デバイスの組み立て、単培養と共培養、免疫蛍光染色、および低分子透過性のプロトコルを共同で開発し、これらの方法がラボ間で再現可能であることを示しました。また、これらのプロトコルを用いて、ヒト人工多能性幹細胞(iPS細胞)から脳微小血管様内皮細胞(BMEC)を作製するために、拡張内皮培養法(EECM)を用いて開発された検証済みのBBBを、モジュール式プラットフォームがサポートしていることも示しました37。本レポートの目的は、これらの方法をより詳細に検討し、付随するビデオの助けを借りて、BBBコミュニティにおけるプラットフォームのより広範な採用を促進することです。
メンブレンチップは安定性を重視して設計されていますが、組み立て時に取り扱いを誤ると、ひび割れや破損の原因となります。したがって、チップピンセットの切り欠きでチップをつかみ、固定具にそっと置くことが重要です。一般的にデバイスを取り扱うときは、デバイスをぶつけたり落としたりしないように特別な注意を払う必要があります。メンブレンチップをフィクスチャーA1に接着する際、チップを平らに置き、フィクスチャーA1のピラーの中央に配置して、コンポーネント1への接着中にメンブレンの亀裂が発生しないようにする必要があります。さらに、保護マスクを取り外した後は、露出したPSA層との接触を避ける必要があります。保護マスクを取り外した後にコンポーネント2を取り扱うときは、コンポーネントの端に沿って保持し、ピンセットを使用してPSAフリーの三角形の角をつかむことをお勧めします。
細胞培養プロトコルは可能なBBBモデルについて説明されていますが、ここで説明するBBBのBMEC/周皮細胞共培養モデルは、生理学的状況と関心のある質問に応じて十分または不十分である可能性があります。例えば、免疫細胞の輸送は、主に脳の毛細血管後細静脈で起こる41,42。これらの領域では、血管周囲腔がBMEC/ペリサイトバリアをアストロサイトによって確立されたグリアリミタンスから分離します。したがって、毛細血管後細静脈では、神経血管ユニット(NVU)は物理的に分離された2つの直列のバリアで構成されており、アストロサイトの末端足はBMEC/ペリサイト血液関門に直接接触しません。目標がアストロサイト分泌因子が血液関門に与える影響を説明するNVUモデルである場合、血管周囲腔を介した可溶性因子交換を可能にするアストロサイトコンパートメントをデバイスに追加できます。この例は、以前に図示され34、3D「脳」区画内のミクログリアおよびニューロンなどの他の細胞を含むように拡張することができる。プラットフォームのモジュラーアーキテクチャにより、シンプルな組み立て戦略を使用してこれらの再構成を実現できるため、プラットフォームは、手元の仮説に対処するために必要なだけシンプルまたは複雑になります。各細胞培養セットアップ;ただし、新しい細胞株や多培養用に最適化する必要があります。例えば、窒化ケイ素膜の特性上、組織培養プレートに比べてコーティング液の調整が必要な場合があります。フィブロネクチンの含有は、通常、細胞の接着と生存を助けます。さらに、ユーザーは内皮細胞と周皮細胞を逆方向に培養することができます。この場合、例えば、透磁率測定の方法や解釈の仕方を変更する必要があるかもしれません。ただし、この種のカルチャの手順を説明することは、このホワイト ペーパーの範囲を超えています。
細胞培養中に遭遇する可能性のあるもう一つの課題は、標準的な組織培養プレートやフラスコと比較して、環境の変化に対してより敏感であるため、培地の迅速な蒸発です。過剰な蒸発が見られたり、細胞増殖が遅くなったりした場合は、正確な設定を確保するために、すべての重要なインキュベーターパラメーターを測定する必要があります。細胞培養チャンバー内に置かれたティッシュキャップや小さなシャーレに水を追加するか、培地をより頻繁に交換する必要があります。さらに、気泡が底部の溝に入り、トレンチダウン装置のトレンチに詰まる可能性があります。それらは削除できますが、そもそも泡を追加しないようにするのが最も簡単です。そのためには、培地をボトムチャンバーにピペッティングする前に、ピペットチップに気泡やピペットチップの端に空気がないことを確認することが重要です。さらに、チャネル内の媒体の蒸発は、媒体表面とポート上部との間に隙間を生じさせる可能性がある。少量の培地を1つのポートにピペッティングし、反対側のポートの表面に到達するまでピペッティングし、その後、反対側のポートで培地を交換できます。hECSRおよびE6 + 10% FBS培地はウォーターバスで温めないでくださいが、他の培地を予熱して気泡の形成を減らすことができます。気泡が底部チャンバーに入った場合は、チャネルから100 μLをすばやくピペッティングすることで除去できます。ただし、この方法では、チャンバー間の汚染やメディアがデバイスの表面にこぼれる可能性があります。また、細胞層を破壊する可能性もあります。あるいは、培地を最初にチャネルから除去し、次に50 μLの容量で再導入することもできます。ただし、最初にメディアを取り外すと、チャネル内の気泡の形成が多くなる可能性があります。気泡が膜領域の真下にない場合は、細胞培養に影響を与えずにチャネルに残すことができます。
図2に示されているように、周皮細胞の接着と増殖は困難な場合があります。最適化された播種密度を使用することは、生理学的に適切な周皮細胞と内皮細胞の比率を持つ層の形成に不可欠です。さらに、周皮細胞はせん断に敏感であるため、チャネル内のすべての培地交換は、細胞を保護するために非常にゆっくりと行う必要があります。BPLC培養では、800 μg/mLのIV型コラーゲンまたは100 μg/mLのフィブロネクチンでボトムチャンバーをコーティングすることで、接着性を向上させることができます。
ここで説明するデバイスの免疫細胞化学により、細胞の健康状態と機能の定性分析が可能になります。組織培養プレートまたは他のプラットホームでの染色方法は、プラットホームに直接変換できる必要があります。上部チャンバーのみでの細胞培養の場合、固定後、PBSを下部チャンバーに添加し、残りのステップに残し、ブロッキングと染色は上部チャンバーでのみ行うことができます。これにより、メンブレンが破れたり、底部チャンバーに気泡が入ったりするリスクが最小限に抑えられます。共培養染色では、すべてのステップで両方のチャンバーを使用することをお勧めします。固定液とPBSの粘度は培地の粘度とは異なることに注意することが重要です。したがって、ボトムチャンバーに気泡を追加する方が簡単であり、ボトムチャンバーにピペッティングする前に、チップの端に空気が入っていないかピペットチップをチェックするように特に注意する必要があります。
低分子透過性アッセイについて記載されたプロトコルは、μSiMデバイスで培養された内皮細胞のバリア機能の機能的および定量的評価を可能にします。このアッセイ中に発生する可能性のある問題の 1 つは、プロトコルステップ 4.1.7.4 で下部チャネルからサンプルを採取する際に気泡をピペットに引き込むことです。この問題を回避するには、サンプル採取を開始する前にチップがポートに密閉されていることを確認し、サンプルの吸出が速すぎないようにすることが重要です。それでも問題が解決しない場合は、使用するチップのサイズが小さすぎるか大きすぎてポートに収まらない可能性があります。 材料表に記載されているヒントを使用してください。健康そうに見えるコンフルエント単分子膜にもかかわらず、予想外に高い透過性値が測定された場合は、サンプル収集中に単分子膜の完全性に破壊がないかチェックする必要があります。単分子膜は、採取後すぐに顕微鏡で確認することをお勧めします。単層がまだ無傷で健康であると思われる場合は、サンプルを固定し、例えば接合部タンパク質の免疫染色によってバリア機能の生物学的マーカーを評価することができます。逆に、予想外に低い透過性値が測定された場合は、気泡のない底流路から50 μLの培地をサンプリングすることが重要です。リザーバーチップを装着するとすぐに培地がサンプリングポートから出てくる場合は、底部チャネルからサンプリングした最初の10 μLの容量に蛍光低分子のほとんどが存在するため、ピペットをサンプリングポートに取り付ける前に培地を回収する必要があります。疎水性ペンを使用してポートの周囲に円を描いたり、ポートの周囲に穴を開けた疎水性テープを貼ったりすることで、受動的にポンプで送られた媒体が広がるのを防ぐことができます。サンプリング中に気泡が排出された場合、または50 μLのサンプルを完全に除去しない場合は、サンプルを使用しないでください。あるいは、正確な体積を決定し、透磁率の計算に使用することもできます。ただし、これは除去された容量が≥40μLの場合にのみ行う必要があり、これは98~99%の色素回収率に相当します34。
The authors have nothing to disclose.
J.L.M.、B.E.、T.R.G.、M.C.M.、P.K.、M.T.、K.C.、およびL.W.は、NIHの助成金R33 HL154249によって資金提供されました。J.L.M.はR44 GM137651から資金提供を受けました。M.M.は、ロチェスター大学デルモンテ神経科学研究所のSchmidt Program Awardから資金提供を受けました。M.T.はRF1 AG079138から資金提供を受けました。K.C.は、International Foundation for Ethical Researchから資金提供を受けました。
Antibodies | |||
CD31 Polyclonal antibody | Thermo Fisher Scientific | PA5-32321 | |
Claudin-5 mouse IgG antibody, 4C3C2 | Thermo Fisher Scientific | 35-2500 | |
Goat α-Mouse IgG Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A11001 | |
Goat α-Rabbit IgG Alexa Fluor 568 | Thermo Fisher Scientific | A11011 | |
Hoechst 33342 | Life Technologies | H3570 | |
NG2, mouse IgG2a, 9.2.27 | Millipore | MAB2029 | |
Occludin mouse IgG antibody, OC-3F10 | Thermo Fisher Scientific | 33-1500 | |
PDGFRβ, rabbit IgG antibody, 28E1 | Cell Signaling Technology | 3169 | |
VE-cadherin mouse IgG2B Clone # 123413 | R&D Systems | MAB9381 | |
ZO-1 rabbit IgG antibody, polyclonal | Thermo Fisher Scientific | 40-2200 | |
Chemicals, peptides, and recombinant proteins | |||
100% Methanol | VWR | 101443-718 | Can be substituted with similar products |
16% Paraformaldehyde | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Can be substituted with similar products |
Accutase | Thermo Fisher Scientific | A1110501 | |
Acetic acid | Sigma-Aldrich | 695092 | |
B27 supplement | Thermo Fischer Scientific | 17504044 | |
bFGF | R&D Systems | 233-FB-025 | |
Collagen IV from human placenta | Sigma-Aldrich | C5533 | |
Collagen, Type I solution from rat tail | Sigma-Aldrich | C3867-1VL | Can be substituted with similar products |
DMEM/Ham’s F12 | Thermo Fisher Scientific | 11320033 | |
EGM-2 Endothelial Cell Growth Medium-2 BulletKit | Lonza | CC-3162 | |
Essential 6 medium | Thermo Fisher Scientific | A1516401 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Peak Serum | PS-FB1 | |
Fibronectin from bovine plasma | Sigma-Aldrich | F1141 | |
Fibronectin human protein, plasma | ThermoFisher Scientific | 33016015 | Can be substituted with similar products |
hESFM | Thermo Fisher Scientific | 11111044 | |
Lucifer Yellow CH dilithium salt | Sigma-Aldrich | 861502 | |
Normal goat serum | Thermo Fisher Scientific | 500627 | Can be substituted with similar products |
PBS without calcium, magnesium | Cytiva | SH30256.01 | Can be substituted with similar products |
Pericyte Medium | ScienCell | 1201 | Use complete kit (includes supplements) |
Poly-L-Lysine, 10 mg/mL | ScienCell | 0413 | |
Triton X-100 | JT Baker | X198-05 | Can be substituted with similar products |
UltraPure DNase/RNase-Free Distilled Water | Invitrogen™ | 10977015 | Can be substituted with similar products |
Experimental models: Cell lines | |||
Blood-brain barrier hCMEC/D3 cell line | Sigma-Aldrich | SCC066 | |
Human brain vascular pericytes | ScienCell | 1200 | |
iPS(IMR90)-4 human induced pluripotent stem cells | WiCell | RRID:CVCL_C437 | |
Glassware and Plasticware | |||
150 mm TC-treated Cell Culture Dish with 20 mm Grid | Falcon | 353025 | |
Clamps | VWR | MFLX06832-10 | |
Corning tissue culture plates (6-well) | Corning | 3506 | |
Flat 96-well non-binding microplates | Greiner Bio-One | 655900 | |
Microscope Slide Device Holder | SiMPore | USIM-SB | Dimensions compatible with micropscope slide holders |
Nunc 15 mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes | Thermo Fischer Scientific | 339651 | |
Nunc 50 mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes | Thermo Fischer Scientific | 339653 | Tube caps can be filled with water for cell culture |
P20-200 pipette tips | VWR | 76322-516 | Alternate brands may not seal as effectively into ports |
Transwell filters (12 well, 12 mm, 0.4 μm pore size, PC) | CoStar | 3401 | |
Instruments | |||
10X Objective (For Andor) | Nikon Instruments Inc. | MRD00105 | Air; WD: 4 mm; NA 0.45 |
10X Objective (For Nikon) | Nikon Instruments Inc. | MRP40102 | Air; WD: 6.2 mm; NA 0.25 |
40X Objective (LWD) (For Andor) | Nikon Instruments Inc. | MRD77410 | Water immersion; WD: 590-610 mm; NA 1.15 |
Andor Spinning Disc Confocal microscope | Oxford Instruments, Andor | ||
Nikon Eclipse Ts2 Phase Contrast Microscope | Nikon Instruments Inc. | Can be substituted with similar products | |
TECAN Infinite M200 | TECAN | Can be substituted with similar products | |
Other | |||
Advanced PAP Pen | Millipore Sigma | Z672548 | 2 mm tip is recommended |
Assembly kit with fixtures | SiMPore | USIM-JIGSET | Including fixure A1, A2, B1, and B2 |
Camera Adapter for Microscopes | AmScope | CA-CAN-SLR Canon SLR / D-SLR | Φ23.2 – Φ30 adapter fits Nikon Eclipse Ts2 |
Canon EOS Rebel SL3 DSLR Camera | Canon | EOS 250D, BH #CAEDRSL3B, MFR #3453C001 | Can be substituted with similar products |
Cell strainer, 40 µm | Millipore Sigma (Corning) | CLS431750 | |
Component 1 | SiMPore | USIM-C1 | |
Component 2 | SiMPore | USIM-C2 | |
Membrane chips | SiMPore | NPSN100-1L | Other chips formats are available |
SMD handling tweezer double angle | Techni-Tool | 758TW003 | "Chip Tweezers" |
Stainless steel precision type GG tweezer | Techni-Tool | 758TW534 | "Straight Tweezers" |
Software | |||
Fiji | ImageJ | For image processing | |
Fusion | Oxford Instruments, Andor | Instructions for version 2.3.0.44 | |
i-control | TECAN | Instructions for version 2.0 | |
Imaris | Oxford Instruments | For image processing. Instructions for version 9.9.0 |