Organoide sind zu einem robusten und universellen Werkzeug für die In-vitro-Modellierung der Organentwicklung und das Studium von Biologie und Krankheit geworden. Bei der Kultivierung in einem wachstumsfaktordefinierten Kulturmedium können adulte Stammzellen (ASC) aus einer Vielzahl von Organen in 3-dimensionalen (3D) erweitert und selbst zu organähnlichen Zellclustern zusammengesetzt werden, die aus mehreren Zelltypen, sogenannten Organoiden, bestehen. Das Labor von Clevers berichtete 2009 über die Ableitung des ersten von ASC abgeleiteten Organoids, des menschlichen Darmorganoids, 1,2. Danach wurden ASC-abgeleitete Organoide für eine Vielzahl von menschlichen Organen und Geweben etabliert, darunter Prostata 3,4, Leber5,6, Magen 7,8,9, Bauchspeicheldrüse 10, Brustdrüse 11 und Lunge 12,13 . Diese ASC-abgeleiteten Organoide behielten die kritischen zellulären, strukturellen und funktionellen Eigenschaften des nativen Organs bei und bewahrten die genetische und phänotypische Stabilität in der Langzeitexpansionskultur14,15.
Organoide können auch aus pluripotenten Stammzellen (PSC) gewonnen werden, einschließlich embryonaler Stammzellen (ES) und induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS)16. Während PSC-abgeleitete Organoide die Mechanismen der Organentwicklung für ihre Etablierung ausnutzen, können ASCs gezwungen werden, Organoide zu bilden, indem Bedingungen wieder aufgebaut werden, die die Stammzellnische während der physiologischen Gewebeselbsterneuerung oder Gewebereparatur nachahmen. PSC-abgeleitete Organoide sind günstige Modelle, um die Entwicklung und Organogenese zu erforschen, obwohl sie nicht in der Lage sind, den vergleichbaren Reifegrad von ASC-abgeleiteten Organoiden zu erreichen. Der fetale Reifungsstatus von PSC-abgeleiteten Organoiden und die Komplexität bei der Etablierung dieser Organoide verhindern im Wesentlichen ihre breiten Anwendungen für das Studium der Biologie und Pathologie in reifen Geweben.
Die menschlichen Atemwege, von der Nase bis zur terminalen Bronchiole, sind mit dem Atemwegsepithel ausgekleidet, auch pseudostratifiziertes Flimmerepithel genannt, das aus vier Hauptzelltypen besteht, d.h. Flimmerzelle, Kelchzelle, Basalzelle und Keulenzelle. Wir haben das von ASC abgeleitete humane Lungenorganoid aus menschlichem Lungengewebe in Zusammenarbeit mit dem Labor12,13 von Clevers etabliert. Diese Lungenorganoide werden im Expansionsmedium über ein Jahr lang nacheinander expandiert; Die genaue Dauer variiert zwischen verschiedenen Organoidlinien, die von verschiedenen Spendern erhalten wurden. Im Vergleich zum nativen Atemwegsepithel sind diese langfristig expandierbaren Lungenorganoide jedoch nicht reif genug, da Flimmerzellen, die Hauptzellpopulation in den menschlichen Atemwegen, in diesen Lungenorganoiden unterrepräsentiert sind. Daher entwickelten wir ein proximales Differenzierungsprotokoll und erzeugten 3D- und 2D-Atemwegsorganoide, die das Atemwegsepithel morphologisch und funktionell auf ein nahezu physiologisches Niveau phänokopieren.
Hier stellen wir ein Videoprotokoll zur Verfügung, um menschliche Lungenorganoide aus dem primären Lungengewebe abzuleiten, die Lungenorganoide zu erweitern und eine proximale Differenzierung zu induzieren, um 3D- und 2D-Atemwegsorganoide zu erzeugen.