Bienes Análisis Tiempo de perfil metabólico en Ex Vivo Culturas ratón intestinal Cripta organoides

Resumen

Pequeñas organoides las criptas intestinales cultivadas ex vivo proporcionan un sistema de cultivo de tejidos que recapitula el crecimiento de las criptas dependientes de células madre y su nicho. Hemos establecido un método para analizar el perfil metabólico en tiempo real en organoides cripta ratón primaria. Encontramos organoides mantienen propiedades fisiológicas definidas por su origen.

Resumen

La mucosa del intestino delgado exhibe una arquitectura repetitivo organizada en dos estructuras fundamentales: vellosidades, que sobresalen en el lumen intestinal y compuestas de los enterocitos maduros, células caliciformes y células enteroendocrinas; y criptas, que residen proximal a la submucosa y la capa muscular, la acogida madre adultas y células progenitoras y células de Paneth madura, así como del estroma y las células inmunes del microambiente cripta. Hasta los últimos años, los estudios in vitro de intestino delgado se limitó a las líneas celulares derivadas de tumores benignos o malignos, y no representaban la fisiología del epitelio intestinal normal y la influencia del microambiente en el que residen. Aquí, se demuestra un método adaptado de Sato et al. (2009) para el cultivo de organoides de las criptas intestinales del ratón primarios derivados de ratones C57BL / 6. Además, se presenta el uso de cultivos de organoides cripta para analizar el perfil metabólico cripta en tiempo real por medidación del consumo basal de oxígeno, tasa glucolítica, la producción de ATP y la capacidad respiratoria. Organoides mantienen propiedades definidas por su origen y conservan aspectos de su adaptación metabólica se refleja en el consumo de oxígeno y las tasas de acidificación extracelular. Estudios metabólicos en tiempo real en esta cripta organoid sistema de cultivo son una poderosa herramienta para estudiar el metabolismo energético organoid cripta, y la forma en que pueden ser modulados por factores nutricionales y farmacológicos.

Introducción

El cáncer colorrectal (CCR) es la tercera causa principal de muertes relacionadas con el cáncer en los Estados Unidos. Cáncer de colon esporádico - es decir, que surge más tarde en la vida (> 50 años de edad) y sin factores genéticos predisponentes claras - las cuentas de ~ 80% de todos los casos, con una incidencia muy influida por los patrones de la dieta a largo plazo ^1,2. Estos tumores exhiben un cambio metabólico hacia la dependencia de la glucólisis oxidativo, conocido como el efecto Warburg, lo que puede hacer, en parte, concentraciones más altas de bloques de construcción celular y la energía disponibles (a través de glutaminolysis) para permitir y tal vez conducir altas tasas de proliferación de células tumorales ^3-5 . Estudios de cáncer de colon, así como otros cánceres gastrointestinales que incluyen cánceres pequeños intestino proporcionan información importante sobre la causa de la formación de tumores. La investigación de las diferencias metabólicas entre estados normales, pro-tumorigénicos y tumorigénicos de sistemas de órganos gastrointestinales pueden ayudar determination de riesgo relativo para el desarrollo del tumor así como la detección precoz de la neoplasia. Por otra parte, la comprensión de metabolismo bioenergético que involucra la respiración mitocondrial y la glucólisis proporcionará información fundamental en la forma en la fisiología celular, el envejecimiento y la enfermedad estado perturba la homeostasis intestinal. La utilización de la tecnología de ensayo de la bioenergética para el análisis de flujo extracelular puede evaluar las tasas de respiración mitocondrial y la glucólisis simultáneamente en las células que crecen en cultivo en tiempo real ^6,7.

Hasta hace poco, los estudios in vitro de intestino delgado se limitan a las líneas celulares derivadas de tumores benignos o malignos ^8,9 y no representan la fisiología del epitelio intestinal normal y la influencia del microambiente en el que residen. En 2009, Sato et al. ¹⁰ introdujo un sistema ex vivo la cultura a crecer en tres dimensiones del ratón (3D) organoides epiteliales intestinales, o epithElial "mini-tripas", apto para experimentales, diagnósticos y terapéuticos investigaciones ^10,11. Por otra parte, criptas aisladas de ratones restricción calórica mantienen sus propiedades de crecimiento alterados como organoides en tales culturas ^12. En comparación con las líneas celulares transformadas, culturas organoides de las criptas se pueden utilizar para generar datos fisiológicamente relevantes que presentan un mejor modelo para entender el estado in vivo.

Hemos adaptado la tecnología de análisis bioenergético para analizar el metabolismo energético de las criptas intestinales organoides. Ratón organoides criptas intestinales fueron cultivadas ex vivo para desarrollar los estudios de metabolismo energético organoides cripta presentados. La tasa de consumo de oxígeno (OCR) y el índice de acidificación extracelular (ECAR) de organoides de las criptas se midieron en ausencia y presencia de dos diferentes inhibidores metabólicos (oligomicina, rotenona) y un portador de iones (cianuro de carbonilo-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone). La orga criptarespuesta metabólica noid a estos compuestos químicos se refleja con éxito a través de cambiar ECAR y valores de OCR.

Estudios bioenergéticos celulares tendrán dilucidar las interacciones recíprocas entre el estado metabólico y riesgo de enfermedad y fenotipo en el cáncer, la obesidad, la diabetes, los trastornos metabólicos y las enfermedades mitocondriales y ayudar a los métodos de detección de avance con implicaciones directas para la medicina traslacional. A continuación, describimos un protocolo detallado para aislar pequeñas criptas intestinales y de la cultura organoides cripta. Por otra parte, se introduce un nuevo método de usar las culturas organoides cripta para ensayos metabólicos.

Protocolo

Este estudio se realizó de acuerdo con las recomendaciones de la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud. El protocolo fue aprobado por el Comité de Ética de Experimentación Animal de la Einstein College de Medicina Albert.

1. Cripta Aislamiento y Cultura

1. El aislamiento de las criptas del intestino delgado:
   1. Aislar criptas intestinales de cualquier modelo de ratones de interés. La eutanasia a los ratones con CO ₂ seguido por dislocación cervical.
   2. Abrir el abdomen longitudinalmente y llenar el intestino delgado (SI) con solución salina tamponada con fosfato enfriada en hielo, PBS (-Ca ^2+; -Mg ²⁺⁾ con 2x antibiótico-antimicótico (anti-anti). Rápidamente aislar intestino delgado.
   3. Completamente diseccionar libre de grasa mesentérica utilizando un bisturí. Tenga cuidado de no perforar el tejido - en todo momento mantener el tejido húmedo con PBS enfriado con hielo. Abre inteStine longitudinalmente y lavar a fondo con helado de PBS.
   4. Cortar el intestino delgado en dos secciones y aplanar con una punta de algodón húmedo, suavemente raspar las vellosidades utilizando una diapositiva pre-enfriado. Lave vigorosamente en PBS enfriado con hielo varias veces.
   5. Incubar 3 min en 20 ml de 1x PBS por 3 mM de ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) /0.5 mM ditiotreitol (DTT) para la disociación no enzimática del tejido.
   6. Cortar el tejido en trozos pequeños (2-4 mm) utilizando una cuchilla de afeitar en un portaobjetos pre-enfriado. Transferir las piezas en un tubo de 50 ml que contiene 20 ml de PBS helado.
   7. Pipeta hacia arriba y abajo suavemente 10 veces con una pipeta desechable estéril de 10 ml. Deje que los fragmentos de tejido sedimentan por gravedad. Eliminar el sobrenadante con una pipeta. Repita tres veces más; asegúrese de sobrenadante es claro.
   8. Añadir 20 ml de PBS por EDTA 2 mM. Remolino e incubar a 4 ° C durante 30 minutos con agitación suave.
   9. Deje que los sedimentos del tejido y desechar el sobrenadante. Añadir 15 ml de hielo frío PBS y pipetaarriba y abajo 5x con una pipeta 10 ml. Dejar que los fragmentos de tejido de sedimentos y recoger el sobrenadante como la fracción 1 (F1). Repita la recogida de F2-F5, cada fracción mantenido separado.
   10. Añadir 15 ml de hielo PBS frío y este batido tiempo vigorosamente a mano durante 15 segundos. Recoger F6 y F7 para repetir, F8. Si las piezas de tejido comienzan a flotar, toque para ayudarles a establecerse.
   11. Inspeccionar una parte alícuota de cada fracción bajo el microscopio. Piscina aquellas fracciones que contienen criptas.
   12. Pasar las fracciones reunidas a través de un filtro de células de 70 micras de nylon, la recogida de las criptas en un tubo de 50 ml.
   13. Centrifugar a 100 xg durante 5 min a 4 ° C, se descarta el sobrenadante y resuspender el pellet en 10 ml PBS enfriado con hielo con criptas anti-anti y transferencia 2X a un tubo de 15 ml. Repita el lavado una vez más.
   14. Lavar las criptas una vez con 10 ml enfriado en hielo ADF, Advanced DMEM / F-12 (Dulbecco "s Medio Eagle Modificado / jamón" s F-12) - 2x anti-anti.
   15. Lavar las criptas una vez con 10 ml ADF - 1x anti-anti.
   16. Cuente las criptas utilizando un hemocitómetro. Ajustar el volumen de la solución cripta y transferir a un tubo de 1,5 ml para que la concentración final cuando cripta resuspendió será 100-500 criptas por 50 l de mezcla de proteína gelatinosa (Matrigel). Centrifugar a 100 xg durante 5 min a 4 ° C y volver a suspender las criptas en la mezcla de proteína gelatinosa.
   17. Placa de 50 l de cripta - suspensión gelatinosa mezcla de proteína por pocillo en una placa de 24 pocillos (área de crecimiento: 2 cm ^2), colocando cuidadosamente la caída de suspensión en el centro de cada pocillo. Mantener la placa en una CO _2, 37 ° C incubadora durante ~ 30 min hasta que la suspensión se solidifica.
   18. Añadir 500 medios de comunicación helada l de cultivo completo (Advanced DMEM / F12 con 1x anti - anti, 10 mM ácido 4- (2-hidroxietil) -1-piperazinetanosulfónico (HEPES), 1x GlutaMAX, Suplemento B27 1x, 1x N2 Suplemento, 1 mM N-acetil-L-cisteína (NAC), 50 ng / ml de factor de crecimiento epidérmico (EGF), 100 ng / mlNoggin, 500 ng / ml R-Spondin).
       1. Reconstituir factores de crecimiento en 0,1% albúmina de suero bovino (BSA) en PBS.
2. Cripta organoide cultura y Pasaje:
   1. Passage organoides cripta 14-21 días después de la siembra (o cuando sea necesario) como sigue:
      1. Cambio de los medios de comunicación todos los viernes y lunes. Los miércoles, reemplace la mitad de los medios de comunicación con los medios de comunicación fresca.
   2. Retire el medio de cultivo. Lavar la muestra dos veces con 500 l de PBS a intervalos de 5 min.
   3. Retire PBS y romper suavemente la mezcla de proteína gelatinosa usando una punta micro pipeta P1000 estéril.
   4. Añadir 1 ml de medios de cultivo completa a un solo pozo y resuspender las organoides en 1 ml de medio.
   5. Interrumpir suavemente los organoides utilizando un P1000 pipeteando arriba y abajo 20-30x (comprobar bajo el microscopio para la disociación organoid adecuada con un buen rendimiento cripta hasta que una técnica consistente se desarrolla).
   6. Transfiera las criptas a un tubo de microcentrífuga de 1,5 ml;centrifugar a 100 xg a 4 ° C, 5 min.
   7. Lavar el sedimento dos veces con 1 ml de medio de cultivo completo.
   8. Split en una proporción de 1: 3 o 1: 6, según sea necesario, criptas resuspender en 50 l de Matrigel por pocillo. Proceda como se describe anteriormente (sección 1.1.16-18).
3. Cripta de congelación organoide:
   1. Retire el medio de cultivo. Lavar la muestra en 500 l de PBS.
   2. Dispersar la mezcla de proteína gelatinosa usando una punta de pipeta P1000.
   3. Añadir 1 ml de medio a un solo pozo y resuspender las organoides en 1 ml de medio.
   4. Romper suavemente hasta los organoides utilizando un P1000 pipeteando arriba y abajo 20-30x.
   5. Transfiera los organoides a un tubo de 1,5 ml. Centrifugar a 100 xg a 4 ° C, 5 min.
   6. Lavar el sedimento dos veces con 1 ml de medio de cultivo completo.
   7. Criptas Resuspender en 500 l de congelación medios de comunicación.
   8. Criptas transferencia a un criotubo, coloque el tubo en un recipiente de congelación y almacenar en un congelador a -80ºC overnilucha.
   9. Transferencia de criptas a líquido del tanque N _2.
      1. Recuperar organoides cripta congelados descongelando rápidamente en un baño a 37 ° C. Lavar con 500 l medio completo de cultivo una vez, centrifugar a 100 xg, 5 min y resuspender en mezcla de proteína gelatinosa, y la cultura como se describe anteriormente. Para una mejor recuperación, añada inhibidor ROCA (Y-27632) a los medios de congelación.

2. Cripta organoide Metabolismo Ensayo

1. 24 y Preparación de la placa:
   1. Aislar y contar criptas de acuerdo con el protocolo (ver sección 1.1 para el aislamiento de las criptas y la sección 1.2 para el paso cripta).
   2. Criptas Resuspender en mezcla de proteína gelatinosa (100-200 criptas por 20 l).
   3. Placa-cripta gelatinosa suspensión mezcla de proteínas en una placa de 24 pocillos de ensayo (asegúrese de que hay al menos por triplicado para cada muestra) y permita que la suspensión se solidifique a 37 ° C en un CO ₂incubadora; a continuación, añadir 500 l de los medios de cultivo completo.
   4. Criptas Cultura (como se describe en la sección 1.1) y observar al microscopio hasta criptas crecen en organoides plenamente desarrollados.
2. Extracelular Ensayo de flujo:
   1. Cartucho Hidratación durante la noche en un ₂ no-CO (0% de CO _2), 37 ° C incubadora.
   2. Retire el medio de cultivo y se lava dos veces con 500 organoides l DMEM (sin: glucosa, L-glutamina, piruvato de sodio y bicarbonato de sodio; y con: rojo de fenol). Espere 5 min.
   3. Añadir 675 l por pocillo de medio de ensayo (DMEM con 2 mM L-glutamina y 5 mM de D-glucosa) a cada pocillo.
   4. Compruebe la morfología microscópica cripta organoides para asegurar que organoides y la mezcla de proteína gelatinosa están intactas después de los lavados. Incubar 1 hora en un _no-CO2, 37 ° C incubadora.
   5. Preparar 10 mM compuestos inyectables (oligomicina, cianuro de carbonilo-p-trifluoro-metoxi-fenil-hidrazona (FCCP), rotenone) en medio de ensayo.
   6. Puesta en marcha del cartucho mediante la carga de 75 l de 10 mM compuestos inyectables en los puertos de la secuencialmente cartucho: Port A - oligomicina; Puerto B - FCCP; y Port C - rotenona (Las concentraciones finales durante el ensayo será de 1 M).
   7. Incubar cartucho de 30 min - 1 hora a 37 ° C en una incubadora de _2-CO no.
   8. Al mismo tiempo, active el XF Analyzer y crear la plantilla de protocolo de ensayo.
   9. Coloque el cartucho y la placa de utilidad en el Analizador XF y ejecutar "calibrar" cartucho.
   10. Compruebe organoides cripta microscópicamente para asegurarse de que están unidos a la mezcla de proteína gelatinosa.
   11. Placa de cultivo de células de carga en protocolo de ensayo de instrumentos y de ejecución.

Resultados

Organoides cripta se establecieron a partir de 8 meses de C57BL / 6 ratones alimentados con la dieta purificada roedor Instituto Americano de Nutrición 76A (AIN76A). Organoides criptas intestinales pueden ser cultivadas en cultivo durante períodos extendidos de un solo cripta (Figura 1A, sola flecha roja). Organoides surgen estructuras de cripta en 18-20 días en cultivo (Figura 1B, flechas rojas). Las criptas se pasaron cada 3 semanas y organoides recuperaron de manera eficiente después...

Discusión

Hemos probado la tasa de consumo de oxígeno (OCR) y el índice de acidificación extracelular (ECAR) de criptas aisladas a partir de 8 meses de edad los ratones y se hicieron crecer en organoides ex vivo. Después de la medición de la tasa basal, el metabolismo cripta se evaluó mediante la adición de oligomicina, cianuro de carbonilo -p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP) y rotenona, secuencialmente.

Basal OCR y ECAR basal se registraron 0-29 min (Figura 2A y

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
BD Matrigel Matriz de Membrana Basal, GFR, Fenol Sin Rojo, Sin LDEV	BD Biosciences	356231
PBS (solución salina tamponada con fosfato), sin magnesio, sin calcio, pH 7.2	Life Technologies	20012-027
Avanzado DMEM/F-12 (1x)	Life Technologies	12634-028
Dulbecco′ s Eagle&prime modificado; s Medio sin glucosa, L-glutamina, rojo de fenol, piruvato de sodio y bicarbonato de sodio	Sigma-Aldrich	D5030
Rojo de fenol sal sódica	Sigma-Aldrich	P4758	Concentración final 15 mg/l en DMEM (D5030) - paso 2.2.2
Antibiótico-Antimicótico, 100x, 100 ml	Life Technologies	15240-062	Concentración final 1x o 2x
Penicilina-Estreptomicina, liquid	Life Technologies	15140-122	Concentración final 1x
Gibco® GlutaMAX&comercio; suplemento	Life Technologies	35050061	Concentración final 1x
Gibco® HEPES (ácido sulfónico N-2-hidroxietilpiperazina-N-2-etano), 1 M	Life Technologies	15630-080	Concentración final 10 mM
N-acetil-L-cisteína, 25 g	Sigma-Aldrich	A9165-25G	Concentración final 1 mM
100x N-2 suplemento, líquido	Invitrogen	17502-048	Concentración final 1x
50x B-27® suplemento menos Vitamina A, líquido	Invitrogen	12587-010	Concentración final 1x
Ratón recombinante R-Spondin 1, CF, 50 μ g	R& D Systems	3474-RS-050	Concentración final 500 ng/ml
EGF murino recombinante, 100 μ g	Peprotech	315-09	Concentración final 50 ng/ml
Recombinante Murine Noggin, 20 μ g	Peprotech	250-38	Concentración final 100 ng/ml
Gibco® L-glutamina, 200 mM	Life Technologies	25030-081	Concentración final 2 mM
Gibco® glucosa en polvo	Life Technologies	15023-021	Concentración final 5
mM Ambion® 0,5 M EDTA (ácido etilendiaminotetraacético), pH 8,0	Life Technologies	AM9260G	Concentración final 3 mM para step 1.1.5; 2 mM para step 1.1.8
[header]
DTT (ditiotreitol), 1M	Life Technologies	P2325	Concentración final 3 mM
Albúmina de suero bovino (BSA)	Sigma-Aldrich	A2058	0.1% en PBS
Suero fetal bovino (FBS)	Life Technologies	16000-044	1% en PBS
Recovery™ Medio de congelación para cultivos celulares	Life Technologies	12648-010
Inhibidor de ROCK (Y-27632)	Sigma-Aldrich	Y0503	Concentración final 10 μ M
Oligomicina	Sigma-Aldrich	O4876	Concentración final 1 μ M
Cianuro-p-trifluoro-metoxi-fenil-hidrazona de carbonilo (FCCP)	Sigma-Aldrich	C2920	Concentración final 1 μ M
Rotenone	Sigma-Aldrich	R8875	Concentración final 1 μ M
Hidróxido de sodio	Sigma-Aldrich	221465	Concentración final 0,1 N en PBS
XF24 Analizador de flujo extracelular (XF Analyzer)	Seahorse Bioscience