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Research Article
Ravian L. van Ineveld*1,2,3, Hendrikus C.R. Ariese*1,2,3, Ellen J. Wehrens1,2,3, Johanna F. Dekkers*1,2,3,4, Anne C. Rios*1,2,3
1Princess Máxima Center for Pediatric Oncology, 2Department of Cancer Research, Oncode Institute,Hubrecht Institute-KNAW Utrecht, 3Cancer Genomics Center (CGC), 4Hubrecht Institute,Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences (KNAW) and University Medical Center (UMC) Utrecht
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Toute la structure 3D et la teneur cellulaire des organoïdes, ainsi que leur ressemblance phénotypique avec le tissu d’origine peuvent être capturés à l’aide du protocole d’imagerie 3D à résolution unicellulaire décrit ici. Ce protocole peut être appliqué à un large éventail d’organoïdes variant dans l’origine, la taille et la forme.
La technologie organoïde, la culture in vitro 3D de tissus miniatures, a ouvert une nouvelle fenêtre expérimentale pour les processus cellulaires qui régissent le développement et la fonction des organes ainsi que la maladie. La microscopie de fluorescence a joué un rôle majeur dans la caractérisation de leur composition cellulaire en détail et en démontrant leur similitude avec le tissu dont ils proviennent. Dans cet article, nous présentons un protocole complet pour l’imagerie 3D haute résolution des organoïdes entiers sur l’étiquetage immunofluorescent. Cette méthode est largement applicable pour l’imagerie des organoïdes dont l’origine, la taille et la forme diffèrent. Jusqu’à présent, nous avons appliqué la méthode aux voies respiratoires, au côlon, aux reins et aux organoïdes hépatiques dérivés de tissus humains sains, ainsi qu’aux organoïdes de tumeur mammaire humaine et aux organoïdes de la glande mammaire de souris. Nous utilisons un agent de compensation optique, FUnGI, qui permet l’acquisition d’organoïdes 3D entiers avec la possibilité de quantification unicellulaire des marqueurs. Ce protocole de trois jours de la récolte d’organoïdes à l’analyse d’image est optimisé pour l’imagerie 3D à l’aide de la microscopie confocale.
L’avancement de nouvelles méthodes de culture, telles que la technologie organoïde, a permis la culture des organes dans un plat1. Les organoïdes se développent en structures tridimensionnelles (3D) qui ressemblent à leurs tissus d’origine car ils préservent les traits phénotypiques et fonctionnels. Les organoïdes sont maintenant essentiels pour aborder les questions biologiques fondamentales2, la modélisation des maladies, y compris le cancer3, et l’élaboration de stratégies de traitement personnalisées4,5,6,7. Depuis le premier protocole pour générer des organoïdes dérivés de cellules souches intestinales adultes8, la technologie organoïde s’est étendue pour inclure un large éventail de tissus sains et cancéreux dérivés d’organes, y compris la prostate9, cerveau10, foie11,12, estomac13, sein14,15, endomètre16, glande salivaire17, goût bourgeon18, pancréas19, et rein20.
Le développement des organoïdes a conséci avec l’essor de nouvelles techniques de microscopie volumétrique qui peuvent visualiser l’architecture du tissu de montage entier en 3D21,22,23,24. L’imagerie 3D est supérieure à l’imagerie traditionnelle de section tissulaire 2D dans la visualisation de l’organisation complexe des spécimens biologiques. L’information 3D s’avère essentielle pour comprendre la composition cellulaire, la forme cellulaire, les décisions relatives au destin cellulaire et les interactions cellule-cellule d’échantillons biologiques intacts. Les techniques de sectionnement optique non destructive, telles que la microscopie à balayage laser confocale ou multi-photon (CLSM et MLSM) et la microscopie de fluorescence des feuilles lumineuses (LSFM), permettent maintenant la visualisation combinée des deux détails fins, ainsi que l’architecture générale des tissus, au sein d’un seul spécimen biologique. Cette approche d’imagerie puissante offre l’occasion d’étudier la complexité structurelle qui peut être modélisée avec des organoïdes25 et de cartographier la distribution spatiale, l’identité phénotypique et l’état cellulaire de toutes les cellules individuelles composant ces structures 3D.
Récemment, nous avons publié un protocole détaillé pour l’imagerie 3D haute résolution des organoïdes fixes et effacés26. Ce protocole est spécifiquement conçu et optimisé pour le traitement des structures organoïdes délicates, par opposition aux méthodologies pour les grands tissus intacts tels que DISCO27,28, CUBIC29,30,31, et CLARITY32,33. En tant que telle, cette méthode est généralement applicable à une grande variété d’organoïdes dont l’origine, la taille, la forme et le contenu cellulaire diffèrent. En outre, par rapport à d’autres protocoles d’imagerie volumétrique qui nécessitent souvent beaucoup de temps et d’efforts, notre protocole est peu exigeant et peut être complété dans les 3 jours. Nous avons appliqué notre protocole d’imagerie 3D pour visualiser l’architecture et la composition cellulaire des systèmes organoïdes nouvellement développés dérivés de divers tissus, y compris les voies respiratoires humaines34, rein20, foie11, et les organoïdes du cancer du sein humain15. En combinaison avec le traçage de lignée fluorescente multicolore, cette méthode a également été utilisée pour révéler la biopotence des cellules basales dans les organoïdes mammaires de souris14.
Ici, nous affinons le protocole en introduisant l’agent de compensation non toxique FUnGI35. Le déblaiement FUnGI est réalisé en une seule étape d’incubation, est plus facile à monter en raison de sa viscosité et préserve mieux la fluorescence pendant le stockage. En outre, nous introduisons le sulfate de dodécyl de sodium (SDS) dans le tampon de lavage pour améliorer les colorations nucléaires ainsi qu’une méthode de montage à base de silicone pour faciliter la préparation des diapositives avant la microscopie. La figure 1 donne une vue d’ensemble graphique du protocole (figure 1A)et des exemples d’organoïdes à image 3D (figure 1B−D). En bref, les organoïdes sont récupérés à partir de leur matrice 3D, fixe et immunoétique, optiquement effacé, photographié à l’aide de la microscopie confocale, puis 3D rendu avec un logiciel de visualisation.
L’utilisation d’organoïdes dérivés de souris était conforme aux normes réglementaires et a été approuvée par le Comité d’éthique animale de l’Institut Walter and Eliza Hall (WEHI). Tous les échantillons d’organoïdes humains ont été prélevés dans des biobanques par l’intermédiaire de la technologie organoïde Hubrecht (HUB, www.hub4organoids.nl). Les autorisations ont été obtenues par le Comité d’éthique médicale de l’UMCU de l’UMRECH de l’UMRECH de l’UMRECH de l’UMRECH de l’UMRECH de l’UMRE de l’UMCU de l’UMCU de l’UMCU de l’UMCU de l’UMCU de l’UMCU de l’UMCU afin d’assurer le respect de la Loi néerlandaise sur la recherche médicale impliquant des sujets humains et le consentement éclairé a été obtenu des donateurs le cas échéant.
1. Préparation des réactifs
2. Récupération organoïde
REMARQUE : Les étapes suivantes s’appliquent aux organoïdes cultivés dans l’extrait de membrane de sous-sol (BME) qui ont été cultivés dans une plaque de 24 puits d’une taille de 100−500 μm .
3. Fixation et blocage
4. Immunolabeling
5. Dégagement optique des organoïdes
6. Préparation de diapositives pour l’imagerie confocale
7. Acquisition et traitement d’images
L’imagerie des organoïdes en 3D permet la visualisation de l’architecture, la composition cellulaire ainsi que les processus intracellulaires en détail. La technique présentée est peu exigeante et peut vraisemblablement être appliquée à un large éventail de systèmes organoïdes qui sont dérivés de divers organes ou espèces hôtes.
La force de l’imagerie 3D par rapport à l’imagerie 2D est illustrée par des images d’organoïdes de la glande mammaire de souris qui ont été générés à l’aide de méthodes récemment publiées14. La couche centrale de ces organoïdes se compose de cellules luminales en forme de colonne K8/K18 et la couche externe contient des cellules basales k5 postives allongées (Figure 2A), qui récapitule la morphologie de la glande mammaire in vivo. Cette organisation polarisée est difficile à apprécier à partir d’une section optique 2D de ce même organoïde (Figure 2B, panneau intermédiaire). Un autre exemple d’une structure complexe impossible à interpréter sans information 3D est le réseau de canaliculi MRP2-positif qui facilitent la collecte du liquide biliaire des organoïdes du foie humain11 (Figure 2B). Cela illustre comment notre méthode permet la visualisation des caractéristiques structurelles essentielles des organoïdes. De plus, la qualité et la résolution obtenues permettent une segmentation semi-automatisée et une analyse d’image. Ainsi, le nombre total de cellules et la présence de marqueurs peuvent être quantifiés dans des sous-types cellulaires spécifiques dans des organoïdes entiers. Nous l’illustrons en segmentant les noyaux d’un organoïde entier contenant 140 cellules, dont 3 cellules affichent une forte positivité pour le marqueur du cycle cellulaire Ki67 (Figure 2C). Le canal DAPI est choisi comme canal source, et les segments sont générés sur la base d’une étape de seuil d’intensité et d’un diamètre de sphère de 10 μm. Les objets touchants sont divisés par région qui poussent à partir de points de semence. Enfin, un filtre de taille de 10 voxels est appliqué pour supprimer les petits segments induits par le bruit. Pour chaque segment représentant un noyau, l’intensité moyenne du canal Ki67 est ensuite exportée pour le traçage.
Nous avons récemment développé l’agent de compensation optique FUnGI35, que nous avons maintenant intégré dans ce protocole pour affiner la transparence des organoïdes. FUnGI est facile à utiliser, car la compensation est facilement réalisée par une seule étape d’incubation après la coloration immunofluorescente. Un avantage supplémentaire de l’agent est sa viscosité, ce qui le rend plus facile pour la manipulation de l’échantillon pendant le montage de diapositives. Les échantillons fluorescents de FUnGI préservent leur fluorescence même lorsqu’ils sont stockés pendant plusieurs mois à -20 °C. Nous démontrons que FUnGI surpasse l’intensité de fluorescence non claire et le fructose-glycérol dans la qualité du signal fluorescent profondément dans l’organoïde (figure 3A,B),et que les organoïdes effacés par FunGI ont globalement augmenté l’intensité de fluorescence par rapport aux organoïdes non clairs (Figure 3C).
En résumé, nous décrivons une technique d’imagerie 3D peu exigeante et reproductible pour l’acquisition de données volumétriques d’organoïdes immunolabeled. Ce protocole peut être facilement utilisé pour l’image d’une variété d’organoïdes, y compris ceux de souris et d’origine humaine, à partir de modèles sains et de la maladie. La préparation simple de l’échantillon peut être adaptée pour faciliter les microscopes fluorescents confocal, multi-photon et de feuille de lumière afin d’obtenir une résolution cellulaire à subcellulaire d’organoïdes entiers.

Figure 1 : Vue d’ensemble schématique du protocole d’imagerie 3D haute résolution. Les organoïdes sont récupérés de leur matrice 3D. La fixation et le blocage sont effectués avant l’immunolabeling avec des anticorps et des colorants. Le déblaiement optique est réalisé en une seule étape à l’aide de l’agent de compensation FUnGI. Le rendu 3D des images peut être effectué à l’aide d’un logiciel d’imagerie. (A) Vue d’ensemble schématique de la procédure. (B) Image confocale 3D de montage entier dégagée d’un immunolabeled organoïde du côlon humain pour F-actin et E-cadhérine (E-cad) (objectif d’huile 25x). Barre d’échelle = 40 μm. (C) Image confocale 3D de montage entier effacée. Barre d’échelle = 20 μm. (D) Section optique agrandie d’un immunolabeloïde organoïde du côlon humain pour F-actin, E-cadhérine (E-cad) et Ki67 (objectif d’huile 25x). Barre d’échelle = 5 μm. Ce chiffre a été modifié par Dekkers et coll.26. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : L’imagerie volumétrique visualise une architecture 3D complexe. Images confocales représentant des ensembles de données 3D à monture entière (panneau gauche), des sections optiques 2D (panneau central) et des zones 3D d’une région élargie (panneau de droite). (A) Un organoïde dérivé d’une seule cellule basale de la glande mammaire de souris illustrant l’organisation 3D des cellules basales mammaires allongées qui entourent les cellules luminales ou étiquetées pour K8/18, K5 et F-actin (compensation fructose-glycérol; objectif d’huile 25x). Les barres d’échelle représentent 55 μm (panneau gauche) et 40 μm (panneaux du milieu et de la droite). (B) Un organoïde de foie foetal humain avec un réseau 3D complexe de canaliculi MRP2-positif, étiqueté pour DAPI, MRP2 et F-actin (compensation de fructose-glycérol ; objectif d’huile 40x). Les barres d’échelle représentent 25 μm (panneau gauche) et 8 μm (panneaux du milieu et de la droite). (C) Image confocale 3D de montage entier d’un organoïde de foie foetal humain étiqueté avec DAPI et Ki67 (panneau gauche) et une image segmentée sur le canal DAPI utilisant le logiciel d’imagerie (panneau du milieu). Barre d’échelle = 15 μm. Graphique tracé représentant l’intensité moyenne du Ki67 dans toutes les cellules (segmentées par DAPI) de l’organoïde entier (140 cellules) (panneau droit). Ce chiffre a été modifié par Dekkers et coll.26. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Compensation optique des organoïdes avec FUnGI. (A) Images représentatives d’organoïdes du côlon humain étiquetés avec F-actin (vert) et DAPI (gris) et photographiés sans compensation, effacés avec du fructose-glycérol ou effacés avec FUnGI (objectif d’huile 25x). Panneau gauche : rendu 3D de l’organoïde. Panneau droit : section optique de l’organoïde à 150 μm de profondeur. Pour l’état de « non-compensation », la luminosité de l’image a dû être augmentée par rapport aux conditions « fructose-glycérol » et « FUnGI » pour visualiser l’organoïde. Barre d’échelle = 50 μm. (B) Ajustement de régression non linéaire montrant la diminution de l’intensité de DAPI avec l’augmentation de la profondeur Z pour différentes méthodes de compensation optique. Les valeurs représentent des intensités de cellules individuelles détectées par segmentation DAPI et sont normalisées à l’intensité moyenne de dapi des 50 premiers μm de l’organoïde. Pour éviter la sous-estimation de l’atténuation causée par des cellules plus brillantes sur les bords plus profonds et les structures en herbe, seules les régions centrales des organoïdes ont été analysées. (C) Trois organoïdes par condition de taille et de profondeur similaires vers le couvercle ont été photographiés à l’aide de réglages de microscope identiques. Les ensembles de données 3D complets étaient segmentés en une seule cellule sur le signal DAPI à des fins de comparaison. Graphique à barres montrant l’intensité moyenne des DAPI avec différentes méthodes de compensation sur les ensembles de données segmentés complets. Les données sont représentées comme moyennes ± SD. Les valeurs sont des intensités de >3800 cellules individuelles détectées par segmentation DAPI. = p < 0,0001, test Kruskal-Wallis avec les tests post-hoc de comparaison multiple à deux faces de Dunn. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les auteurs n’ont rien à révéler.
Toute la structure 3D et la teneur cellulaire des organoïdes, ainsi que leur ressemblance phénotypique avec le tissu d’origine peuvent être capturés à l’aide du protocole d’imagerie 3D à résolution unicellulaire décrit ici. Ce protocole peut être appliqué à un large éventail d’organoïdes variant dans l’origine, la taille et la forme.
Nous sommes très reconnaissants pour le soutien technique du Princess Máxima Center for Pediatric Oncology et de l’Institut Hubrecht et de Zeiss pour le soutien et les collaborations en imagerie. Toute l’imagerie a été réalisée au centre d’imagerie Princess Máxima. Ce travail a été soutenu financièrement par le Princess Máxima Center for Pediatric Oncology. JFD a reçu le soutien d’une bourse mondiale Marie Curie et d’une subvention de la VENI de l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO). L’ACR a reçu le soutien d’une subvention de départ du Conseil européen (CER).
| Tubes à centrifuger safe-lock de 1,5 ml | Eppendorf | EP0030 120.094 | |
| Tubes à centrifuger safe-lock de 2 ml | Eppendorf | EP0030 120.094 | |
| Albumine sérique bovine (BSA) | Sigma Aldrich | A3059 | |
| Solution de récupération cellulaire | Corning | 354253 | |
| Microscope confocal | Zeiss | LSM880 | |
| Logiciel de microscope confocal ZEN | Zeiss | ZEN noir/bleu | |
| Tubes coniques 15 ml | Greiner Bio-One | 5618-8271 | |
| Coverglass #1.5 24x60mm | Menzel-Glazer | G418-15 | |
| Coverglass #1.5 48x60mm | ProSciTech | G425-4860 | |
| DAPI | ThermoFisher | D3571 | dilution 1:1000 |
| Dissection Stéréomicroscope | Leica | M205 FA | |
| Ruban adhésif double face 12,7 mm 6,35 m | Scotch 3M | ||
| Dulbecco’s Phosphate-bufferd Saline (DPBS) | Gibco | 14190144 | 1x |
| EDTA | Invitrogen | 15576-028 | |
| Focus Clear | CelExplorer | FC-101 | |
| Fructose | Sigma Aldrich | F0127 | |
| Rampe au glycérol | 76050771.0500 | ||
| Pipettes de transfert graduées | Samco | 222-15 | |
| Secoueur horizontal | VWR | 444-2900 | |
| Acide chlorhydrique (HCl) | Ajax Firechem. | 265.2.5L-PL | 10M solution mère, logiciel Imaris corrosif |
| Lames de microscope | Bitplane | Superfrost ThermoFisher 10143352 bord du sol, 90 degrés 26 mm ~ 76 mm | |
| Paraformaldéhyde | Sigma Aldrich | P6148-500g | |
| Phalloïdine dangereuse Alexa Fluor 647 | ThermoFisher | A22287 | dilution 1:100-200 |
| E-cadhérine | ThermoFisher | 13-1900 | dilution 1:400 |
| Ki-67 | BD Biosciences | B56 | dilution 1:200 |
| Kératine 5 | BioLegend | 905501 | dilution 1:500 |
| Kératine 8/18 | DSHB (Université de l’Iowa) | dilution 1:200 | |
| MRP2 | Abcam | ab3373 | dilution 1:50 |
| Secondaire Rat IgG (H+L) Alexa Fluor 488 | ThermoFisher | A-21208 | dilution 1:500 |
| IgG secondaires de souris (H+L) Alexa Fluor 555 | ThermoFisher | A-31570 | dilution 1:500 |
| IgG secondaires de lapin (H+L) Alexa Fluor 555 | ThermoFisher | A-31572 | dilution 1:500 |
| Mastic silicone | Griffon | S-200 | |
| Dodécylsulfate de sodium | ThermoFisher | 28312 | |
| Pastilles d’hydroxyde de sodium (NaOH) Merck | Millipore | 567530 | 10 M solution mère, corrosive |
| Plaques de culture cellulaire | en suspension Greiner Bio-One | 662102 | 24 puits |
| Tris | Fisher Scientific | 11486631 | |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8532 | Hazardous |
| Tween-20 | Sigma Aldrich | P1379 | |
| Station de travail UltraPure à faible point de fusion (LMP) Agarose | ThermoFisher | 16520050 | |
| Urea | Sigma Aldrich | 51456 | |
| Dell |