Dieses Protokoll stellt ein Verfahren zur Erzeugung von Gefäßorganoiden unter Verwendung menschlicher pluripotenter Stammzellen vor.
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Methodenartikel
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Dieses Protokoll stellt ein Verfahren zur Erzeugung von Gefäßorganoiden unter Verwendung menschlicher pluripotenter Stammzellen vor.
Vaskuläre Organoide, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnen werden, rekapitulieren die Zelltypenvielfalt und die komplexe Architektur menschlicher Gefäßnetzwerke. Dieses dreidimensionale (3D) Modell birgt ein erhebliches Potenzial für die Modellierung der Gefäßpathologie und das In-vitro-Wirkstoffscreening . Trotz der jüngsten Fortschritte besteht nach wie vor eine zentrale technische Herausforderung darin, Organoide mit gleichbleibender Qualität reproduzierbar zu erzeugen, was für nachgelagerte Assays und Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Hier wird ein modifiziertes Protokoll vorgestellt, das sowohl die Homogenität als auch die Reproduzierbarkeit der Generierung von vaskulären Organoiden verbessert. Das modifizierte Protokoll beinhaltet die Verwendung von Mikrowells und des CEPT-Cocktails (Chroman 1, Emricasan, Polyamine und der integrierte Stressreaktionshemmer trans-ISRIB), um die Körperbildung von Embryoiden und das Überleben der Zellen zu verbessern. Differenzierte, reife Gefäßorganoide, die mit diesem Protokoll erzeugt werden, werden mittels 3D-Immunfluoreszenzmikroskopie charakterisiert, um ihre Morphologie und komplexe Gefäßstruktur zu analysieren. Dieses Protokoll ermöglicht die skalierbare Herstellung hochwertiger vaskulärer Organoide und erleichtert so möglicherweise deren Einsatz in der Krankheitsmodellierung und beim Wirkstoffscreening.
In vitro sind in den letzten zehn Jahren mikrophysiologische In-vitro-Modelle, einschließlich Organoid- und Tissue-on-a-Chip-Systeme, entstanden 1,2,3. Diese dreidimensionalen (3D), aus menschlichen Zellen gewonnenen Systeme beheben die Einschränkungen herkömmlicher zweidimensionaler (2D) Zellkultur- und Tiermodelle, wie z. B. das Fehlen vieler Komponenten in der physiologischen Mikroumgebung bzw. genetische Unterschiede zwischen den Arten. Sie liefern physiologischere Erkenntnisse und eignen sich besser für die Modellierung von Krankheiten und das Wirkstoffscreening als herkömmliche Modelle. Unter den mikrophysiologischen Modellen haben Organoide, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnen wurden, bewiesen, dass sie die architektonischen Merkmale nativer menschlicher Gewebe effektiv rekapitulieren und so entwickelt wurden, dass sie verschiedene menschliche Organe nachahmen, einschließlich des Gehirns 4,5, der Niere6, der Leber 7,8 und der Netzhaut9. Hier konzentrieren wir uns insbesondere auf die Erzeugung von vaskulären Organoiden aus hiPS-Zellen und skizzieren ein schlankes Protokoll, das darauf abzielt, die Variationen zwischen verschiedenen Organoidproben und -chargen zu minimieren und dadurch die Reproduzierbarkeit insgesamt zu verbessern.
Das Gefäßsystem spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der physiologischen Homöostase in allen menschlichen Organen. Die Bildung von Gefäßen umfasst die Prozesse der Vaskulogenese und Angiogenese, die durch die Wechselwirkungen zwischen Endothel- und Wandzellen (z. B. Perizyten und vaskuläre glatte Muskelzellen) orchestriert und durch verschiedene Reize beeinflusst werden10. Penninger, Wimmer und Kollegen entwickelten die erste Methode zur Erzeugung von vaskulären Organoiden11,12, die diese beiden Prozesse nachahmt. Mit den aus dieser Methode generierten Organoiden haben ihre Gruppe12 und wir13,14 das Potenzial von Gefäßorganoiden für die Modellierung von Gefäßstörungen bei Krankheiten demonstriert. Zum Beispiel wurden in unseren jüngsten Arbeiten 13,14 unterschiedliche Phänotypen beobachtet, wie z.B. Gefäßkeimungen und Variationen der Zusammensetzung von Wandzellen, zwischen krankheitsimitierenden Gefäßorganoiden und ihren Wildtyp-Gegenstücken. Diese Beispiele zeigen, dass das Modell der vaskulären Organoide als Plattform für das Wirkstoffscreening dienen könnte, indem es krankheitsbedingte Gefäßfehlfunktionen nachahmt.
Aufbauend auf den ersten Arbeiten zur Generierung von Gefäßorganoiden11,12 wird ein überarbeitetes Protokoll vorgestellt, das die Verwendung von Mikrowells zur Erleichterung der Bildung eines homogenen Embryoidkörpers (EB) beinhaltet, ein kritischer Faktor bei der Minimierung der Variationen, die häufig innerhalb derselben Organoid-Generationscharge auftreten. Darüber hinaus wird der CEPT-Cocktail, eine Kombination aus Chroman 1, Emricasan, Polyaminen und dem integrierten Stress-Response-Inhibitor (trans-ISRIB)15, eingesetzt, um die Lebensfähigkeit von hiPSCs und differenzierten Zellen während des EB-Bildungsprozesses zu verbessern. Diese Modifikation dient hauptsächlich dazu, die Schwankungen zwischen verschiedenen Organoidproben und Chargen zu reduzieren. Mit diesem etwa zweiwöchigen Protokoll können einheitliche vaskuläre Organoide hergestellt werden, bei denen die Vaskulogenese induziert wird, um das Endothel an Tag 1 in primitiven röhrenförmigen Netzwerken zu organisieren, gefolgt von einer Angiogenese-Induktion an Tag 5, um komplexe Gefäßnetzwerke in Organoiden zu entwickeln. An Tag 12-15 sollten die erzeugten Organoide reife Gefäßnetzwerke aufweisen, die sowohl aus Endothel- als auch aus Wandzellen bestehen.
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Abbildung 1 zeigt einen Überblick über die Schritte, die an diesem Protokoll beteiligt sind. Detaillierte Informationen zu den in diesem Protokoll verwendeten Reagenzien und Materialien finden Sie in der Materialtabelle. Es wird empfohlen, alle Medien vor der Verwendung auf 37 °C vorzuwärmen, sofern nicht anders angegeben. Alle Zellkulturmaterialien und -materialien sollten entweder autoklaviert oder steril sein, und die Zellhandhabung sollte in einer Biosicherheitswerkbank erfolgen. Zusätzlich sollte der pH-Wert der Kollagen-I-Mischung sorgfältig auf pH 7,3 eingestellt werden, um mögliche Verfestigungsprobleme zu vermeiden.
1. Aufrechterhaltung der menschlichen iPS-Zellen
2. EB-Bildung (Tag 0)
3. Gefäßdifferenzierung (Tag 1 - 5)
4. Hydrogel-Einbettung (Tag 5)
5. 3D Immunfluoreszenz-Assay
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Abbildung 1A zeigt das Schema dieses Protokolls, einschließlich der Schlüsselkomponenten, die in jeder Phase verwendet werden. Die Differenzierung begann mit der EB-Bildung, gefolgt von der Mesoderminduktion und der Spezifizierung der Gefäßlinie (Abbildung 1B-D). Die Aggregate wurden im Laufe der Zeit größer und weniger kugelförmig. Organoide zeigten ab Tag 5 Ecken und Kanten. Nach der Eingebettetheit in das Kollagen-I-Basalmemb...
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Das beschriebene Protokoll umfasst zwei wichtige Modifikationen für die homogene und reproduzierbare Erzeugung hochwertiger vaskulärer Organoide. Die erste Modifikation ist die Verwendung einer Mikrotiterplatte, um eine bessere Kontrolle der EB-Gleichmäßigkeit zu ermöglichen. Als Ausgangspunkt für die vaskuläre Differenzierung ist die Größe der EBs von entscheidender Bedeutung, da sie das Schicksal der Stammzellen und die Wirksamkeit der Differenzierung gegenüber verschiedenen Linien reg...
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Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.
Wir möchten uns für die technische Unterstützung durch die Confocal and Specialized Microscopy Shared Resource des Herbert Irving Comprehensive Cancer Center an der Columbia University bedanken, die zum Teil durch den NIH Center Grant (P30CA013696) finanziert wurde. Diese Arbeit wird unterstützt von NIH (R21NS133635, Y.-H.L.; UH3TR002151, K. W. L.). Abbildung 1A wurde mit BioRender erstellt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 2-Mercaptoethanol (1000x) | Gibco | 21985023 | |
| Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 711-546-152 | rekonstituieren mit 0,25 mL 50% Glycerin, lagern bei -20&Grad; C für bis zu 1 Jahr, Verdünnungsverhältnis für den Gebrauch: 1:1000 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 705-606-147 | rekonstituiert mit 0,25 ml 50 % Glycerin, Lagerung bei -20 μg; C für bis zu 1 Jahr, Verdünnungsverhältnis für den Gebrauch: 1:1000 |
| B27-Supplement minus Vitamin A (50x) | Gibco | 12587010 Auftauen bei 4 & Grad; C, aliquot und bei -20 ° lagern; C, Gefrier-Auftau-Zyklus vermeiden | |
| BMP4 | ProSpec | CYT-081 | rekonstituiert mit sterilem ddH2O in einer Konzentration von 100 ng/µ L, aliquot und bei -20 & deg lagern; C |
| CD31 Antikörper | abcam | ab28364 | Verdünnungsverhältnis: 1:400 |
| Zentrifuge | Eppendorf | 022626001 | |
| CHIR99021 | Tocris Bioscience | 4423/10 | Die Stammlösung bei 12 mM mit DMSO herstellen und bei -20 & deg lagern; C für bis zu 1 Jahr. |
| Chroman 1 | Tocris | 7163/10 | stellt die Stammlösung bei 100 & Mikro her; M mit DMSO und lagern bei -20 & Grad; C für bis zu 1 Jahr. |
| Kollagen I | Corning | 40236 | |
| Konfokalmikroskop | Nikon | AXRMP/Ti2 | |
| Corning Elplasia Platten | Corning | 4441 | |
| Countess II FL automatisierter Zellzähler | Thermo Fisher | AMQAF1000 | |
| DMEM/F-12, GlutaMAX Ergänzung | Gibco | 10565018 | |
| DMEM/F-12, Pulver | Gibco | 12500062 | 10x Stammlösung mit biograde ddH2O herstellen und mit einem 0,2 &; Mikro sterilisieren; m Filter. Bei 4 °C lagern. |
| Edi042A | Cedars Sinai | ||
| Emricasan | Medchemexpress LLC | HY1039610MG | die Stammlösung bei 1 mM mit DMSO herstellen und bei -20 & deg lagern; C für bis zu 1 Jahr. |
| ERG Antikörper | Cell Singali Technology | 97249 | Verdünnungsverhältnis: 1:400 |
| Fötales Kälberserum - Premium | Atlanta Biologicals | S11150 | Auftauen bei 4 ° C und aliquot, speichern at -20 &Grad; C für bis zu fünf Jahre oder bei 4 Grad lagern; C für bis zu einem Monat |
| FGF2 | ProSpec | CYT557 | rekonstituiert mit sterilem ddH2O in einer Konzentration von 100 ng/&mikro; L, aliquot und bei -20 & deg lagern; C |
| Fluorodish Zellkulturschale | World Precision Instruments | FD35-100 | |
| Forskolin | Tocris Bioscience | 1099 | rekonstituiert mit DMSO in einer Konzentration von 12 mM, aliquotiert und lagert bei -20 & deg; C |
| Gentamicin (50 mg/ml) | Gibco | 15710064 | |
| GlutaMAX Supplement (100x) | Gibco | 35050061 | |
| Heparin, 100 kU | MilliporeSigma | 375095100KU | rekonstituieren mit sterilem ddH2O in einer Konzentration von 4 kU/mL |
| HEPES (1 M) | Gibco | 15630080 | |
| Inkubator | Thermo Scientific | 13998123 | |
| Knockout Serum Replacement | Gibco | 10828028 | bei 4 & Grad auftauen; C, aliquot und bei -20° lagern; C, Frost-Tau-Zyklus vermeiden |
| Matrigel, GFR Basalmembran Matrix | Corning | 356230 | Auftauen bei 4 & Grad; C, aliquotieren und bei -80° lagern; C, Frost-Tau-Zyklus vermeiden |
| MEM Lösung für nicht-essentielle Aminosäuren (NEAA, 100x) | Gibco | 11140050 | |
| Molecular Biology Grade Water | Corning | 46000CV | |
| mTeSR plus Kit | STEMCELL Technologies | 1001130 | Auftauen bei 4 & Grad; C, aliquot und bei -20° lagern; C, Frost-Tau-Zyklus vermeiden |
| N2-Ergänzung (100x) | Gibco | 17502048 | Auftauen bei 4 & Grad; C, aliquot und bei -20° lagern; C, Frost-Tau-Zyklus |
| vermeiden NaOH-Lösung (1 M) | Cytiva HyClone | SH31088.01 | |
| NeuroBasalmedium | Gibco | 21103049 | |
| NIS-Elements, ver 5.42 | Nikon | ||
| Normales Eselsserum | Jackson Immuno Research Labs | 17000121 | rekonstituieren mit 10 mL sterilem ddH2O, lagern bei 4 > C für bis zu zwei Wochen |
| Paraformaldehyd, 20% | Elektronenmikroskopie Sciences | 15713S | verdünnt mit PBS |
| PBST, 20x | Thermofisher | 28352 | |
| PDGFRβ Antikörper | R& D | AF385 | Verdünnungsverhältnis: 1:400 |
| Polyamin-Supplement (1000x) | Sigma-Aldrich | P8483 | |
| Rapiclear Clearing-Reagenz, 1,49 | SUNJIN LAB | RC149001 | |
| Natriumbicarbonat (7,5%) | Gibco | 25080094 | |
| Natriumdesoxycholat-Monohydrat | Thermofisher | J6228822 | ddH2O für 1% (wt/v) Stammlösung auflösen |
| TBST, 20x | Thermofisher | 28360 | |
| trans-ISRIB | Tocris Bioscience | 5284/10 | stellen die Stammlösung bei 1 mM mit DMSO her und lagern bei -20°; C für bis zu 1 Jahr. |
| Tritin X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
| Trypan Blue Stain (0,4%) | Thermo Fisher | 15250061 | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949-100ML | |
| VEGF-A | ProSpec | CYT-116 | rekonstituieren mit sterilem ddH2O in einer Konzentration von 100 ng/µ L, aliquot und bei -20° lagern; C |
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