CF wird durch Mutationen in der Mukoviszidose - Transmembran Regulator (CFTR) -Gen verursacht , die eine epitheliale Anionenkanals kodiert. CF betrifft etwa 85.000 Menschen weltweit 1. Über 2.000 CFTR - Mutationen wurden identifiziert ( www.genet.sickkids.on.ca ). Diese Vielfalt erklärt zum Teil , ein breites Spektrum an beobachteten Krankheitsphänotypen ( www.CFTR2.org ) 2, 3. Sechs Klassen von CFTR-Mutationen definiert sind, auf der Grundlage ihrer Wirkung auf CFTR-Protein-Expression und Funktion: (I) keine Synthese, (II) beeinträchtigt Handel, (III) defekte Kanal-Gating, (IV) geändert Leitfähigkeit, (V) reduzierte Mengen von in der Regel CFTR funktioniert, und (VI) beeinträchtigt Zelloberflächenstabilität 4. Obwohl die gemeinsame CFTR-Mutationen gut untersucht sind, die CFTR-Funktion und die Beziehung mit dem klinischen Zustand bleiben poorly verstanden auf der Ebene des Individuums, vor allem für die große Gruppe der seltenen "orphan" Mutationen ( www.CFTR2.org ) 1, 3.
Kürzlich wurden Arzneimittel entwickelt, das CFTR-Protein in einem mutationsspezifischen Art und Weise auszurichten. Zwei Klassen von CFTR-Protein-Targeting Medikamente befinden sich in der klinischen Anwendung und haben unterschiedliche Wirkungsweisen. Potenziatoren, wie VX-770, verbessern die Open-Wahrscheinlichkeit von apikal lokalisierten mutierten CFTR und direkt auf ihre Zugabe zu den Zellen 5 handeln. Korrektoren, wie VX-809, den Handel des endoplasmatischen Reticulum lokalisierten misfolded CFTR wieder herzustellen und erfordern Vorinkubation mit Zellen vor den Auswirkungen 6 beobachtet werden. Das CFTR potentiator, VX-770 wurde für Patienten mit der G551D - Mutation 7, 8, sowie für die acht anderen registriertenCFTR - Gating - Mutationen, einschließlich S1251N 9; gemeinsam werden diese Mutationen durch 5% aller CF Probanden getragen. Andere Studien haben gezeigt , dass VX-770, mit dem Korrektor VX-809 kombiniert, hat begrenzte noch mit erheblichen Auswirkungen auf die Lungenfunktion und führt zu einer Abnahme in Exazerbationsraten in Subjekten homozygot für die F508del von 45-50% der Patienten durch mutation 10, 11.
Herkömmliche Studien arzneimittelreaktions Subjekten innerhalb der verbleibenden 50% der CF-Patienten sind kostspielig und zeitaufwendig und sind nicht durchführbar für Personen mit extrem selten CFTR-Genotypen zu identifizieren. Neuartige, kostengünstige, personalisierte Methoden sind entscheidend, um die wachsende Zahl von CFTR-Modulatoren Personen zuordenbar jede Art von CFTR Mutation trägt. unter Verwendung von mutierten CFTR-Gen-Transfektion in h Bisher hat die Studie die Aufnahme von Patientengruppen tragen bestimmte CFTR-Mutationen wurden durch Studien geführteterologous Zellsysteme, gefolgt von elektrophysiologischen Studien in Ussing - Kammern 5, 6, 12. Aufgrund eines Mangels an ausreichenden CF Tiermodellen, Arzneimittelwirksamkeitsstudien an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche differenzierten für die Arzneimittelentwicklung 13 bronchialen Epithelzellen abgeleitet von CF Lungen Explantat Materialien wurden 14 verwendet wird , 15. die begrenzte Verfügbarkeit von Lungen Explantation Gewebe und den invasiven Verfahren jedoch zu bronchiale Zellen von Probanden ohne Endstadium der Erkrankung behindern die Analyse seltener CFTR-Mutationen erhalten und Drogentests in einem personalisierten Mode verhindern. Um diese Einschränkungen zu, "easy access" Gewebe, wie kolorektalen Organoiden, nasale Atemwegszellen und Atemwegszellen stammen aus induzierten pluripotenten Stammzellen zu überwinden, werden derzeit für personalisierte medikamentöse Behandlungen erforscht.
Bisher haben wir Protokolle zur Kultur epithelialen Stammzellen aus beliebigen gastrointestinalen Organ in Form von 3D - Organoiden 16, 17. Für den menschlichen Kolon / Rektum beinhalten die Kulturbedingungen definierten Wachstumsfaktoren (Epithelial Growth Factor (EGF), Gastrin, Wnt-3A, R-spondin 3 (Rspo3) und Noggin), kombiniert mit kleinen Molekülen (Nicotinamid, A83-01, und SB202190) in einer Basalmembranmatrix. Unter diesen Bedingungen wachsen einzelne Stammzellen oder kleine Gewebefragmente aus in geschlossene, zystische, 3D-Strukturen durch hochpolarisierten Epithel mit seinem basalen Seite gebildet außen orientiert. Alle Zelltypen erscheinen typischerweise in ihren normalen Verhältnissen und Positionen. Organoide kann durch wöchentliche mechanische Zerstörung und Wieder plating über lange Zeiträume erweitert werden. Sie sind genetisch und phänotypisch stabil und kann gespeichert werden, so dass langfristige Expansion und Bio-Banking - 17. Sie sind zugänglichalle Standard - zellbiologische / genetische Manipulationen und Analysetechniken für 2D - Zelllinien 18 entwickelt.
Wir haben kürzlich gezeigt , dass die CFTR - Funktion kann leicht in kolorektalen Organoiden in einer Forskolin-induzierte Schwellung (FIS) -Test 19, 20 gemessen werden. Wenn ausgesetzt Forskolin (FSK) oder alternativ an Choleratoxin, Organoiden schnell ihre zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) Spiegel erhöhen, was wiederum in der Öffnung des CFTR - Kanals 19. Organoide von gesunden Individuen oder von Patienten mit CFTR - Mutationen mit Restfunktion zugeordnet ist , wird anschließend als Folge des Ionen- und Wassertransport zu den organoiden Lumen schwellen, die in vitro - Äquivalent von sekretorischen Diarrhoe. Die FIS Antwort von kolorektalen Organoiden wurde zuvor gezeigt, vollständig CFTR-abhängig zu sein, wie abgeleitet von Organoiden angegeben von CFTR-null-Personen einnd durch die Verwendung von spezifischen pharmakologischen Inhibitoren CFTR 19. Große fachspezifische Datensätze können innerhalb weniger Wochen nach der Einnahme eine Biopsie entnommen werden.
Für die FIS - Assay im Detail hier beschrieben, Organoide gezüchtet werden aus rektale Biopsien , die in jedem Alter und nur mit begrenztem Unannehmlichkeit 21 erhalten werden kann. Organoide werden wöchentlich durch mechanische Störung in einzelne Krypten agierten, die leicht wieder verschließen und neue Organoide bilden. Für den FIS - Test läuft, ~ 30-80 dieser gestört wenig Organoide werden in jede Vertiefung einer 96-Well - Platte 19 plattiert. Am Tag des Assays werden die Organoide mit Calcein grün gefärbt, ein fluoreszierendes zellpermeablen Farbstoff, der es innerhalb von lebenden Zellen zurückgehalten wird, Echtzeit-Bildgebung zu erleichtern. Dann Fsk, die die intrazelluläre cAMP erhöht und aktiviert dadurch CFTR, wird hinzugefügt, um organoide Schwellung zu stimulieren. Potenziatoren, die auf apikal CFTR wirken, werden gleichzeitig zugegeben with der Forskolin, während Korrektoren, die CFTR Handel wiederherzustellen 24 h vor der Zugabe von Fsk zugegeben. Die organoiden Quellung wird durch eine automatisierte Bildanalyse quantifiziert, die in der Gesamtfläche aller fluoreszierender Objekte für jeden Zeitpunkt auf Forskolin zusätzlich die relative Zunahme berechnet.
3D organoiden Schwellung Vor- und Nachteile gegenüber bestehenden elektro CFTR Ablesungen in 2D in Ussing-Kammern kultiviert Atemwegszellen liefert. Ein Hauptvorteil ist der Durchsatz des Quelltest. Die Zellen werden kultiviert und untersucht eine einzige Art von Kulturmedium verwenden, und ein erfahrener Techniker kann die Kultur bis zu 25 organoiden Proben auf einer wöchentlichen Basis, während rund 1.200 Datenpunkte pro Woche in 12 Patientenproben zu quantifizieren. Wir geben üblicherweise einen einzigen experimentellen Bedingungen durch doppelte oder dreifachen Messungen pro Platte und wiederholen Sie solche Messungen bei drei unabhängigen Inkubationszeit Punkte. Insgesamt etwa 300 bis 500 single organoide Strukturen werden dann pro experimentellen Bedingungen gemessen, die mit begrenzten technischen Variabilität sehr präzise Messungen der CFTR-Funktion führt. Diese Präzision ermöglicht es uns, deutliche Unterschiede definieren in Restfunktion und die Reaktion auf CFTR - Modulatoren und ermöglicht es uns leicht genetischen Hintergrund Effekte zwischen Patienten tragen identische CFTR - Mutationen 19, 22, 23, 24, 25 aufzunehmen. Die Datenqualität kann leicht von Mikroskopbildern beurteilt werden. Während FIS vollständig CFTR-abhängig ist, ist es ein indirektes Ergebnis Maßnahme für CFTR-Funktion, dessen Auslesung durch die Kopplung des Ionentransports zu den Fluidtransport verursacht. Dies steht im Gegensatz direkte CFTR - Funktion Messungen in Ussing - Kammern, die transepithelialen Ionenströme 26 messen. Ussing-Kammern ermöglichen die Auswahl Stimulation der apikalen oder basolateralen compartments (die die organoiden Test nicht erlaubt); von permeabilisierender basolateralen Membranen kann die apikal CFTR-abhängige Anion Sekretion selektiv 27 gemessen werden.