Kombination von menschlichen Organoiden und Organ-on-a-Chip-Technologie zur Modellierung der intestinalen regionsspezifischen Funktionalität

Gauri Kulkarni; Athanasia Apostolou; Lorna Ewart; Carolina Lucchesi; Magdalena Kasendra

doi:10.3791/63724

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Methodenartikel

Kombination von menschlichen Organoiden und Organ-on-a-Chip-Technologie zur Modellierung der intestinalen regionsspezifischen Funktionalität

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DOI:

10.3791/63724

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5. Mai 2022

Gauri Kulkarni^*¹ , Athanasia Apostolou^*¹ , Lorna Ewart¹ , Carolina Lucchesi¹ , Magdalena Kasendra²^,³

¹Emulate Inc. Boston, ²Center for Stem Cell and Organoid Medicine, Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, ³Division of Pediatric General and Thoracic Surgery, Cincinnati Children’s Hospital Medical Center

^* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Biopsie-abgeleitete Darmorganoide und Organ-on-a-Chips-Technologien werden zu einer mikrophysiologischen Plattform kombiniert, um die regionsspezifische Darmfunktionalität zu rekapitulieren.

Zusammenfassung

Die Darmschleimhaut ist eine komplexe physikalische und biochemische Barriere, die eine Vielzahl wichtiger Funktionen erfüllt. Es ermöglicht den Transport, die Aufnahme und den Stoffwechsel von Nährstoffen und Xenobiotika und erleichtert gleichzeitig eine symbiotische Beziehung mit der Mikrobiota und begrenzt die Invasion von Mikroorganismen. Die funktionelle Interaktion zwischen verschiedenen Zelltypen und ihrer physikalischen und biochemischen Umgebung ist für die Etablierung und Aufrechterhaltung der Homöostase des Darmgewebes von entscheidender Bedeutung. Die Modellierung dieser komplexen Wechselwirkungen und der integrierten Darmphysiologie in vitro ist ein gewaltiges Ziel mit dem Potenzial, die Art und Weise, wie neue therapeutische Ziele und Arzneimittelkandidaten entdeckt und entwickelt werden, zu verändern.

Organoide und Organ-on-a-Chip-Technologien wurden kürzlich kombiniert, um humanrelevante Darmchips zu erzeugen, die geeignet sind, die funktionellen Aspekte der Darmphysiologie und Pathophysiologie in vitro zu untersuchen. Organoide, die aus den Biopsien des Dünndarms (Zwölffingerdarm) und des Dickdarms gewonnen werden, werden in das obere Kompartiment eines Organchips gesät und dehnen sich dann erfolgreich als Monoschichten aus, während die unterschiedlichen zellulären, molekularen und funktionellen Merkmale jeder Darmregion erhalten bleiben. Gewebespezifische mikrovaskuläre Endothelzellen des menschlichen Darms werden in das untere Kompartiment des Organchips integriert, um die epithelial-endotheliale Schnittstelle nachzubilden. Diese neuartige Plattform erleichtert die luminale Exposition gegenüber Nährstoffen, Medikamenten und Mikroorganismen und ermöglicht Untersuchungen des Darmtransports, der Permeabilität und der Wirt-Mikroben-Interaktionen.

Hier wird ein detailliertes Protokoll für die Etablierung von Darmchips, die den menschlichen Zwölffingerdarm (Zwölffingerdarmchip) und Dickdarm (Dickdarmchip) darstellen, und deren anschließende Kultur unter kontinuierlicher Strömung und peristaltisartigen Verformungen bereitgestellt. Wir demonstrieren Methoden zur Beurteilung des Arzneimittelstoffwechsels und der CYP3A4-Induktion im Zwölffingerdarmchip anhand prototypischer Induktoren und Substrate. Schließlich bieten wir ein Schritt-für-Schritt-Verfahren für die In-vitro-Modellierung von Interferon-gamma (IFNγ)-vermittelter Barrierestörung (Leaky-Gut-Syndrom) in einem Dickdarmchip an, einschließlich Methoden zur Bewertung der Veränderung der parazellulären Permeabilität, Veränderungen der Zytokinsekretion und transkriptomischer Profilierung der Zellen innerhalb des Chips.

Einleitung

Der menschliche Darm ist ein komplexes und multitaskingfähiges Organ, das sich selbst regenerieren kann. Es ist in den Dünn- und Dickdarm unterteilt. Die Hauptfunktion des Dünndarms besteht darin, die aus dem Magen kommende Nahrung weiter zu verdauen, alle Nährstoffe aufzunehmen und die Rückstände an den Dickdarm weiterzugeben, der das Wasser und die Elektrolyte zurückgewinnt. Der Dünndarm ist weiter in mehrere anatomisch unterschiedliche Regionen unterteilt: Zwölffingerdarm, Jejunum und Ileum, von denen jede angepasst ist, um bestimmte Funktionen zu erfüllen. Zum Beispiel hilft der Zwölffingerdarm, den Speisebrei (Mageninhalt) abzubauen, um die richtige Aufnahme von ....