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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
这里提出了一个详细的方案来描述来自人类鼻上皮细胞的 体外 类器官模型。该协议具有需要标准实验室设备的测量选项,以及用于专用设备和软件的其他可能性。
囊性纤维化(CF)患者的个体化治疗可以通过 体外 疾病模型来实现,以了解基线囊性纤维化跨膜电导调节剂(CFTR)活性和小分子化合物的恢复。我们小组最近专注于建立一种直接来自原代人类鼻上皮细胞(HNE)的良好分化类器官模型。切片类器官的组织学、全装载免疫荧光染色和成像(使用共聚焦显微镜、免疫荧光显微镜和明场)对于表征类器官和确认上皮分化以准备功能测定至关重要。此外,HNE类器官产生与CFTR活性相关的不同大小的管腔,区分CF和非CF类器官。在本手稿中,详细描述了培养HNE类器官的方法,重点是使用成像方式评估分化,包括基线管腔面积的测量(任何具有显微镜的实验室都可以使用的类器官CFTR活性测量方法)以及开发的功能测定的自动化方法(需要更专业的设备)。
技术介绍
基于离体培养的检测是精准医学和疾病病理生理学研究中日益常用的工具。原发性人鼻上皮(HNE)细胞培养物已被用于囊性纤维化1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13的众多研究中,一种影响多个器官上皮细胞功能的常染色体隐性遗传病。HNE 培养提供可再生的气道上皮来源,可前瞻性地获得,并概括电生理和生化特性,以测试囊性纤维化跨膜传导调节剂 (CFTR) 活性。HNE细胞可以以最小的副作用14进行采样,类似于普通的病毒呼吸道拭子。描述源自HNE刷式活检的囊性纤维化研究模型的研究工作最近发表了11,13。虽然与使用原代HNE2,3和肠组织15,16,17,18,19的其他模型相似,但此处描述了该模型的分化和成像的详细表征,以用于CF研究和辅助其他气道疾病的研究13.类器官模型不像永生化细胞系那样是无限的,但可以通过条件重编程(使用辐照和灭活的饲养层成纤维细胞和Rho激酶抑制剂)扩展到更像干细胞的状态20,21,22,23。使用这种方法处理HNE刷活检可产生大量上皮细胞,用于多种应用,具有更高的通量,同时仍保留完全分化的能力。虽然该方案是使用饲养层细胞开发的,但希望避免使用饲养层细胞技术的研究者可以使用其他方法14,24。
该技术对肺生物学的重要性
一项重要的研究致力于了解上皮细胞细胞膜中缺乏规则的,功能正常的CFTR如何导致肺,胰腺,肝脏,肠道或其他组织的功能障碍。功能失调的上皮离子转运,特别是氯化物和碳酸氢盐的上皮离子转运,导致上皮衬里液体积减少和粘液分泌物改变,导致粘液淤滞和梗阻。在其他气道疾病中,例如原发性纤毛运动障碍,睫状体运动改变会损害粘膜纤毛清除并导致粘液淤滞和梗阻25。因此,目前的HNE类器官模型已经针对各种应用而开发,这取决于研究者的实验设计和资源。这包括使用活细胞染色剂的活细胞成像;固定和切片以表征形态;用抗体和全贴片共聚焦成像进行免疫荧光染色,以避免破坏腔内结构;和明场成像和微光学相干断层扫描,用于定量测量纤毛搏动频率和粘膜纤毛转运13.为了便于扩展到其他研究者,市售试剂和用品被用于培养。开发了一种功能测定法,使用常见的显微镜技术和更专业的设备。总体而言,虽然本模型被设计为在基线或响应于治疗时评估CFTR活性,但该方案中描述的技术可以应用于涉及上皮细胞功能的其他疾病,特别是上皮细胞液运输。
与其他方法的比较
最近,通过将患者类器官的体外CFTR调节剂反应与其临床反应相关联,开发了这种类器官模型的实用性11。值得注意的是,本模型还证明了在相同患者中并行的短路电流响应,这是评估CFTR功能的当前金标准。短路电流不同于溶胀测定,因为前者通过离子输运26测量CFTR功能。相比之下,该测定测量流体运输的下游效应,提供有关CFTR27,28,29,30,31,32的整体功能的额外信息。短路电流测量仍然是确定CFTR氯化物通道活性1,33的常用可靠方法。这些电生理测定需要专门的昂贵设备,每个实验重复需要比类器官测定多许多倍的细胞,不容易自动化,并且不适合扩大规模以适应更高的通量应用。另一种衍生自肠上皮细胞的类器官模型具有15、16、17、18的附加优点,例如更优异的复制能力,但既不是从气道组织衍生的,也不是普遍可用的。HNE刷牙是用廉价的细胞学刷获得的,无需镇静,风险最小。刷牙不需要临床医生,可以由训练有素的研究协调员和其他研究人员进行14.HNE类器官模型可以由任何具有原代细胞培养能力的实验室进行培养,并且某些应用可以使用标准显微镜技术进行。总而言之,这些优势为评估气道上皮功能提供了额外的技术,否则某些实验室可能无法获得这些技术。此外,HNE类器官可用于研究影响气道的其他疾病状态,例如原发性睫状体运动障碍25或病毒感染,而肠道类器官则不能。
HNE样本是在阿拉巴马州儿童医院收集的。此处描述的所有程序和方法均已获得伯明翰阿拉巴马大学IRB(UAB IRB #151030001)的批准。为了促进人鼻上皮细胞(HNEs)的扩增和功能的提高,本培养方法改编自公知的气液界面(ALI)培养方法28,34。如前面描述的12,14所示,最初通过刷子活检收集HNE,唯一的区别是使用细胞学刷。所有样品处理步骤和细胞培养都在生物安全柜中进行。
1. 鼻上皮细胞的细胞培养和扩增
2.载玻片和培养插入物中类器官的生长和分化
3. 用于全挂载免疫荧光的类器官的制备和分离
4. 用于组织学切片的类器官的制备和分离
5. 活体类器官的成像
注:以下步骤使用自动成像系统执行(参见 材料表)。不同的成像系统需要按照其特定制造商的说明调整这些步骤。无论使用何种设备,活体类器官成像都需要一个温度受控和加湿的环境室,并带有随附的CO2 气体控制器。
6. 基线流明测量
注:这是使用手动成像分析软件完成的(参见 材料表)。可以使用开源软件38 或任何可以测量图像上区域面积的软件来遵循类似的方法。
7. HNE类器官的预处理和自动成像
注:所有预处理步骤均在干净的生物安全柜中进行。在步骤7.1之前预先设置自动成像系统和用于记录测定的软件。DAPI的孵育是可选的,但如果明场图像的质量受到影响,建议将其作为故障安全。在这种情况下,可以分析DAPI通道(377 nm)。
8. 毛喉素诱导的HNE类器官溶胀测定的自动分析
高净值物质的扩张对于有机物文化的蓬勃发展至关重要。成功采集样本的HNE应在10天左右扩大到超过70%的汇合度。成功和不成功样本的示例分别如图1A和图1B所示。如果细胞在与辐照的3T3细胞共培养14天后不能达到70%汇合,则必须丢弃这些细胞。如果无法用其他抗菌剂快速抢救,任何受污染的细胞都应立即丢弃。
在15孔载玻片和培养插入物中比较类器官的生长。培养插入物比光学优化的载玻片更厚,离物镜更远,从而影响图像和分辨率。尽管如此,在这两种培养方法中未观察到形态学的显着差异,如图2所示。非CF和CF类器官之间可以看到形态学差异,如图3A所示。非CF类器官往往具有较大的腔内含有更多的液体。相比之下,CF类器官通常具有较小的管腔和较少的液体,有时充满粘液和碎屑。手动测量流明尺寸(图3B),计算基线流明比并如图3C所示。使用H&E和免疫荧光染色表征横截面类器官。代表性图像如图4A、B所示。气道上皮标志物(如纤毛、粘液和紧密连接)通过图 5A-D 所示的全装载免疫荧光染色在类器官中显示。根据应用的不同,可以采用切片或全安装免疫荧光。整体安装方法保持了类器官的三维性质,保持了类器官内部的完整性,如之前发表的工作13所示。
CFTR功能通过使用自动成像系统通过毛喉素诱导肿胀(FIS)测定进行评估。由于图像分辨率更高,因此仅使用15孔载玻片进行功能测定。 图6A 显示了非CF志愿者(n = 5名受试者)的具有代表性的毛喉素剂量反应实验,以说明优化成像时间和分析的基本原理。比较非CF和CF类器官反应的数据详见以前的出版物11,13。剂量反应显示CFTR活性的增量变化,以证明最佳的测量方法。评估了1小时和8小时的测定持续时间(图6B,C)以及使用平均分数变化(AFC)与曲线下面积(AUC)的分析见 图6C,D。根据我们以前的经验,大多数受试者和条件的肿胀在8小时后会趋于平稳,在某些情况下,会导致类器官在这段时间内破裂。因此,测定仅限于8小时。在这种延长的测定长度下,肿胀变得非线性。AUC的使用还考虑了尺寸的变化和变化率。因此,在最终方法中,超过8小时的AUC用于所有FIS测定。

图1:共培养中HNE的明场图像。 HNE在具有辐照和灭活的3T3成纤维细胞的扩增培养基中扩增10天。倒置明场显微镜用于细胞成像。(A)高净值企业在一个大簇中生长良好(黑色箭头)。相反,在(B)中,HNE在辐射的3T3细胞周围的两个小簇(黑色箭头)中生长不良。比例尺 = 50 μm。 请点击此处查看此图的大图。

图2:15孔载玻片和培养插入物中的HNE类器官形成。 使用倒置明场显微镜在21天内捕获类器官的明场图像。15孔载玻片(A)中的类器官比培养插入物(B)中的类器官具有更精确,更清晰的图像。在载玻片和插入物中培养的类器官之间没有观察到形态学差异。 请点击此处查看此图的大图。

图3:类器官管腔尺寸(图A)和管腔测量值(图B和C)。 (A)非CF类器官通常比CF(F508del / F508del)类器官具有更大的管腔和更多的液体。(B)一种手动测量红色轮廓所指示的总表面积(TSA)和由单个类器官中的绿色轮廓指示的管腔面积(LA)的方法。(C)使用总表面积和管腔面积来计算非CF与CF受试者的类器官的基线流明比(LA:TSA)的示例。误差线表示标准差。 请点击此处查看此图的大图。

图4:嵌在石蜡中的类器官的横截面。 (A)来自非CF和CF(F508del / F508del)受试者的类器官中的H&E染色示例。(B)类器官纤毛的免疫荧光染色。绿色是用乙酰化微管蛋白和FITC标记的二抗染色的纤毛(白色箭头),蓝色是用DAPI标记的细胞核。 请点击此处查看此图的大图。

图5:类器官中全贴片免疫荧光的共聚焦图像。 (A,C)两个代表性类器官的最大投影图像。(B,D)分别为(A)和(C)的三维重建图像。在共聚焦显微镜的平台上安装了8孔玻璃底载玻片,并使用40x透镜创建显微照片。成像分析软件应用于图像的成像和重建。白色箭头表示类器官管腔内的粘液( B中)和纤毛( C中)。 请点击此处查看此图的大图。

图6:溶胀测定长度和分析方法的基本原理。 毛喉素(FSK)诱导肿胀(FIS)测定,以测试原代鼻上皮细胞上的CFTR功能。将图中指示的不同剂量的毛喉素施用到分化培养基中21天大的类器官中;立即用自动成像仪记录类器官肿胀8小时。8小时后,使用平均分数变化(AFC)在(A)(n = 5,非CF受试者)中显示肿胀。将FSK剂量反应与1小时(B)与8小时(C)时的AFC进行比较,这表明8小时测定可以在不同的FSK剂量之间产生比1小时时更显着的肿胀差异。面板中的 X 轴 (B-D) 表示与图例中的符号对应的不同处理条件。图中的所有误差线都表示标准偏差。请点击此处查看此图的大图。
表1:用于制作扩展介质的所有组件。描述了有关试剂储备浓度、库存储存、用于制造 500 mL 培养基的库存量以及最终浓度的详细信息。 请按此下载此表格。
表2:用于制造差异化介质的所有组件。描述了有关试剂储备浓度、库存储存、用于制造 500 mL 培养基的库存量以及最终浓度的详细信息。 请按此下载此表格。
补充文件1:提供特定于成像系统的示例协议文件,作为类器官自动成像以监测类器官分化的模板。 请点击此处下载此文件。
补充文件 2:包含特定于执行 FIS 测定的设置的示例实验方案文件。请点击此处下载此文件。
JSG在北卡罗来纳大学的专利申请20170242033中被列为发明人,该专利申请描述了类似的模型。当UNC的许可技术产生特许权使用费时,发明人将获得一部分收入。否则,作者声明没有利益冲突。资助者在研究的设计,数据的收集,分析或解释,手稿的撰写或发表结果的决定中没有任何作用。
这里提出了一个详细的方案来描述来自人类鼻上皮细胞的 体外 类器官模型。该协议具有需要标准实验室设备的测量选项,以及用于专用设备和软件的其他可能性。
我们非常感谢所有捐赠HNE刷式活检的参与者为开发该协议所做的贡献。我们感谢Latona Kersh和儿童研究部门的工作人员协调研究志愿者招募和样本收集。我们感谢Lily Deng,Johnathan Bailey和Stephen Mackay,他们是我们实验室的前学员,为他们提供了技术援助。我们感谢刘忠和赵锐的技术帮助。UAB CF研究中心主任Steven M. Rowe提供领导和资源,没有这些,这项工作是不可能的。我们还要感谢Biotek的Sarah Guadiana在仪器培训方面的帮助,Robert Grabski在UAB高分辨率成像设施的共聚焦显微镜协助,以及Dezhi Wang在UAB组织学核心的组织学帮助。这项工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)的支持。授予K23HL143167(JSG),囊性纤维化基金会(CFF)授予GUIMBE18A0-Q(授予JSG),Gregory Fleming James囊性纤维化中心[NIH赠款R35HL135816和DK072482以及CFF阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)研发计划(Rowe19RO)]和UAB临床和转化科学中心(NIH赠款UL1TR001417)。
| 鼻刷 | 医疗包装 CYB1 | CYB-1 | 长度:8 英寸,宽约 7 毫米 |
| 大口径移液器吸头 | ThermoFisher Scientific | 02-707-141 | 大口径移液器吸头 |
| Accutase | ThermoFisher Scientific | A1110501 | 细胞分离溶液 |
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 25300-054 | |
| 胰蛋白酶来自大豆 | 的抑制剂 Sigma | T6522 | 工作溶液:1mg/mL,溶于 1XDPBS |
| 基质胶基质 | 康宁 | 356255 | 细胞外基质 (EM) |
| &微载玻片血管生成 | Ibidi | 81506 | 15 孔载玻片 |
| 24 孔 Transwell | 康宁 | 7200154 | 培养说明书 |
| 腔室盖玻片 | ThermoFisher Scientific | 155409 | 8 孔玻璃底腔室载玻片 |
| Cell-Tak 细胞和组织胶粘剂 | ThermoFisher Scientific | 354240 | 细胞胶粘剂 |
| 多聚甲醛 | 电子显微镜科学 | 50980487 | |
| Triton X-100 | Alfa | Aesar A16046 | |
| BSA | ThermoFisher Scientific | BP1600-100 | |
| NucBlue | ThermoFisher科学 | R37605 | DAPI |
| Eclipse Ts2-FL(倒置常规显微镜) | 尼康 | 倒置落射荧光显微镜或明场显微镜 | |
| 尼康 A1R-HD25 | 尼康 | 共聚焦显微镜 | |
| NIS 元件 - 基础研究 | 尼康 | 手动成像分析软件 | |
| Histogel | ThermoFisher Scientific | HG-4000-012 | |
| 一次性基础模具 | ThermoFisher Scientific | 41-740 | |
| Lionheart FX | BioTek | BTLFX | 自动成像系统 |
| Lionheart 盖 | BioTek | BT1450009 | 环境控制盖 |
| 湿度室 | BioTek | BT1450006 | 载物台插件(环境室) |
| 用于 CO2 和 O2 | BioTek | BT1210013 | 气体控制器 |
| 微孔板/载玻片台小插管 | BioTek | BT1450527 | 载玻片支架 |
| Gen5 成像 Prime 软件 | BioTek | BTGEN5IPRIM | 自动成像分析软件 |
| 4x 相差物镜 | BioTek | BT1320515 | |
| 10x 相差物镜 | BioTek | BT1320516 | |
| LED 立方体 | BioTek | BT1225007 | |
| Filter Cube (DAPI) | BioTek | BT1225100 | DAPI |
| CFTRinh-172 | Selleck Chemicals | S7139 | |
| Forskolin | Sigma | F6886 | |
| IBMX | Sigma | I5879 | |
| Expansion Media | |||
| DMEM | ThermoFisher Scientific | 11965 | |
| F12营养混合物 | ThermoFisher Scientific | 11765 | |
| 胎牛血清 | ThermoFisher Scientific | 16140-071 | |
| 青霉素/链霉素 | ThermoFisher Scientific | 15-140-122 | |
| 霍乱毒素 | Sigma | C8052 | |
| 表皮生长因子 (EGF) | ThermoFisher Scientific | PHG0314 | |
| 氢化可的松 (HC) | Sigma | H0888 | |
| 胰岛素 | Sigma | I9278 | |
| 腺嘌呤 | Sigma | A2786 | |
| Y-27632 | Stemgent | 04-0012-02 | |
| 抗生素培养基 | |||
| 头孢他啶 | Alfa Aesar | J66460-03 | |
| 妥布霉素 | Alfa Aesar | J67340 | |
| 万古霉素 | Alfa Aesar | J67251 | |
| 两性霉素 B | Sigma | A2942 | |
| 分化培养基 | |||
| DMEM/F-12 (1:1) | 赛默飞世尔 | 科技11330-32 | |
| Ultroser-G | 颇尔 | 15950-017 | |
| 胎儿克隆 II | Hyclone | SH30066.03 | |
| 牛脑提取物 | Lonza | CC-4098 | |
| 胰岛素 | Sigma | I-9278 | |
| 氢化可的松 | Sigma | H-0888 | |
| 三碘甲状腺原氨酸 | Sigma | T-6397 | |
| 转铁蛋白 | Sigma | T-0665 | |
| 乙醇胺 | Sigma | E-0135 | |
| 肾上腺素 | Sigma | E-4250 | |
| O-磷酸乙醇胺 | Sigma | P-0503 | |
| 视黄酸 | Sigma | R-2625 | |
| <强>一抗强> | |||
| 人 CFTR 抗体 | R&D Systems | MAB1660 | 稀释度:100x |
| ZO-1 抗体 | Thermo Fisher | MA3-39100-A647 | 稀释度:1000x |
| 抗 MUC5B 抗体 | Sigma | HPA008246 | 稀释度:100x |
| 抗乙酰化微管蛋白 | Sigma | T7451 | 稀释度:100x |
| 抗 β IV 微管蛋白抗体 | Abcam | Ab11315 | 稀释度:100x |
| <>二抗强> | |||
| 驴抗小鼠 IgG (H+L)、Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A21202 | 稀释度:2000x |
| 驴抗兔 IgG (H+L)、Alexa Fluor 594 | Invitrogen | A21207 | 稀释度:2000x |