Este protocolo describe un método definido basado en hidrogel para generar organoides mamarios humanos que recapitulan características clave de la morfogénesis mamaria en un sistema de cultivo tridimensional controlado.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
* These authors contributed equally
Este protocolo describe un método definido basado en hidrogel para generar organoides mamarios humanos que recapitulan características clave de la morfogénesis mamaria en un sistema de cultivo tridimensional controlado.
El desarrollo de sistemas modelo humanos fisiológicamente relevantes que recapitulen la arquitectura tisular y la dinámica del estado celular sigue siendo un gran desafío en el estudio del desarrollo mamario y los primeros eventos en la carcinogénesis. Los cultivos bidimensionales convencionales y muchos sistemas tridimensionales no logran captar la organización estructural y las señales microambientales que definen la glándula mamaria humana. Aquí describimos un método reproducible para generar organoides mamarios humanos tridimensionales a partir de células epiteliales primarias incrustadas en una matriz hidrogel definida compuesta por colágeno tipo I, laminina, fibronectina y ácido hialurónico. Este sistema apoya la progresión de células individuales a través de etapas clave de la morfogénesis mamaria, incluyendo la expansión de los progenitores, el patrón epitelial y la formación de estructuras terminales en forma de unidad lobular ductal, así como la aparición de un compartimento similar a mesénquima, durante un periodo de cultivo de 21 días. Ofrecemos un protocolo paso a paso para la preparación de hidrogel, la siembra celular y las condiciones de cultivo. El método es compatible con imágenes de alto contenido y análisis cuantitativo del número de organoides, la distribución de tamaño y la complejidad arquitectónica. Esta plataforma permite estudios mecanicistas de la plasticidad epitelial y las perturbaciones ambientales, proporcionando un sistema escalable y biológicamente relevante para investigar los cambios tempranos a nivel de tejido asociados al riesgo de cáncer de mama.
Comprender el desarrollo de las glándulas mamarias humanas y los primeros eventos que predisponen el tejido a la transformación maligna requiere sistemas experimentales que recapitulen fielmente la arquitectura tisular, la jerarquía celular y la señalización microambiental. Aunque las culturas epiteliales bidimensionales han proporcionado importantes conocimientos mecanicistas, carecen del contexto estructural necesario para modelar la organización epitelial y lamorfogénesis 1. Los sistemas de cultivo tridimensionales existentes, incluidos los basados en extractos de membrana basal, han avanzado en el campo pero siguen limitados por la composición variable, el control incompleto sobre los componentes de la matriz extracelular y el soporte inconsistente de la arquitectura tisularde orden superior. Además, muchos sistemas organoides basados en extractos de membrana basal están limitados por su incapacidad para soportar consistentemente la aparición de una organización similar a tejido1. En particular, muchos sistemas dependen de componentes estromales exógenos en lugar de permitir el desarrollo endógeno de microambientes de soporte, limitando así su capacidad para modelar las interacciones epitelial-mesenquimales, que son centrales para el desarrollo tisular y la enfermedad. Estas limitaciones restringen el estudio reproducible de los procesos del desarrollo, la plasticidad epitelial y los efectos de perturbaciones ambientales o moleculares en la organización tisular.
Para abordar estas limitaciones, desarrollamos un modelo tridimensional definido de organoides mamarios humanos basado en hidrogel que permite a las células epiteliales primarias generar estructuras organizadas dentro de una matriz extracelulardefinida 2,3,4,5,8. El hidrogel está compuesto por colágeno tipo I, laminina, fibronectina y ácido hialurónico, componentes seleccionados según sus roles establecidos en el desarrollo de las glándulas mamarias y la morfogénesis epitelial. Estas moléculas de la matriz extracelular interactúan con receptores celulares distintos, incluyendo integrinas, receptores de dominio discoidin, CD44 y RHAMM, y se sabe que regulan la polaridad epitelial, la morfogénesis ramificada, el mantenimiento de células madre, la mecanotransducción y la organización tisular en la glándula mamaria 6,7. Estudios previos que describían este sistema hidrogel demostraron que la incorporación de estos componentes de la matriz extracelular mejoró notablemente la morfogénesis ductal-lobular y la maduración epitelial en comparación con condiciones basadas solo en colágeno o basadas enmatrigeles. Además, las propiedades físicas de esta formulación de hidrogel se caracterizaban previamente por microscopía de fuerza atómica, demostrando que el hidrogel de matriz extracelular compuesta presentaba menor rigidez y aumento de la hinchazón en comparación con los geles solo de colágeno (módulo de Young: 256,7 ± 20,0 Pa frente a 559,2 ± 204,0 Pa, respectivamente), consistente con un entorno de matriz más blando ehidratado 8.
Es importante destacar que este modelo apoya la aparición de un compartimento similar a un mesenquima que surge junto a las estructuras epiteliales, proporcionando un soporte estructural y de señalización endógeno que refleja más de cerca la organización tisularnativa 3. La relevancia fisiológica de este sistema hidrogel ha sido evaluada mediante comparaciones directas con cultivos organoides convencionales basados en matrigel, utilizando análisis morfológicos y transcriptómicos. Estudios anteriores demostraron que los cultivos de hidrogel apoyaban una formación de tejido ductal-lobular más organizada y una diferenciación multilineal que los cultivos basados en Matrigel, al tiempo que preservaban la respuestahormonal 8. Más recientemente, análisis integrados de secuenciación de ARN unicelular comparando organoides derivados de hidrogel, organoides cultivados en Matrigel y tejido mamario humano primario demostraron que los organoides cultivados en hidrogel recapitulan con mayor fidelidad la jerarquía epitelial, la diversidad celular y las interacciones epitelio-mesenquimales presentes en el tejido mamario humanonativo 3. En contraste, los organoides cultivados en Matrigel se enriquecieron para estados basales híbridos proliferativos y carecieron de poblaciones similares a estromas, lo cual era compatible con el autoensamblaje epitelial en lugar de la organogénesis dirigida.
El protocolo descrito aquí proporciona un método reproducible y escalable para generar organoides a partir de tejido humano primario, con pasos opcionales para la depleción y disociación de fibroblastos a células individuales. Debido a que esta plataforma es compatible con imágenes en vivo, imágenes de alto contenido, análisis morfométrico cuantitativo, seguimiento celular y estudios de perturbación genética, puede integrarse con enfoques posteriores que evalúan el número de organoides, tamaño, arquitectura y dinámica de crecimiento. Por tanto, esta plataforma proporciona un sistema biológicamente relevante para estudiar el desarrollo mamario humano, la plasticidad epitelial, las interacciones epitelial-microambiente y las respuestas a nivel tisular ante perturbaciones del desarrollo, moleculares o ambientales.
En la Figura 1 se ofrece una visión esquemática del flujo de trabajo, incluyendo procesamiento de tejidos, preparación de hidrogeles, cultivo de organoides, progresión del desarrollo y análisis posteriores, mientras que las morfologías organoides representativas generadas con esta plataforma se muestran en la Figura 2.

Figura 1. Visión general del flujo de trabajo de generación de organoides a base de hidrogel. (A) Diagrama de flujo que resume el flujo de trabajo del protocolo, incluyendo recogida de tejidos, procesamiento de tejidos, criopreservación, recuperación y preparación celular opcional, preparación de hidrogel, cultivo de organoides, desarrollo de organoides y aplicaciones analíticas posteriores. (B) Esquema visual que representa las principales etapas del protocolo de generación de organoides a base de hidrogel, incluyendo procesamiento y preparación de tejidos, recuperación y preparación opcional de células, preparación de hidrogel y siembra de organoides. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 2. Morfologías organoides representativas generadas en el sistema hidrogel definido. Imágenes representativas en campo claro de organoides derivadas de diferentes tejidos humanos cultivados en la matriz de hidrogel definida. Los organoides mamarios generados a partir de células epiteliales individuales derivadas de la mamoplastia reductora fueron fotografiados en el día 21 de cultivo. Los organoides xenoinjertos derivados del paciente generados a partir de fragmentos tumorales se imaginaron en el día 16 de cultivo. Los organoides de las glándulas salivales generados a partir de fragmentos epiteliales se imarjaron en el tercer día de cultivo. Los organoides renales generados a partir de fragmentos epiteliales se imagaron en el día 17 de cultivo. Barras de escala = 50 μm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Los tejidos primarios que de otro modo se habrían descartado como residuos médicos tras la cirugía se obtuvieron cumpliendo con todas las leyes pertinentes, utilizando protocolos aprobados por los comités de revisión institucional del Maine Medical Center y del Tufts Medical Center. Todos los tejidos fueron anonimizados antes de la transferencia y no se pudieron rastrear hasta pacientes específicos. Por esta razón, esta investigación obtuvo el estatus de exención por parte del Comité sobre el Uso de Humanos como Sujetos Experimentales del Instituto Tecnológico de Massachusetts y de Tufts University Health Sciences (IRB #13521). Todos los pacientes inscritos en este estudio firmaron un formulario de consentimiento informado aceptando participar en el estudio y la publicación de los resultados.
1. Procesamiento y preparación de tejidos
NOTA: Realizar todos los procedimientos relacionados con tejido humano de acuerdo con las directrices institucionales de bioseguridad y ética. Consulte los esquemas del flujo de trabajo mostrados en las Figuras 1A y 1B para una visión visual de los pasos del protocolo y del flujo de trabajo de preparación del organoide antes de comenzar el procedimiento.
2. Recuperación y preparación celular opcional
3. Preparación de hidrogel y siembra de organoides


Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
La ejecución exitosa de este protocolo da lugar a la formación de estructuras organoides tridimensionales que exhiben morfología epitelial organizada y características arquitectónicas específicas de cada tejido. Los organoides comienzan a formarse entre 3 y 7 días tras la siembra y continúan desarrollándose durante todo el periodo de cultivo. La caracterización previa de este sistema organoide hidrogel demostró la formación reproducible de organoides en múltiples donantes humanos primari...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
El protocolo descrito aquí permite la generación reproducible de organoides mamarios humanos tridimensionales dentro de un microambiente de hidrogel definido que apoya características clave de la morfogénesismamaria 3. Varios pasos son fundamentales para el éxito de este método. En primer lugar, el procesamiento tisular y la disociación enzimática deben controlarse cuidadosamente para preservar la viabilidad epitelial minimizando la sobredigestión, lo que puede re...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
C.K. es cofundador y consultor de Naveris.
Agradecemos mucho a Karla Murga, Daniela Requena y Megan Maloney del Tufts Biomedical Repository por el apoyo tisular. Esta investigación fue apoyada por la Fundación Find The Cause contra el Cáncer de Mama y el Premio Tufts CTSI NIH de Ciencia Clínica y Translacional (UM1TR0043, G.R.).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 15 mL conical tubes | VWR | 89039-664 | Tubos estériles para procesamiento de tejido y centrifugación |
| 40 μm cell strainer | VWR | 732-2757 | Dispositivo de filtración para la preparación de suspensión de células individuales |
| 40 μm cell strainer for low volumes | Bel-Art | 136800040 | Dispositivo de filtración para la preparación de suspensión de células individuales |
| Automated cell counter | Bio-Rad | 1450102 | Dispositivo utilizado para contar células y determinar la viabilidad |
| Bovine pituitary extract | Thermo Scientific | 13028014 | Suplemento para medio de células epiteliales |
| Cell counting slides | Bio-Rad | 145-0011 | Diapositivas de doble cámara utilizadas para contar células |
| Centrifuge | N/A | N/A | Se necesitan centrifugadoras de mesa/s con capacidad de velocidad de al menos 500 x g y capacidad para tubos de 15 mL y 1,5 mL. |
| Collagen I | Millipore Sigma | 08-115 | Proteína de matriz extracelular utilizada para la formación de hidrogel |
| Collagenase A | Sigma-Aldrich | 11088793001 | Enzima utilizada para la disociación de tejidos |
| Cryovials | Corning | 976171 | Viales estériles para almacenamiento criogénico de muestras |
| Culture vessels (e.g., chamber slides, multiwell plates) | Corning | 354104 354108 3603 | Platos para la deposición de hidrogel y cultivo de organoides. |
| Dimethyl sulfoxide | Millipore Sigma | 317275 | Crioprotector utilizado en medio de congelación |
| Dispase II | Roche | 4942078001 | Enzima utilizada para la disociación secundaria de tejidos |
| DNase I | Roche | 10104159001 | Enzima utilizada durante la disociación celular. |
| Fetal bovine serum | Gibco | 10437 | Suplemento de suero utilizado en medios de lavado y neutralización |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F2006 | Componente de proteína de matriz extracelular |
| GlutaMAX | Thermo Scientific | 35050061 | Suplemento para medio de células epiteliales |
| Human epidermal growth factor | Sigma-Aldrich | E9644 | Suplemento para medio de células epiteliales |
| Hydrocortisone | Sigma-Aldrich | H0888 | Suplemento para medio de células epiteliales |
| Hyaluronic acid | Millipore Sigma | 385908 | Componente de matriz extracelular para la formulación de hidrogel |
| Hyaluronidase | Sigma-Aldrich | H3506 | Enzima utilizada para la disociación de tejidos |
| Incubator | Thermo Scientific | 3598 | Dispositivo utilizado para la incubación de cultivos de tejidos |
| Insulin | Sigma-Aldrich | I9278 | Suplemento para medio de células epiteliales |
| Laminin | Gibco | 23017-015 | Componente de proteína de matriz extracelular |
| Mammary epithelial basal medium | Thermo Scientific | M171500 | Medio de crecimiento para células epiteliales |
| Microcentrifuge tubes (1.5 mL) | Thermo Scientific | 3451 | Tubos utilizados para reacciones de pequeño volumen |
| Orbital rotator | Thermo Scientific | 400110 | Rotador utilizado para la dispersión de tejidos durante la disociación enzimática |
| P1000 pipette | Gilson | P1000 | Dispositivo utilizado para mezclar y transferir volúmenes de hasta 1,000 μL |
| Penicillin-streptomycin | Thermo Scientific | 15140122 | Suplemento antibiótico para medio de células epiteliales |
| Phosphate-buffered saline | Gibco | 20012-027 | Solución tampón utilizada para lavado y enjuague |
| Precision balance | Mettler Toledo | ML303E | Balanza utilizada para pesaje de tejidos |
| Serological pipette | Nunc | 170356N | Pipeta utilizada para la recolección de células epiteliales no adherentes |
| Sodium hydroxide (1 N) | Fisher Chemical | SS261 | Reactivo utilizado para la neutralización de colágeno |
| Sterile scalpels | Bard-Parker | 372615 | Herramientas utilizadas para el picado mecánico de tejidos |
| Trypan blue solution | Gibco | 15250061 | Tinte utilizado para la evaluación de la viabilidad celular |
| Trypsin (0.25%) | Gibco | 25200056 | Reactivo enzimático utilizado para la disociación celular |
| Water bath (37 °C) | VWR | 10LA | Dispositivo utilizado para la descongelación controlada de muestras |
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.