Se describe un protocolo in vitro de co-cultivo microbioma intestinal y vellosidades intestinales durante un periodo prolongado utilizando un sistema de microphysiological gut-on-a-chip humano.
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Artículo de método
Se describe un protocolo in vitro de co-cultivo microbioma intestinal y vellosidades intestinales durante un periodo prolongado utilizando un sistema de microphysiological gut-on-a-chip humano.
A continuación, se describe un protocolo para llevar a cabo a largo plazo co-cultivo de múltiples especies microbioma intestinal humano con vellosidades intestinales microconstruidos en un dispositivo microphysiological gut-on-a-chip humano. Nosotros recapitular la interfaz de tejido lumen capilar intestinal en un dispositivo de microfluidos, donde las deformaciones mecánicas y fisiológicas flujo de cizallamiento del fluido se aplican constantemente para imitar el peristaltismo. En el microcanal lumen, células epiteliales intestinales Caco-2 humanas se cultivan para formar un epitelio de las vellosidades 'libre de gérmenes' y regenerar pequeñas vellosidades intestinales. células microbianas Pre-cultivadas se inoculan en el lado del lumen para establecer un ecosistema huésped-microbio. Después de células microbianas se adhieren a la superficie apical de las vellosidades, flujo de fluido y deformaciones mecánicas se reanudan a producir un microambiente de estado estacionario en el que se suministra constantemente medio de cultivo fresco y las bacterias no unidas (así como los residuos bacterianos) se eliminan de forma continua. Después de co-cultivo prolongado fdía ROM a semanas, se encuentran varios microcolonias que se encuentra de forma aleatoria entre las vellosidades, y ambos microbiana y células epiteliales permanecen viables y funcional para al menos una semana en cultivo. Nuestro protocolo de co-cultivo se puede adaptar para proporcionar una plataforma versátil para otros ecosistemas huésped-microbioma que se pueden encontrar en diversos órganos humanos, que pueden facilitar el estudio in vitro de la función del microbioma humano en la organización de la salud y la enfermedad.
El intestino humano alberga una matriz sorprendentemente diversa de especies microbianas (<1.000 especies) y un enorme número de células microbianas (10 veces más que las células huésped humanos) y genes (100 veces más que el genoma humano) 1. Estos microbiomas humanos juegan un papel clave en el metabolismo de nutrientes y xenobióticos, la regulación de la respuesta inmune, y el mantenimiento de la homeostasis intestinal 2. No es sorprendente, teniendo en cuenta estas diversas funciones, el microbioma intestinal comensal modula ampliamente la salud y la enfermedad 3. Por lo tanto, la comprensión del papel de microbioma intestinal y huésped-microbio interacciones son de gran importancia para promover la salud gastrointestinal (GI) y explorar nuevas terapias para los trastornos intestinales 4. Sin embargo, los modelos existentes en el intestino in vitro (por ejemplo, cultivos estáticos) restringir el co-cultivo de acogida-microbioma de un corto período de tiempo (<1 día) debido a un crecimiento excesivo de células microbianas y comprometen la barrera intestinalFunción 5. Modelos animales sustitutos (por ejemplo, libre de gérmenes 6 o ingeniería genética ratones 7) tampoco se utilizan comúnmente para estudiar anfitrión-gut microbioma diafonía porque la colonización y el mantenimiento estable del microbioma intestinal humana son difíciles.
Para superar estos desafíos, recientemente desarrollamos un ser humano biomimético "Gut-on-a-Chip" sistema de microphysiological (Figura 1A, izquierda) para emular las interacciones huésped-microbioma intestinal que se producen en el intestino humano vivo 5,8. El microdispositivo gut-on-a-chip contiene dos canales de microfluidos paralelas separadas por una, porosa, matriz extracelular flexible (ECM) de la membrana recubierta revestido por epitelio intestinal humano células Caco-2, imitando la interfaz de tejido lumen capilar intestinal (Figura 1A , derecha) 9. deformaciones rítmicos cíclicos de vacío impulsada inducen deformaciones mecánicas fisiológicos que imitan cambios normalmente Induccado por el peristaltismo (Figura 1A, derecha). Curiosamente, cuando se cultivan células Caco-2 en el a-chip gut-on-durante más de 100 horas, se forman espontáneamente en tres dimensiones (3D) vellosidades intestinales con uniones estrechas, bordes en cepillo apical, células proliferativas limitados a criptas basales, la producción de moco, aumento de la actividad de metabolización de fármaco (por ejemplo, el citocromo P450 3A4, CYP3A4), y la glucosa mejorada de la recaptación de 8. En este microambiente 'libre de gérmenes', fue posible co-cultivo el Lactobacillus rhamnosus GG probiótico o una formación terapéutico de una mezcla bacteriana probiótica con las células epiteliales de acogida para un máximo de dos semanas 5,10.
En este estudio, se describe el protocolo detallado para llevar a cabo anfitrión-gut microbioma co-cultivo en el dispositivo gut-on-a-chip para un periodo prolongado. Además, se discuten los problemas y retos críticos potenciales para ser considerado para una amplia aplicación de este alojamiento microbioma-co-cultivo protocolo.
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1. La microfabricación de un dispositivo Gut-on-a-chip
Nota: El a-chip gut-en-es un dispositivo de microfluidos hecho por, polímero de silicona permeable al gas transparente (polidimetilsiloxano, PDMS), que contiene dos microcanales paralelos (1 mm de ancho x 150 m de altura x 1 cm de longitud) separados por una flexibilidad porosa (10 micras de diámetro de poro, de 25 micras de poro de separación de poro) PDMS membrana de 5,9. Fabricar el (Figura 1A, izquierda) gut-on-a-chip siguiendo los pasos que se indican.
2. Crecimiento de micromotorEred intestinal Villi en el dispositivo Gut-on-a-chip
3. Host-gut microbioma Co-cultivo en un Microdevice Gut-on-a-chip
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Para emular el ecosistema anfitrión-microbioma intestinal humano in vitro, es necesario desarrollar un protocolo experimental para reconstituir el estable a largo plazo co-cultivo de las bacterias intestinales y células epiteliales intestinales humanas en condiciones fisiológicas como la mecánica peristaltismo similar y el flujo de fluido. Aquí, utilizamos un microdispositivo biomimético gut-on-a-chip (Figura 1A) para co-cultivo de células ...
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La comprensión de las interacciones huésped-microbioma es fundamental para el avance de la medicina; Sin embargo, los modelos de cultivo celular tradicionales realizadas en un plato de plástico o una placa estática no apoyan la estable co-cultivo de células intestinales humanas con microbios intestinales vida de más de 1-2 días porque las células microbianas en su mayoría crecen en exceso las células de mamífero in vitro. La población microbiana overgrowing consume rápidamente oxígeno y nutrientes, produciendo ...
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Donald E. Ingber es fundador de Emulate Inc., tiene acciones en la compañía y preside su Junta Asesora Científica. Los otros autores no tienen divulgaciones financieras.
Agradecemos a Sri Kosuri (Instituto Wyss de la Universidad de Harvard) por proporcionar la cepa de E. coli marcada con GFP. Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa bajo el Acuerdo de Cooperación Número W911NF-12-2-0036, la Administración de Alimentos y Medicamentos bajo contrato #HHSF223201310079C y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard. Los puntos de vista y conclusiones contenidos en este documento son los de los autores y no deben interpretarse como representativos de las políticas oficiales, ya sean expresas o implícitas, de la Oficina de Investigación del Ejército, el Laboratorio de Investigación del Ejército, la Administración de Alimentos y Medicamentos o el Gobierno de los EE. UU. El Gobierno de los EE. UU. está autorizado a reproducir y distribuir reimpresiones para fines gubernamentales, a pesar de cualquier anotación de derechos de autor en este documento.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) que contiene 25 mM de glucosa y 25 mM HEPES | Gibco | 10564-011 | Caliéntalo a 37 ° C en un baño de agua. |
| Difco Lactobacilos MRS caldo | BD | 288120 | Funciona el autoclave a 121 ° C durante 15 min. |
| Poly(dimetilsiloxano) | Dow Corning | 3097358-1004 | 15:1 (w/w), PDMS : agente curativo |
| Caco-2BBE línea de carcinoma colorrectal humano Centro de | Enfermedades Digestivas | de Harvard Adenocarcinoma colorrectal humano | |
| FBS inactivado por calor | Gibco | 10082-147 | 20% (v/v) en DMEM |
| Penicilina-estreptomicina-glutamina | Gibco | 10378-016 | Dilución 1/100 en DMEM |
| 4′,6-Diamidino-2-fenilindol diclorhidrato Sondas | moleculares | D1306 | Tinción de núcleos |
| Conjugado con faloidina-CF647 (25 unidades/ml) | Biotium | 00041 | Tinción |
| Sistema de tensión Flexcell FX-5000 | Flexcell International Corporation | FX5K | Movimiento de trenzado similar al peristaltismo (10% de deformación celular, frecuencia de 0,15 Hz) |
| Microscopio de epifluorescencia invertida | Zeiss | Axio Observer Z1 | Imaging, DIC |
| Microscopio confocal de barrido | Leica | DMI6000 | Imaging, fluorescencia |
| UVO Cleaner | Jelight Company Inc | 342 | Activación superficial del colágeno tipo I del chip intestinal |
| Gibco | A10483-01 Componente de | matriz extracelular para cultivo celular en el chip | |
| Matrigel | BD | 354234 Componente de matriz extracelular para cultivo celular en chip | |
| Jeringa desechable de 1 ml | BD | 309628 | Inyección de células y medios |
| 25 G Aguja de 5/8 | BD | 329651 | Inyección de células y medios |
| Bomba de jeringa Braintree | Scientific Inc. | BS-8000 | Equipo de inyección en el chip |
| VSL#3 | Sigma-Tau Pharmaceuticals | 7-45749-01782-6 | Una formulación de 8 microbios intestinales comensales diferentes |
| Medio Clostridial reforzado | BD | 218081 | Medio de cultivo de bacterias anaeróbicas |
| Sistema de contenedores anaerobios GasPak EZ con indicador | BD | 260001 | Sobre generador de gas anaeróbico |
| Paraformaldehído al 4% | microscopía electrónica | 157-4-100 | Fijación de las células para la tinción |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Permeabilización de las células |
| Albúmina sérica bovina | Sigma-Aldrich | A7030 | Agente bloqueante para la tinción de las células |
| Tratador de corona | Productos electrotécnicos | BD-20AC | Generador de plasma para la fabricación del chip |
| Steriflip | Millipore | SE1M003M00 | Desgasificación de todo el medio de cultivo |
| Hemocitómetro desechable | iNCYTO | DHC-N01 | Para el recuento manual de células |
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