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Method Article
이 프로토콜은 X-ray를 사용한 고해상도 이미징을 위한 체외 소 관절 연골의 준비를 설명합니다. 이 외래식물은 적극적으로 출생 후 성숙을 거칩니다. 여기에서는 생검에서 3D X선 위상차 이미징의 데이터 분석, 외식 배양, 조직 고정 및 싱크로트론 준비를 거치는 데 필요한 단계를 설명합니다.
관절 연골의 출생 후 성숙을 뒷받침하는 메커니즘을 이해하는 것은 차세대 조직 공학 전략을 설계하고 병들거나 손상된 연골을 잠재적으로 복구하는 데 매우 중요합니다. 일반적으로 관절 연골의 출생 후 성숙은 유기체의 성장을 수용하기 위해 콜라겐 구조와 조직의 기능을 대대적으로 변화시키는 것으로, 수개월에서 수년에 이르는 기간에 걸쳐 발생합니다. 반대로, 장기간에 걸쳐 발생하는 연골의 구조적 조직의 용해는 조직 퇴행의 특징입니다. 이러한 생물학적 과정을 자세히 연구할 수 있는 우리의 능력은 성장 요인이 미성숙한 관절 연골의 조숙한 체 외 성숙을 유도할 수 있다는 발견으로 인해 향상되었습니다. 관절에서 발생하는 발달 및 질병 관련 변화는 뼈와 연골과 관련이 있으며, 이러한 조직을 공동 이미지화할 수 있는 능력은 이들의 얽힌 역할에 대한 이해를 크게 높일 것입니다.
연조직, 연골 및 뼈 변화를 동시에 시각화하는 것은 오늘날 관절 질환 추적 조사에 사용되는 기존의 전임상 이미징 방식으로는 극복해야 할 과제입니다. 3차원 X선 위상차 이미징 방법(PCI)은 저밀도 물체 이미징을 위한 높은 성능과 기존 X-ray 이미징에 비해 추가 정보를 제공할 수 있는 능력으로 인해 20년 동안 지속적으로 개발되어 왔습니다.
이 프로토콜에서는 연골의 생검, 체외 에서 성숙한 연골 생성, X선 위상차 이미징을 사용하여 수집된 이미지의 데이터 분석에 이르기까지 실험에 사용된 절차를 자세히 설명합니다.
미성숙한 관절 연골은 성인의 관절 특이적 기능을 얻기 위해 형태학적, 구조적, 생체 분자적 변화1를 시작하는 데 적절한 지지체이다. 주요 변화는 콜라겐 원섬유가 미성숙 연골의 표면에 대해 평행 방향을 나타내는 것에서 성숙한 연골에서 조직 깊숙한 원섬유가 수직인 원섬유로 재조직하는 것입니다. 성인 연골의 유사 성층화는 콜라겐 피브릴 방향에 따라 상주 연골 세포의 재편성을 통해 분명하며, 표면의 세포는 원반처럼 표면과 평행하고 더 깊은 영역에서는 세포가 점진적으로 커지고 기둥으로 조직됩니다. 출생 후 성숙은 수개월에 걸쳐 이루어지는 것으로 알려져 있으며 기본적으로 사춘기가 끝날 때 완료되며, 긴 시간 척도로 인해 이 중요한 발달 전환을 연구하는 것이 기껏해야 어렵거나 기술적으로 자세히 연구하는 것이 불가능하다고 생각되었습니다2. 섬유아세포 성장인자-2와 형질전환 성장인자-β1이 함께 관절연골 성숙을 복제하는 중요한 생리적, 형태학적 변화를 유도할 수 있다는 발견을 통해 이 문제에 대한 해결책이 일부 진전되었습니다 2,3(그림 1). 성장 인자에 의한 체외 성숙은 3주 이내에 이루어지며 생체 역학적 입력이 필요하지 않습니다. 배양 후, 콜라겐 유형 II 발현은 현저히 감소하고 성숙한 2가 콜라겐 가교의 비율은 성숙한 연골에서 볼 수 있듯이 증가합니다. 또한, 세포외 기질과 콜라겐 원섬유의 조직은 성숙한 연골에서 볼 수 있는 것과 더 비슷하지만, 이러한 전이의 측면은 완전하지 않습니다. 생화학적으로, 성장 인자로 처리된 연골의 구성은 성인 관절 연골을 모방하고 있습니다3.
이 기사에 사용된 모델은 다음을 기반으로 합니다. in vitro 미성숙한 수컷(7일령) 소 수송아지의 중수골 관절 내측 과두의 측면 측면에서 무균 상태에서 절제된 직경 4mm 또는 6mm 외식의 배양. 석회화된 연골과 연골하골의 얇은 층이 각 외식의 기저 측면에 유지되었습니다. 관절 연골은 인슐린-트랜스페린-셀레늄(ITS), 10mM HEPES 완충액 pH 7.4, 아스코르브산 및 50μg/mL 겐타마이신이 첨가된 고전적인 무혈청 배지인 Dulbecco의 변형된 Eagles 배지(고포도당 4.5g/L)에서 배양되었습니다. 이 배양 배지에는 100ng/mL 섬유아세포 성장 인자 2(FGF-2) 및 10ng/mL 형질전환 성장 인자 β1(TGF-β1)이 보충되며, 배지 교체로 3일마다 보충됩니다.2. 고도로 가속화된 연골 성숙은 성장 인자를 결합함으로써 유도됩니다. 이러한 변경은 21일 이내에 발생합니다. 성장 인자 자극은 추가적으로 기저 측면의 세포사멸 및 흡수와 표면 연골 세포의 세포 증식을 유도합니다3. 배양 배지 조성물은 에 기재되어 있습니다. 표 1. Khan et al. 2011이 개발한 모델을 따릅니다.2, 관절 연골 외식은 10ng/μL 농도의 TGF-β1 및 100ng/μL 농도의 FGF2로 배양합니다(인산염 완충 식염수/0.1% BSA에 용해된 스톡 농도 10μg/mL 및 100μg/mL). 배지 1mL당 각 성장 인자 1μL가 사용됩니다. L- 글루타민 및 고 포도당을 함유 한 DMEM-F12는 인슐린, 트랜스페린 및 셀레늄 (ITS), 아스코르브 산, 겐타마이신 및 HEPES가 보충되면 다양한 세포주 및 외식 배양에 특이적인 모든 생리적 성장 요구 사항을 갖춘 완전한 배지 보충을 제공하는 인공 배지입니다. DMEM-F12는 여러 가지 다양한 무기염(즉, NaCl, KCl, CaCl2, 마그네슘Cl2, 나H2포4), 포도당, 아미노산(질소원), 비타민, 보조 인자 및 물. 이러한 염은 배양에서 세포의 생존과 정상적인 성장을 유지하기 위해 적절한 에너지 입력을 제공합니다. 미네랄 이온은 자연적인 생리적 환경에 가깝게 삼투압을 유지하는 데 기여합니다. 포도당의 농도가 높은(4.5 g/L) 연골 세포는 주로 해당과정을 통해 호흡하기 때문에 사용됩니다. F12 배지 보충제는 황산염, CuSO의 다양한 공급원을 제공하기 때문에 사용됩니다.4, 페소4, ZnSO4 및 MgSO4 황산화 글리코사미노글리칸 합성에 필요합니다. 착색된 지시자 (여기서는 석탄산 빨강)와 CO에 의해 검사되는 것과 같이2/HCO-3 인산염과 결합된 완충액은 pH가 7.4에 가까운 값으로 일정하게 유지됩니다. 연골 세포가 사용하는 주요 호흡 경로는 해당과정이며, 여기서 젖산은 pH 증가를 유발하는 최종 산물이므로 국부적으로 생성 된 젖산을 제거하는 데 도움이되는 생체 역학적 힘이 없을 때 HEPES는 생리적 과정을 위해 완충 된 환경을 유지하는 역할을합니다. 겐타마이신은 아미노글리코시드 항생제로서 성장 억제를 통해 외부 세균 오염을 억제합니다. 아스코르브산은 항산화 작용을 위한 배지 보체로 사용됩니다4. 아스코르브산(Ascorbic acid)은 효소인 프롤릴 하이드록실라제(prolyl hydroxylase)의 보조 인자로, 콜라겐의 프롤린 잔기를 하이드록실화하여 3중 나선 구조를 안정화하는 기능을 합니다. 트랜스페린은 일반적으로 세포 외 항산화제(독성 및 ROS 감소)로 작용합니다.5,6. 또한 세포 배양에서 세포 외 철 저장 및 수송을 제공하고 촉진하는 능력 때문에 배양 배지에 추가됩니다. 트랜스페린은 생리학적 조건에서 철을 매우 단단히 결합하기 때문에 활성 산소의 생성을 촉진하는 유리 철은 사실상 존재하지 않습니다7. 결합된 수용체에서 나오는 인슐린 호르몬 신호는 포도당, 아미노산과 같은 여러 요소의 흡수를 증가시킵니다. 또한 세포 내 수송, 지방 형성, 단백질 및 핵산 합성과 같은 여러 과정에 관여합니다. 인슐린은 성장을 촉진하는 효과가 있습니다. 셀레늄은 복합 용액 "인슐린-트랜스페린-셀레늄"에 아셀렌산나트륨으로 추가로 존재합니다. 주로 배양에서 보조 항산화제로서 글루타티온 과산화효소(GPX)와 같은 (셀레노-) 단백질의 보조인자로 사용됩니다. 안으로 in vitro 관절 연골 세포(articular chondrocytes, ITS)는 세포 역분화(cellular dedifferentiation) 및 비대성 분화(hypertrophic differentiation)와 관련된 유전자 발현을 억제함으로써 세포 증식 및 표현형 보존을 향상시키는 것으로 보입니다8. 섬유아세포 성장인자-2 및 형질전환성장인자-β1과 같은 성장인자를 배양액에 첨가합니다. 그들은 세포 분화, 성장, 치유 및 발달을 유도하고 조절하는 데 사용됩니다2,3. FGF-2와 TGF-β1을 함께 사용하면 배양된 세포와 조직에서 세포 증식을 강력하게 촉진할 수 있습니다9.
이 관절 연골의 체외 성숙 모델은 세 가지 주요 이유로 유용합니다. 첫째, 이 모델에서 가속화된 발달 상전이를 통해 성숙10 중 lysl oxidase-L1의 발현 증가와 같은 생체 내 모델에서 수개월에 걸쳐 발생하는 감지할 수 없는 변화를 연구할 수 있습니다. 둘째, 관절 연골의 조직 공학은 국소 결손을 복구하기 위해 관절에 이식할 때 기능적으로 결핍된 등방성 형태와 구조를 가진 연골이 생성된다는 사실로 어려움을 겪고 있습니다. 성숙한 변화를 유도하는 방법을 이해하면 완전한 기능을 갖춘 이식형 장치의 개발을 가속화할 수 있습니다. 셋째, 본 연구와 관련하여, 어린 시절에 발생하는 카신-벡병(Kashin-Beck disease)과 같은 퇴행성 관절 질환이 성인기에 심각한 관절 기형을 유발한다는 것입니다. 이 특정 질병은 셀레늄과 요오드의 풍토병 결핍이 수천만 명의 주민에게 영향을 미칠 수 있는 지역(중국)과 밀접한 관련이 있습니다 11,12,13. Kashin-Beck 병의 골격 결함을 조사한 결과, 이 병은 사춘기 전후에 발생하며, 이는 골격 성숙 과정의 교란을 암시합니다. 따라서 관절 연골(AC)에서 셀레늄의 역할을 더 깊이 이해하려면 연골 성장 및 발달에 대한 강력한 모델이 필요합니다. 체외 성장 인자 유도 성숙 모델은 셀레늄 이온의 존재 또는 부재 상태에서 성숙 중 관절 연골의 성장 및 대사에 대한 연구에 유용한 출발점을 제공합니다 14,15,16. 셀레늄(Se) 결핍이 복잡하고 상호 관련된 생물학적 과정에 미치는 영향에 대한 우리의 지식은 매우 부족합니다. 주요 문제는 셀레늄이 제한적인 작용 범위(40 및 400 μg/kg17 사이의 필수 농도)와 매우 낮은 농도로 인해 연구 원소로 남아 있다는 사실에 있습니다. 미성숙한 소 연골을 사용하는 가속 성숙 모델은 중요한 발달 단계에서 발생하는 생물학적 변화를 볼 수 있는 전례 없는 능력을 제공합니다. 유기체의 Se 농도는 엄격하게 제어되며, 이 모델은 성숙 중에 정확한 추적을 가능하게 하는 이미징 기술을 개발하기 위한 시작점입니다. 이러한 기술은 AC 분해를 방지하기 위한 전략을 연구하고 잠재적으로 새로운 재생 의학 기반 치료법의 기초를 개발하는 강력한 도구가 될 수 있습니다.
연조직, 연골 및 뼈 변화를 동시에 시각화하는 것은 기존의 전임상 이미징 방식에서 중요한 과제입니다. 이것은 실제로 관절 질환 추적 조사에 중요한 도움이 될 것입니다18,19 . 예를 들어, 기존의 X선 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(μCT)은 연조직에 대한 성능이 좋지 않아 뼈 결함, 골 식물 및 연골의 간접 시각화에 대한 사용이 제한됩니다. 반면에 MRI(Magnetic Resonance Imaging)는 질병의 초기 단계에서 뼈의 변화(예: 미세 석회화)를 정확하게 렌더링하는 능력이 좋지 않음에도 불구하고 연조직 이미징에 일반적으로 사용됩니다. 뼈와 연골에 민감하고 연골의 구성 세포인 연골 세포를 구별하는 능력은 매우 중요합니다. 위상차 이미징(PCI)은 물질의 X선 굴절률이 가벼운 원소의 흡수 지수보다 천 배 더 클 수 있다는 특성에 의존합니다. 이것은 밑창 흡수를 기반으로 하는 기존 방법과 비교하여 연조직에 대해 더 높은 대비를 생성합니다. 따라서 PCI는 흡수율이 높은 조직(예: 뼈)과 흡수율이 낮은 조직(예: 섬유상 연골, 인대, 힘줄, 반월상 연골 및 관련 연조직(활액막 및 근육))을 동시에 나타내는 관절을 구성하는 모든 조직을 이미지화할 수 있습니다(18,19,20,21).
ref.20에서 입증된 바와 같이, X-ray PCI는 연골에 대한 다른 전임상 이미징 방식보다 성능이 뛰어납니다. 이 프로토콜의 목적은 절차를 자세히 설명하고 몇 가지 대표적인 결과를 표시하는 것입니다. 미성숙 연골 이식에 대한 성장 인자의 영향 계획은 그림 1에 나와 있습니다.
여기에 설명된 모든 방법은 스완지 대학의 윤리 연구 위원회의 승인을 받았으며 생검 재료는 영국 환경식품농림부(DEFRA)의 허가에 따라 획득되었습니다. 이 프로토콜은 우리 기관의 동물 관리 지침을 따릅니다.
1. 외식 배양
2. 이미징 세션을 위한 샘플 준비
3. X-ray Phase Contrast 이미징 세션
간단한 전파 기반 이미징 설정이 그림 3에 스케치된 것처럼25 사용되었다. 싱크로트론 전파 기반 이미징에서는 간섭성 X선 빔이 물체를 비추어 공간적으로 다양한 위상 편이를 발생시킵니다19. X선 빔이 샘플 이후에 전파됨에 따라 왜곡된 파면은 특성 패턴을 생성합니다. 전용 알고리즘(23)으로 이...
우리는 체외 에서 빠르게 성숙하는 관절 연골 연구를 위해 데이터 수집 프로토콜을 포함한 샘플 준비부터 이미지 시각화에 이르기까지 완전한 연구를 발표했습니다. 싱크로트론 이미징 세션의 결과는 모델의 장점을 보여주었습니다.
여기에 제시된 모델에서는 몇 가지 관찰 결과와 한계를 언급해야 합니다. 이 "가속 성숙"은 배양 후 21일 이내?...
없음.
저자는 사내 빔타임을 제공한 ESRF에 감사드립니다. 저자는 과학적 토론에 대해 Eric Ziegler에게 감사를 표하고 싶습니다. 설명된 PCI 실험은 프랑스 그르노블에 있는 ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)의 빔라인 BM05에서 수행되었습니다. CB는 이 연구의 일부에 자금을 지원해 주신 Explora'doc Auvergne Rhone Alpes와 University of Swansea 및 Université Grenoble Alpes의 장학금에 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Material : Biological products | |||
DMEM/F-12 (1:1) (1X) + GlutaMAX Dulbecco's Modified Eagle Medium F-12 Nutriment Mixture (Ham) 500mL | Gibco by life technologies | 31331-028 | |
Gentamicin Reagent Solution, 50 mg/mL | Gibco by life technologies | 15750-060 | |
HEPES, special preparation, 1M, pH 7.5 filtered | Sigma | H-3375 | |
ITS, Insulin-Transferrin-Selenium | Gibco by life technologies | 51500-057 | |
L-Ascorbic Acid-2-Phosphate, sesquimagnesium salf hydrate, 95% | Sigma | A8960-5G | |
Neutral Buffer Formalin (NBF) | Sigma Aldrich | HT501128 | |
phosphate buffered saline (PBS) pH 7.4 | Gibco by life technologies | 10010023 | |
Culture equipments: | |||
Absordent Protector,Benchkote | WhatmanTM | Cat No. 2300731, | Polysterene Backed, 460cm*50m |
Accurpette VWR | |||
Autoclavable Disposal Bag | For disposal of contamined plastic laboratory ware neck should be left open to allow penetration of steam, Hazardous Waste, STERILIN (white bag) | ||
biopsy punches | MILTEX by KAI | ref 33-36 | 4 & 6 mm diameter |
Clinical waste for alternative treatment Medium Duty | (UN-approved weight 5kg, Un-closure methods, UN- SH4/Y5/S/II/GB/4/06 (orange bag) | ||
Eppendorf tubes | 0.5mL and 1.5 mL | ||
Falcon tubes | 15mL and 50 mL | ||
free of detectable RNase, DNase, DNA&Pyrogens 1000ul Bevelled Graduated, filter tip | Starlab, TipOne (sterile) | S1122-1830 | |
free of detectable RNase, DNase, DNA&Pyrogens 20µl Bevelled Graduated, filter tip | Starlab, TipOne (sterile) | S1120-1810 | |
free of detectable RNase, DNase, DNA&Pyrogens 200ul Bevelled Graduated, filter tip | Starlab, TipOne (sterile) | S1110-1810 | |
Incubator | Incubator at 37°C, humidified atmosphere with 5% CO2 | ||
Optical microscope | |||
Pipette-boy | 25mL-, 10mL-, and 5mL sterile plastic-pipettes | ||
Pipettes (25-10-5 ml) | CellStar, Greiner Bio-one | ||
Plastic tweezers | Oxford Instrument | AGT 5230 | |
Scalpel | |||
Tips | P1000, P200 and P10 with P1000, P200 and P10 tips (sterile) | ||
Tissue culture hood | |||
Vacuum pump | |||
Water bath 37°C | |||
well plates | 12 & 24 well plates | ||
Protection equipment: | |||
face shield | |||
gloves | |||
lab coat | |||
safety goggles | |||
Data acquisition equipment: | |||
Fiji software | open source Software | ||
PyHST reconstruction toolkit | open source Software |
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