살아있는 조직의 실시간 분석은 중요한 기능 및 기계론적 데이터를 제공합니다. 이 백서에서는 광범위한 조직 및 세포 모델을 유지 관리하고 평가하는 새롭고 펌프가 필요 없는 다중 채널 유체 시스템을 통해 정확하고 재현 가능한 데이터 생성을 보장하기 위한 프로토콜과 중요한 변수에 대해 설명합니다.
조직 기능 및 세포 생물학을 조사하는 데 사용되는 많은 시험관 내 모델에는 기능 및 생존력 유지에 필요한 적절한 산소 공급과 최적의 세포 조건을 제공하기 위해 배지 흐름이 필요합니다. 이를 위해 당사는 배양 중인 조직과 세포를 유지하고 인라인 센서 및/또는 유출 분획 수집을 통해 기능과 생존력을 지속적으로 평가하기 위한 다중 채널 유동 배양 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 산소 소비율에 대한 8채널 연속 광학 감지와 내장된 분획 분취기를 결합하여 대사 산물의 생산 속도와 호르몬 분비를 동시에 측정합니다. 섬, 근육 및 시상하부를 포함한 광범위한 조직 및 세포 모델을 유지하고 평가할 수 있지만, 여기서는 분리된 마우스 망막, 마우스 망막 색소 상피(RPE)-맥락막-공막 및 배양된 인간 RPE 세포의 생체 에너지 조절을 조사하는 데 사용한 작동 원리와 실험 준비/프로토콜을 설명합니다. 펌프가 없는 유체 흐름과 같은 시스템 설계의 혁신은 다중 채널 흐름 시스템의 작동을 크게 단순화했습니다. 실험을 위해 기기를 조립하고, 준비하고, 다양한 조직/세포 모델을 융합 주위 챔버에 로드하는 방법을 보여주는 비디오와 이미지가 표시됩니다. 또한 일관되고 안정적인 배양 조건을 얻기 위한 올바른 유속 대 조직 비율 설정과 소비 및 생산 속도의 정확한 결정을 포함하여 프로토콜 및 조직 특이적 실험을 위한 조건 선택 지침을 설명하고 논의합니다. 최적의 조직 유지 관리와 여러 매개변수의 실시간 평가의 조합은 눈의 생리학 연구 및 시력 장애 치료를 위한 약물 발견에 큰 도움이 될 매우 유익한 데이터 세트를 생성합니다.
주위 융합 시스템은 생명 과학 분야에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 특히, 섬에 의한 분비 기능 연구를 위해 분비물에 대한 반응으로 인슐린 분비의 동역학을 규명하는 데 사용되어 왔다1. 호르몬 및 대사 산물의 후속 분석을 위해 유출 분획을 수집하는 것 외에도 주로 산소 소비량감지를 위해 실시간 센서가 통합되었습니다 2,3,4. 눈의 질환을 매개하는 기전을 더 잘 이해하기 위한 광범위한 노력은 망막, 망막 색소 상피(RPE)-맥락막-공막 및 배양된 RPE 세포를 포함한 눈의 다양한 분리된 구성 요소의 대사 조절 및 조절 장애를 평가하기 위한 생리학적으로 관련된 방법의 부족으로 인해 제한되었습니다. 배양된 세포를 위해 설계된 정적 시스템은 조직5에 맞게 조정되었지만, 조직에는 적절한 산소 공급을 위한 흐름이 필요합니다. 유량 시스템은 망막 및 RPE-맥락막-공막에 의한 산소 소비율(OCR)의 실시간 반응을 정확하고 재현성 있게 측정하는 데 성공했으며, 조직은 8시간 이상 대사적으로 안정적으로 유지되어 여러 테스트 화합물을 포함하는 매우 유익한 프로토콜을 가능하게 합니다 4,6,7,8,9 . 그럼에도 불구하고 유체 시스템의 작동에는 역사적으로 맞춤형 장치와 표준화되지 않은 방법론에 대한 훈련된 기술 직원이 필요했습니다. 이러한 시스템은 대부분의 실험실에서 표준 방법론으로 채택되지 않았습니다. BaroFuse는 새로 개발된 유체 시스템으로, 펌프가 아닌 가스 압력에 의존하여 여러 채널과 조직 챔버를 통해 흐름을 유도합니다(그림 1). 각 채널은 OCR을 위해 지속적으로 모니터링되며, 후속 내용물 분석을 위해 플레이트 기반 분획 분취기로 유출을 수집합니다. 중요한 것은 기기의 조직 주위 챔버가 다양한 형상과 크기의 조직을 수용할 수 있도록 설계되었다는 것입니다.
이 기기의 핵심은 유체 시스템으로, 밀폐된 가압 저장소에서 작은 내경(ID) 튜브(유체 회로에서 가장 큰 흐름 저항을 제공함)를 통해 조직을 수용하는 유리 조직 챔버로 흐름이 구동됩니다. 매체 저장소 모듈(MRM)에 대한 압력은 가스 혼합물(일반적으로 21% O2, 5% CO2, 균형N2)을 포함하는 가스 실린더에 연결된 저압 및 고압 조절기에 의해 공급되며, 저장소는 조직 챔버 어셈블리(TCA)를 고정하는 주입 주변 챔버 모듈(PCM)에 의해 상단에서 밀봉됩니다. 유량은 저항 튜브의 길이와 ID 및 저압 조절기의 압력 설정에 의해 제어됩니다. 조직 챔버 상단에 연결된 유출 튜브는 유체를 폐기물 용기(유속의 자동 측정을 위해 지속적으로 계량됨) 또는 분획 분취기에 의해 제어되는 96웰 플레이트의 웰로 전달합니다. O2 검출 시스템은 조직 하류의 각 유리 조직 챔버 내부에 도색된O2 감응성 염료의 수명을 측정합니다. 그런 다음 이 정보를 사용하여 OCR을 지속적으로 계산합니다. 전체 유체 시스템은 온도 제어 인클로저에 상주하며 가스 탱크, 분획 분취기 및 컴퓨터는 기기의 주요 구성 요소입니다(그림 2A). 마지막으로, 기기를 실행하는 소프트웨어는 작동(주입된 테스트 화합물의 준비 및 타이밍, 유량 측정 시스템 및 분획 분취기 타이밍 포함)을 제어하고 OCR 데이터 및 기타 추가 측정을 처리 및 그래프로 표시하는 역할을 합니다.
이 논문에서는 유체 시스템을 사용하여 눈의 다양한 분리 구성 요소에 대한 OCR 및 젖산 생산 속도(LPR)를 주변 및 평가하기 위한 프로토콜을 설명합니다. LPR은 OCR을 매우 보완하는 해당과정(glycolytic rate)을 반영하는 파라미터이며, 여기서 쌍은 세포(10) 내의 탄수화물로부터의 에너지 생성의 두 가지 주요 지점을 설명한다. 조직을 준비하고 조직 챔버에 로드하는 것은 절차를 통해 가장 잘 배울 수 있으므로 비디오는 텍스트만으로는 쉽게 전달할 수 없는 설정 및 작동 중에 수행되는 몇 가지 중요한 단계를 설명하는 데 도움이 됩니다.
프로토콜에 대한 설명은 실험의 여러 단계에 해당하는 8개의 섹션으로 나뉩니다(그림 2B): 1. 실험 전 준비; 2. perifusate의 준비/평형; 3. 기기 설정; 4. 조직 평형; 5. 실험적 프로토콜; 6. 계기 고장; 7. 데이터 처리; 및 8. 유출 분획 분석.
세포 기능과 눈의 다양한 구성 요소 유지의 모든 측면에서 생체 에너지학의 중요성으로 인해 생체 에너지의 조절을 연구하는 방법이 매우 필요합니다. 특히, 신경 망막과 RPE는 에너지 생성뿐만 아니라 세포 내 및 세포 간 신호 전달을 위한 대사에 의존합니다14,15,16,17. 산화 능력이 높기 때문에, 눈의 고립된 조직은 정적인 조건 하에서 잘 유지되지 않으며,18,19 따라서 눈의 고립된 구성 요소에 대한 연구는 대사 과정을 유지하고 평가할 수 있는 흐름 시스템을 필요로 한다. 유체 시스템은 다양한 조직 유형에서 OCR 및 LPR 데이터를 생성하기 위해 개발되었으며, 이 백서에서는 최적의 결과를 생성하는 것으로 밝혀진 자세한 프로토콜을 제시했습니다.
유동 시스템을 사용하여 강력한 데이터를 생성하기 위한 주요 결정 요인에는 39°C에서 CO2 기반 매체/완충액의 사전 평형이 포함됩니다(실험 중에 가스를 제거할 수 있는 용존 가스로 페리푸세이트가 과포화되지 않도록 하기 위해). 특히, 4°C에서 보관된 배지 또는 KRB 완충액은 37°C에 비해 과포화되어 사전 평형 시간이 충분하지 않은 경우 실험 중에 가스가 제거됩니다. 또한, 조직 챔버에 로드된 조직은 조직의 찢어짐 또는 불완전한 분리로 인한 조직의 부적절한 분리로 인해 외상을 입지 않아야 하며, 소량의 중탄산염 기반 완충액에 있는 조직을 대기 공기에 너무 오래 노출시켜서는 안 됩니다. O2 검출의 온도 제어, 유량 안정성 및 신뢰성은 변동성이 거의 없으며 이러한 요인은 고장률에 크게 기여하지 않습니다.
이 기기에는 동시에 작동하는 8개의 유동 채널/조직 챔버가 있으며, 각 저장소마다 4개의 조직 챔버가 있는 2개의 저장소에서 페리푸세이트가 공급됩니다. OCR의 가장 정확한 시간 경과를 얻기 위해 운동 곡선은 조직이 로드되지 않은 챔버에 의해 기준선을 보정합니다. 따라서 일반적인 실험 프로토콜에는 3개의 조직 챔버로 구성된 두 그룹이 포함됩니다. 프로토콜은 일반적으로 두 가지 범주로 나뉩니다: 하나는 양쪽에 있는 서로 다른 테스트 화합물 프로토콜입니다(예: MRM의 한쪽에는 약물/차량, 다른 쪽에는 차량만 있음). 두 번째는 MRM의 양쪽에서 동일한 테스트 화합물 주입 프로토콜이지만 MRM의 양쪽에서 다른 조직 또는 조직 모델입니다. 이 논문에서는 올리고마이신과 FCCP가 망막에 미치는 영향을 시험 화합물에 노출되지 않은 조직별로 OCR과 비교하고, 조직 특이적 거동을 확인하기 위해 동일한 프로토콜과 조건에서 두 조직을 동시에 평가했습니다. 후자는 이 연구에서 동일한 실험에서 망막에 비해 RPE-맥락막-공막에 의한 대사율의 동적 범위가 증가했음을 보여줌으로써 설명되었습니다. 다른 보고서에서는 OCR 및 LPR에 대한 다양한O2 수준의 영향과 연료, 약물 및 독소의 농도 의존성을 측정하는 것을 포함하여 더 넓은 범위의 연구 설계를 설명했습니다20,21. 또한, 유출 분율의 분석은 젖산의 측정과 LPR의 계산에 한정되어 왔지만, 유출 분율 내의 여러 화합물 및 부류의 화합물을 분석하면 세포를 빠져나갈 수 있는 호르몬, 신경전달물질, 세포 신호, 대사 산물등을 분석하면 실험의 정보 내용이 크게 증가하고, 23.
분리된 망막 또는 RPE-맥락막-공막의 하중은 간단하며, 일단 분리되면 이러한 조직은 집게를 사용하여 조직 챔버의 상단에 배치되고 프릿으로 가라앉을 수 있습니다. 필터 삽입물에서 배양된 RPE 세포는 배양 후 4-8주 후에 적절한 분극 및 RPE 성숙 마커를 개발합니다. RPE 성숙도 및 분극이 유지되어야 하는 경우, 트랜스웰 멤브레인에 부착된 살아있는 세포 분석을 위해 RPE를 제거하는 것은 실현 가능하지 않다24. 주위 챔버는 완충액에 잠긴 상태에서 메스로 절단되고 조직 챔버에 빠르게 삽입되는 트랜스웰 멤브레인 스트립을 수용할 수 있습니다. 절단 필터 스트립이 정적 시스템(24)에 배치되었지만, 이러한 중요한 셀 유형을 평가하기 위한 다른 유체 방법은 이용가능하지 않다. RPE 세포의 반응은 망막 또는 RPE-맥락막-공막보다 빠르고 역동적이었는데, 이는 부분적으로 막 삽입부에서 단층으로 구성된 RPE 세포의 정점 및 기저 측면에 즉시 접근했기 때문일 수 있습니다.
데이터가 가장 높은 신호 대 잡음비를 갖도록 하는 또 다른 요소는 유속을 기준으로 융합 주위 챔버에 로드된 조직의 최적 비율을 선택하는 것입니다. 유속에 비해 조직이 너무 적으면 유입과 유출 사이의 용존O2 농도 차이가 매우 작아 안정적으로 측정하기 어렵습니다. 대조적으로, 흐름이 너무 느리면 O2 의 농도가 너무 낮아져 조직이 저산소증의 영향을받습니다. 그럼에도 불구하고 가스 압력 구동 액체 흐름은 정확한 OCR 및 LPR 측정을 위해 소량의 조직만 필요하므로 최저 5mL/분의 유속으로 유지할 수 있습니다. 여기에 표시된 실험에서는 약 20mL/분/채널이 사용되었으며, 이는 하나의 망막, 두 개의 RPE-맥락막-스클레라 또는 360,000개의 RPE 세포에 적합했습니다. 주입된 테스트 화합물에 대한 조직의 노출을 지연시키고 분산시키는 시스템 효과를 최소화하기 위해 여러 크기의 조직 챔버가 제공되어 조직의 양(및 유속)이 챔버의 적절한 크기와 일치합니다.
이 논문에 표시된 분석의 데이터는 속도에 대한 절대 크기 또는 정상 상태 또는 기준선에 대한 부분 변화의 두 가지 방식으로 표현되었습니다. 초점은 테스트 화합물에 대한 반응 측정의 그림이었습니다. 그러나 유체 시스템은 유전자 변형과 같은 주융 분석 전에 조직 처리의 효과를 평가하고 비교하는 데 매우 적합합니다. 치료가 대조군과 다른지 여부를 테스트하는 것은 테스트 화합물의 정규화된 반응에 대한 처리의 효과를 분석하는 경우 가장 강력합니다. 분석에 절대 크기가 필요한 경우, 전처리된 표본 분석의 통계적 검증력은 평가 및 대조가 동일한 융합 주위 실험에서 수행될 경우 극대화됩니다.
교반기를 제외하고 액체와 접촉하는 모든 부품은 제조업체에서 소모품으로 공급하며 멸균 처리되었습니다. 이러한 부품은 불완전한 세척과 오염된 표면으로 인해 실험이 손실되는 경우가 있으므로 재사용해서는 안 됩니다. 설정 초기의 시스템은 멸균 상태입니다. 그러나 배지가 MRM에 추가되고 조직은 비멸균 조건에서 챔버에 로드됩니다. 멸균 부품으로 조립되었지만 실험 자체가 비멸균 조건에서 수행되는 시스템에서 OCR을 측정했습니다. 박테리아가 측정 가능한 OCR(미공개 결과)을 가질 때까지 축적되는 데 약 14시간이 걸립니다. 10시간 미만의 프로토콜을 사용하는 경우 박테리아 축적 및 이로 인한 영향은 무시할 수 있습니다.
많은 연구자들은 상대적으로 높은 처리량을 가진 세포 단층의 정적 배양 하에서 OCR을 측정하도록 설계된 기기를 사용합니다25,26. 대조적으로, 이 논문에서 테스트하고 설명한 유체 기기는 조직 표본에 존재하는 더 큰 확산 거리에 중요한 적절한O2 전달을 보장하여 조직을 유지합니다. 또한 분수를 수집할 수 있어 OCR과 병행하여 여러 매개변수를 평가할 수 있어 매개변수 간의 관계를 연구하는 능력이 크게 향상됩니다. 마지막으로, 용존 가스 농도 (예 : O 2 및 CO 2 )를 제어하여 중탄산염 기반 매체 및 완충액을 사용한 실험 시간을 늘려 사용자가 O2 의 효과를 연구 할 수 있도록합니다. 두 방법론 모두에 대한 한계는 다른 주융 시스템이 4,27,28을 가지고 있는 기능인 테스트 화합물의 세척을 연구할 수 없다는 것입니다. 최적의 분석 방식을 결정할 때 고려해야 할 또 다른 사항은 유체 시스템이 정적 시스템보다 더 많은 매체와 테스트 화합물을 사용한다는 사실입니다. 추가 비용은 현재 유체 시스템을 사용하면 시스템을 사용할 수 있는 낮은 유속으로 인해 최소화됩니다.
전반적으로, 새로운 흐름/평가 기기로 실험을 수행하기 위한 프로토콜에 대한 자세한 설명이 설명되어 있습니다. 망막과 RPE-맥락막-공막으로 생성된 데이터는 사용하기가 훨씬 더 어려운(그리고 쉽게 구할 수 없는) 시스템으로 얻은 이전 결과를 요약했습니다. 또한 이 시스템은 트랜스웰 멤브레인에 부착된 RPE 세포를 유지하고 평가할 수 있으며, 이는 세포의 취약성으로 인해 이전에 유동 시스템으로 분석되지 않은 매우 중요한 세포 모델입니다. 프로토콜의 주요 부분은 75분의 설정 시간, 90분의 평형 기간 및 실험 프로토콜로 구성되어 유체 시스템 작동을 전문으로 하지 않는 실험실에서 일상적으로 사용하기에 적합합니다. 우리는 테스트 화합물에 대한 조직의 급성 반응을 측정하는 데 중점을 두었지만 이 시스템은 유전적으로 변형되었거나 테스트 처리/조건을 거친 동물 모델 또는 세포 모델과 같은 다양한 출처의 조직을 비교하는 데 매우 적합합니다. 또한 유출 분획에 대해 수행할 수 있는 분석의 범위는 광범위하며 대사 산물, 세포 신호 분자 및 분비된 호르몬/신경 전달 물질뿐만 아니라 분획 및 조직에 대한 질량 분석법에 의해 생성된 다성분 분석을 포함합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health, R01 GM148741 I.R.S.), U01 EY034591, R01 EY034364, 브라이트포커스 재단(BrightFocus Foundation), 실명 예방 연구(Research to Prevent Blindness, J.R.C.) 및 R01 EY006641, R01 EY017863 및 R21 EY032597(J.B.H.)의 보조금으로 지원되었습니다.
BIOLOGICAL SAMPLES | |||
C57BL/6J mice | Envigo Harlan (Indianapolis, IN) | N/A | |
REAGENTS | |||
FCCP | Sigma-Aldrich | C2920L9795 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G8270G | |
KCN | Sigma-Aldrich | 60178 | |
Lactate | MilliporeSigma | L6661 | |
Oliigomycin A | Sigma-Aldrich | 75351L9795 | |
CELL CULTURE AND TISSUE HARVESTING | |||
Beuthanasia-D | Schering-Plough Animal Health Corp., Union, NJ | N/A | |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A3059 | |
Euthasol, 390 mg/ml sodium pentobarbital | Virbac | RXEUTHASOL | |
Fetal bovine serum | Sigma-Aldrich | 12303C | |
Hank’s Buffered Salt Solution | GIBCO | 14065056 | |
Krebs Ringer Bicarbonate (KRB) | Thermo Fisher Scientific | J67795L9795 | |
Matrigel | ThermoFisher | #CB-40230 | |
Penicillin-streptomycin | ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
ROCKi | Selleck Chemicals | Y-27632 | |
Trypsin-EDTA | ThermoFisher | #25-200-072 | |
SUPPLIES | |||
Gas Cylinders: 21% O2/5% CO2/balance N2 | Praxair Distribution, Inc | N/A | |
Transwell filters | MilliporeSigma | 3470 | |
COMMERCIAL ASSAYS | |||
Amplex Red Glucose/Glucose Oxidase Assay Kit | ThermoFisher | A22189 | |
Glucose Oxidase from Aerococcus viridans | Invitrogen (Carlsbad, CA) | A22189L9795 | |
Lactate Oxidase | Sigma-Aldrich | L9795 | |
EQUIPMENT | |||
BaroFuse Multi-Channel Perifusion system | EnTox Sciences, Inc (Mercer Island, WA | Model 001-08 | |
Synergy 4 Fluorometer | BioTek (Winooski, VT) | S4MLFPTA |