Hier präsentieren wir ein einfaches und sehr praktisches, aber zuverlässiges Protokoll für die direkte sphäroidale Co-Kultivierung von menschlichen Lungenepithelzellen und Fibroblasten, ohne auf eine Matrix angewiesen zu sein.
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Hier präsentieren wir ein einfaches und sehr praktisches, aber zuverlässiges Protokoll für die direkte sphäroidale Co-Kultivierung von menschlichen Lungenepithelzellen und Fibroblasten, ohne auf eine Matrix angewiesen zu sein.
Dreidimensionale (3D) Kultursysteme werden immer beliebter, da sie in der Lage sind, natürliche Zelleigenschaften und -architekturen zu reproduzieren und so gewebeähnliche Strukturen in vitro nachzuahmen. Unter diesen Modellen stellt die Kultur von kugelförmigen Zellaggregaten (sogenannten Sphäroide), die in eine halbfeste extrazelluläre Matrix (EZM) eingebettet sind, ein fortschrittliches near-in-vivo-Zellkulturmodell dar, da es unterschiedliche funktionelle Zellzustände als Ergebnis von Zell-Zell- und Zell-EZM-Wechselwirkungen sowie Sauerstoff- und Nährstoffgradienten ermöglicht. Da Sphäroide technisch weniger anspruchsvoll und relativ kostengünstig in der Beschaffung sind, werden sie häufig im Wirkstoffscreening und in der Toxizitätsprüfung eingesetzt, um ein High-Content-Screening für die Erprobung neuer Medikamente in der präklinischen Phase zu ermöglichen. Zu diesem Zweck werden überwiegend 3D-Strukturen verschiedener Tumoren nachgebildet. Gleichzeitig ist Matrigel derzeit eine der am weitesten verbreiteten EZMs und gilt als Goldstandard in der Sphäroid- und Organoid-Kultivierung, obwohl es sich um eine auf Mausversuchen basierende 3D-Matrix handelt, deren Extraktion – wie Tierversuche im Allgemeinen – mit großen ethischen Bedenken verbunden ist. In dieser Arbeit stellen wir ein matrixfreies Protokoll für die direkte sphäroidale Co-Kultivierung von humanen Bronchialepithelzellen und Fibroblasten vor, das als optimierte Co-Kultivierungsmethode angesehen werden kann, insbesondere hinsichtlich der epithelial-Fibroblasten-Kommunikation und der Interaktionen innerhalb der jeweiligen Sphäroide, ohne auf eine (tierische) Trägermatrix angewiesen zu sein. Durch die Etablierung dieser frei schwebenden epithelial-fibroblastoiden Sphäroid-Cokulturen als patientenorientierte in vitro Plattform zur Modellierung normaler (Lungen-)Gewebetoxizitäten krebstherapeutischer Ansätze kann nicht nur eine Reduzierung der Anzahl der Versuchstiere, sondern auch ein adäquater und sinnvoller Ersatz entsprechender Tierversuche erreicht werden.
Zweidimensionale (2D) Zellkulturen, in denen flache Monolayer-Zellen kultiviert, expandiert und dann für zellbasierte Forschungsassays plattiert werden, sind nach wie vor eine einfache, bequeme, kostengünstige und weit verbreitete Methode für präklinische Standard-Screening-Verfahren 1,2. Um die interaktive (parakrine) Wechselwirkung zwischen verschiedenen Zelltypen in vitro zu untersuchen, kann ein konditioniertes Medium aus einem Zelltyp zur Stimulation eines anderen Zelltyps verwendet werden. Darüber hinaus haben sich verschiedene Co-Kultur-Methoden herausgebildet, z.B. indirekte Methoden, bei denen co-kultivierte Zellen mit Hilfe einer mikroporösen Membran physikalisch getrennt werden. Diese "Transwell-Systeme" enthalten einen Einsatz (die mikroporöse Membran), der in eine herkömmliche 2D-Zellkulturplatte eingelegt wird. Ein Zelltyp wird dann ausgesät und auf der Membran gezüchtet, wobei er das gleiche Medium wie der andere Typ teilt, der auf der Begleitvertiefung wächst, wodurch eine bidirektionale parakrine Kommunikation ermöglichtwird 2. Die beiden Zelltypen könnten sogar auf den beiden Seiten der Membran ausgesät werden, wodurch sie eher eine direkte Zell-zu-Zell-Kontakt-Cokultur bilden, die für die Untersuchung barrierestrukturierter Gewebe geeignet ist 3,4.
Die zellulären Antworten dieser selbst fortschrittlichen 2D-Zellkultursysteme spiegeln jedoch nicht immer die Ergebnisse der entsprechenden Tierversuche und sogar klinischer Studien wider, was unter anderem auf das Fehlen einer direkten Signalübertragung zwischen den verschiedenen Zelltypen und damit auf das Fehlen von in vivo-ähnlichen zellulären Organisationen zurückzuführen ist. Daher sind dreidimensionale (3D) Kultursysteme aufgrund der Fähigkeit natürlicher Zelleigenschaften und Architekturen, gewebeähnliche Strukturen in vitro nachzuahmen, immer beliebter geworden 5,6. Unter diesen Modellen stellt die Kultivierung von sphärischen Zellaggregaten, sogenannten Sphäroiden, die in halbfeste extrazelluläre Matrizen eingebettet sind, ein fortschrittlicheres Zell-Co-Kulturmodell dar, bei dem unterschiedliche funktionelle zelluläre Zustände nach Zell-Zell- und Zell-ECM-Interaktionen sowie Gradienten von Sauerstoff und Ernährung erreicht werden können7. Diese gewünschten komplexeren in vivo ähnlichen in vitro Kulturen 3D-Kulturen sollten in Bezug auf die Größe der Zellanordnung homogen erzeugt und aufrechterhalten werden, während sie gleichzeitig die Zellentwicklung und -differenzierung fördern und gleichzeitig effektiv, schnell, konsistent und bequem sind 7,8.
Unter Ausnutzung der natürlichen Eigenschaften der Selbstaggregation und Adhäsion werden Sphäroide (hauptsächlich Tumorsphäroide) in der Regel mit der Hanging Drop-Technik erzeugt 9,10. Als eine der ersten Techniken zur Erzeugung embryonaler Körper hat sich der Hanging Drop Assay zu einer weit verbreiteten Methode zur Erzeugung zahlreicher homogener Sphäroide entwickelt, die auf den Prinzipien der Schwerkraft und Oberflächenspannung vor der ECM-Einbettung unter Verwendung von Matrigel, dem "Goldstandard" der extrazellulären Matrizen, basieren, obwohl es sich um Maus-basierte Matrizen handelt. Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Sphäroide in gerüstfreien Ansätzen zu erzeugen 8,11. So können beispielsweise Sphäroide unter Verwendung einer Zellkulturflasche mit Rührwerk erzeugt werden und so das Cell Seeding verhindert werden, die einfachste Methode, um Sphäroide in großem Maßstab herzustellen12.
Das Schwierigste bei der Komplexierung von Zellkulturen und damit bei der Etablierung eines physiologisch wertvollen Systems wie in vivo wie in vitro Alternativen im eigenen Labor sind komplexe Protokolle mit vielen verschiedenen Schritten (die noch etabliert werden müssen). Zum Beispiel sind die Erzeugung zellulärer Strukturen zunächst mit einer Methode, ihre Ernte und ihre anschließende Einbettung in eine Matrix, insbesondere die Verwendung von Matrizen, die nicht einfach zu handhaben sind, kritische Schritte, die mehr Überzeugungsarbeit erfordern, bevor eine Methode routinemäßig und seriell eingesetzt werden kann. Hier haben wir eine extrem niedrige Attachment-Platte im 96-Well-Format verwendet, die praktisch keine Zellbindung an die Kulturware für die Etablierung komplexer 3D-Sphäroide von Lungenepithelzellen und Fibroblasten ermöglicht. Die resultierenden Sphäroide werden innerhalb von 24 h sehr gleichmäßig und ziemlich schnell gebildet, was die experimentelle Zeit verkürzt. Eine verlängerte Kultivierung und damit ein zuverlässiges Zellwachstum und eine Differenzierung werden über den gesamten Zeitraum in der gleichen Vertiefung durchgeführt, so dass nach der initialen Beschichtung über den gesamten Kultivierungszeitraum nur das Medium ausgetauscht werden muss. Daher stellen wir ein sehr einfaches, schnelles und daher sehr praktisches Protokoll zur Erzeugung menschlicher Lungensphäroide vor, die das Atemwegsepithel morphologisch und funktionell auf nahezu physiologischem Niveau replizieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Protokoll leicht an andere Zellen angepasst werden kann.
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Alle Schritte werden unter sterilen Bedingungen (Biosicherheitswerkbank) durchgeführt. Die in dieser Studie verwendeten Medienzusammensetzungen finden Sie in Tabelle 1.
1. Vorbereitung des Versuchsmaterials
2. Präparation von Epithelzellen und Fibroblasten
HINWEIS: Verwenden Sie beide Zelltypen, wenn die Zellen eine Konfluenz von etwa 80 % erreichen. Bereiten Sie jeden Zelltyp separat vor.
3. Erzeugung von epithelial-Fibroblasten 3D-Sphäroidkulturen
4. Durchführen eines regelmäßigen Medienwechsels
5. Nachgelagerte Analysen (Gewinnung von Sphäroiden)
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Dieses einfache Protokoll ermöglicht die matrixfreie sphäroidale Co-Kultivierung von humanen Bronchialepithelzellen und Fibroblasten in Kombination mit extrem niedrigen Anheftungsplatten (Abbildung 1A). Während des Kultivierungsprozesses bilden sich aus den ursprünglich erzeugten Sphäroiden nach und nach komplexere Lungensphäroide, wobei die effiziente Erzeugung verschiedener epithelialer und fibroblastischer Strukturen direkte zelluläre Wechselwirkungen darstellt, wie morphologische Analyse...
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3D-Zellkulturmodelle wurden vorgeschlagen, um die Lücke zwischen 2D-Kulturen und in vivo-Studien zu schließen, da diese Art von (Co-)Kultur die physiologischen, morphologischen und pathologischen Eigenschaften in vivo besser nachahmt, da mehr in vivo-ähnliche Zell-Zell-Interaktionen, Zell-EZM-Interaktionen, Reaktionen auf Reize, Genexpression, Proteinexpression und Differenzierung vorhanden sind17, 18. ...
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Die Autoren geben an, dass es keine persönlichen oder institutionellen Interessenkonflikte gibt.
Wir danken Mohammed Benchellal, Eva Gau, Sabine Senkel und Olga Kruse für ihre hervorragende technische Unterstützung. Diese Arbeit wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (LuOrgNTT: 16LW0293 bis D.K., SeniRad: 02NUK086C bis V.J., D.K.) und durch das DFG-Graduiertenkolleg 2762.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 10 mL sterile serologische Pipetten | ThermoFischer | 170356N | Nunc sterile serologische Pipetten oder gleichwertiges |
| konisches 15-ml-Röhrchen | Corning | 430052 | oder gleichwertig |
| 37 &/de; C/ 5% CO2 befeuchtet Inkubator | |||
| 5 mL sterile serologische Pipetten | ThermoFischer | 170355N | Nunc sterile serologische Pipetten oder gleichwertige |
| konische 50-ml-Röhrchen | Corning | CLS430829 | oder gleichwertige |
| ATRA (All-Trans Retinsäure) | StemCell Technologies | Cat#72262 | 50 nM |
| B-27 Ergänzung (50x), | ThermoFischer/Gibco | Cat#17504044 | 1x |
| BD Rhapsody WTA Amplification Kit | BD Bioscience | Cat#633801 | gemäß den Herstellerangaben verwenden |
| Biosicherheitswerkbank | |||
| Rinderserum Albumin | Roche | Cat#BSAVHS-RO | 0,4% (v/v) |
| Zellsieb | Corning | 352350 | Falcon 70 & Mikro; m Cell Strainer, weiß, steril, einzeln verpackte |
| Zentrifuge | Eppendorf | https://www.fishersci.com/shop/products/eppendorf-5804-series-centrifuge-rotor-packages-9/p-4119001 | z.B. Eppendorf Centrifuge 5804 - Tischzentrifuge |
| DMEM/F12 | Invitrogen | Cat#11330-032 | 500 mL |
| DNase I, RNase-frei (1 U/μ L) | ThermoFischer | Cat#EN0521 | 100 U/mL |
| EDTA (0,5 M), pH 8,0, RNase-frei | ThermoFischer | AM9260G | 2 mM |
| Eppendorf Research plus 12-Kanal-Mehrkanalpipette | Eppendorf | z.B., #3125000044 (10– 100 &Mikro; L) oder #3125000060 (30– 300 & Mikro; L) | |
| Fötales Kälberserum | ThermoFischer/Gibco | Cat#A5256701 | 10% (v/v) |
| HBEC3-KT | ATCC | CRL-4051 | menschliche normale Lungenepithelzelllinie |
| Heparin-Lösung (0,2%) | StemCell Technologies | Cat#7980 | 0,8 mL |
| Hoechst 33342 | ThermoFischer | Cat#H1399 | 1 µ g/mL |
| HS-5 | ATCC | CRL-3611 | humane Stromafibroblasten |
| Hu Recom FGF-10 (KGF-2) ACF | StemCell Technologies | Cat#78173.1 | 10 ng/mL |
| Hu Recom FGF-7 (KGF) ACF | StemCell Technologies | Cat#78186.1 | 10 ng/mL |
| Human Single-Cell Multiplexing Kit | BD Bioscience | Cat#633781 | gemäß den Anweisungen des Herstellers verwenden |
| Hydrocortisin Stammlösung | StemCell Technologies | Cat#7926 | 0,5 mL pro 500 mL |
| Laduviglusib (CHIR-99021) | Biozol/Selleckchem | Cat#S1263 | 3 & Mikro; M |
| L-Ascorbinsäure | Sigma-Aldrich | Cat#A92902 | 50 µ g/mL |
| Mikroskop | ZEISS | ||
| Monothioglycerol | Sigma-Aldrich | Cat#M6145 | 0.4 µ M |
| N-2 Supplement (100x) | ThermoFischer/Gibco | Cat#17502048 | 1x |
| Neubauer Zählkammer | Merck | BR718605 | z.B. BRAND Zählkammer BLAUBRAND Neubauer |
| pattern Normales Ziegenserum | ThermoFischer | Cat#31873 | 2 % (v/v) in PBS NP-40 |
| Merck/Millipore | Cat#492016 | NP-40-Alternative, 1 % | |
| PAS Färbeset | Sigma Aldrich | Cat#1016460001 | gemäß Herstellerangaben verwenden |
| PBS | ThermoFischer | Cat#10010023 | 1x |
| Penicillin-Streptomycin (10.000 U/mL), 100x | ThermoFischer/Gibco | Kat#15140122 | 1x |
| PFA | ThermoFischer | Kat#J61899. AK | Paraformaldehyd, 4 % in PBS |
| PneumaCult Airway Organoid Differentiation Medium (ODM) | StemCell Technologies | Cat#05060 | PneumaCult Airway Organoid Basal Medium (#05061, 360 mL) und PneumaCult Airway Organoid Differentiation Supplement* (#05063, 40 mL) |
| PneumaCult Ex Plus Medium | StemCell Technologies | Cat#5040 | Kit bestehend aus PneumaCult-Ex Plus Basalmedium (#05041, 490 mL ) und PneumaCult-Ex Plus 50X Supplement*(#05042, 10 mL) |
| Proteasehemmer Cocktail | Merck/Roche | Cat#4693132001 | 1 Tab/10 mL |
| Rhapsody cDNA Kit | BD Bioscience | Cat#633773 | gemäß Herstellerangaben |
| verwenden RPMI 1640 Medium | ThermoFischer/Gibco | Cat#11875093 | 500 mL |
| Natriumchlorid | Merck/Sigma-Aldrich | S9625 | 150 mmol/L |
| Natriumcitrat | Merck/Sigma-Aldrich | Cat#1613859-1G | 0,10% |
| Natriumdesoxycholat | Merck/Sigma-Aldrich | Cat#30970 | 0,50% |
| Natriumdodecylsulfat | Merck/Sigma-Aldrich | Cat#11667289001 | 0.10% |
| Steriles Reagenzreservoir für Mehrkanal-Mikropipetten (z.B. 60 ml) | ThermoFischer | 9510037 | oder gleichwertig |
| TC-Platte 96well BIOFLOAT a 4 Stü ck | Sarstedt (oder Facellitat) | 83.3925.400 (oder F202003) | extrem niedrige Befestigungsplatte |
| Tris/HCl | ThermoFischer | Cat#AM9855G | 50 mmol/L , pH 8 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | Cat#X100-5ML | 0.05 % |
| Trypan Blue Stain (0,4%) | ThermoFischer | Cat#15250061 | 1/5 (v/v) mit NGM |
| TrypLE | ThermoFischer | Cat#12604013 | 1x |
| Trypsin-EDTA (0,5 %) | ThermoFischer | Cat#15400054 | 0,05 % Trypsin-EDTA (TE) Lösung, aseptisch verdünnt auf 1X mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (ohne Calcium und Magnesium) |
| WST-1 Reagenz | CELLPRO-RO, Roche | Cat#5015944001 | Reagenz für die Zellproliferation |
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