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Research Article
Jennifer Walshe1, Najla Al Khaled Abdulsalam2, Shuko Suzuki1, Traian V. Chirila1,3,4,5,6,7,8, Damien G. Harkin1,3,4
1Queensland Eye Institute, 2King Faisal University, 3School of Biomedical Sciences, Faculty of Health,Queensland University of Technology, 4Institute of Health and Biomedical Innovation,Queensland University of Technology, 5Science and Engineering Faculty,Queensland University of Technology, 6Faculty of Medicine,University of Queensland, 7Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology,University of Queensland, 8Faculty of Science,University of Western Australia
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ce protocole décrit les étapes critiques nécessaires pour établir et cultiver les cultures endothéliales cornéennes de cellules des explants des tissus humains ou de mouton. Une méthode pour subculturing cellules endothéliales cornéennes sur les biomatériaux membranaires est également présentée.
Les cultures épithéliales de cellules endothéliales cornéennes ont tendance à subir la transition épithéliale-à-mesenchymal (EMT) après perte du contact de cellule-à-cellule. EMT est délétère pour les cellules car il réduit leur capacité à former une couche mature et fonctionnelle. Ici, nous présentons une méthode pour établir et subculper les cultures endothéliales endotales cornées humaines et breturantes qui minimisent la perte de contact de cellule à cellule. Les explants de l’endothélium cornéen/de la membrane de Descemet sont prélevés sur des cornées donneuses et placés dans la culture tissulaire dans des conditions qui permettent aux cellules de migrer collectivement sur la surface de la culture. Une fois qu’une culture a été établie, les explantations sont transférées dans des assiettes fraîches pour initier de nouvelles cultures. Dispase II est utilisé pour soulever doucement des amas de cellules des plaques de culture tissulaire pour la subculturing. Les cultures de cellules endothéliales cornéennes qui ont été établies en utilisant ce protocole sont appropriées pour le transfert aux membranes de biomatériaux pour produire des couches cellulaires tissulaires pour la transplantation dans les essais sur les animaux. Un dispositif fait sur mesure pour soutenir des membranes de biomatériau pendant la culture de tissu est décrit et un exemple d’une greffe tissulaire-engineered composée d’une couche des cellules endothéliales cornéennes et d’une couche des cellules stromal cornéennes de chaque côté d’une membrane de type de collagène I est présentée.
La cornée est un tissu transparent qui est situé à l’avant de l’œil. Il est composé de trois couches principales : une couche épithéliale sur la surface extérieure, une couche de stroma moyenne, et une couche intérieure appelée l’endothélium cornéen. L’endothélium cornéen est une monocouche de cellules qui se trouve sur une membrane de sous-sol appelée membrane de Descemet et il maintient la transparence de la cornée en régulant la quantité de liquide qui pénètre dans le stroma de l’humour aqueux sous-jacent. Trop de liquide dans le stroma provoque un gonflement cornéen, l’opacité et la perte de vision. L’endothélium est donc essentiel pour maintenir la vision.
L’endothélium cornéen peut devenir dysfonctionnel pour un certain nombre de raisons, y compris le vieillissement, la maladie et les blessures, et le seul traitement actuel est la chirurgie de transplantation. Pendant cette chirurgie, l’endothélium et la membrane de Descemet sont enlevés de la cornée du patient et remplacés par une greffe de l’endothélium et de la membrane de Descemet obtenues d’une cornée de distributeur. Beaucoup de greffes d’endothélium contiennent également une fine couche de tissu stromal pour faciliter la manipulation et l’attachement à la cornée hôte1.
Dans le monde entier, la demande de tissus de donneurs cornéens pour les chirurgies de transplantation est supérieure à la quantité qui peut être fournie par les banques oculaires2. Il y a donc eu une volonté de développer des greffes d’endothélium cornéen tissulaire qui pourraient être utilisées pour pallier ce manque à gagner3. La raison d’être de ceci est basée sur le fait qu’actuellement, l’endothélium d’une cornée individuelle ne peut être transféré à un seul patient, cependant, si les cellules endothéliales cornéennes ont été d’abord étendues et cultivées sur des échafaudages de biomatériaux dans la culture de tissu, elles pourraient être employées pour traiter plusieurs patients.
Les principaux défis qui doivent être relevés avant que les greffes d’endothélium cornéen tissulal deviennent une option réalisable pour les chirurgiens comprennent: (1) l’établissement de techniques pour l’expansion des cellules endothéliales cornéennes de haute qualité et pour la production de maturité et couches endothéliales endothéliales cornées fonctionnelles in vitro, et (2) établissant des techniques pour cultiver les cellules sur des échafaudages de biomatériaux pour produire des greffes tissulaires qui sont égales, ou meilleures que, les greffes cornées de donneur qui sont actuellement employées.
Les cellules endothéliales cornéennes ont un très faible potentiel de prolifération in vivo, mais peuvent être stimulées pour diviser in vitro4. Néanmoins, ils ont une forte tendance à subir une transition épithéliale-mésenchymale in vitro (EMT), ce qui réduit leur capacité à former une couche endothéliale fonctionnelle et mature. Les déclencheurs connus de l’EMT dans les cellules endothéliales cornéennes comprennent l’exposition à certains facteurs de croissance et la perte de contact cellule-cellule5. Il est donc presque inévitable que les cultures endothéliales endothéliales cornéennes qui sont enzymatiquement dissociées pendant la sous-culture subiront des changements associés à l’EMT. Ici, nous présentons une méthode de culture cellulaire pour les cellules endothéliales cornéennes humaines ou brebis qui est conçue pour minimiser la perturbation des contacts de cellule à cellule pendant les étapes d’isolement, d’expansion et de sous-culture, afin de réduire le potentiel d’EMT. En outre, nous démontrons comment les greffes tissulaires qui ressemblent à l’endothélium/greffes de tissu stromal de la cornée dérivée de la cornée de donneur peuvent être produites en cultivant des couches de cellules cultivées des deux côtés d’une membrane de biomatériau dans un dispositif de montage fait sur mesure.
Des cornées humaines avec le consentement des donateurs pour la recherche ont été obtenues de la Queensland Eye Bank et utilisées avec l’approbation éthique du Comité d’éthique de la recherche humaine du Metro South Hospital and Health Service (HREC/07/QPAH/048). Des cornées de mouton ont été obtenues des animaux euthanasiés au centre médical de recherche de Herston de l’université du Queensland en vertu d’un accord de partage de tissu.
1. Préparation d’outils de dissection
2. Préparation des plaques de culture moyenne et de culture tissulaire
3. Dissection d’explantation et procédure de culture cellulaire
4. Production continue de cellules endothéliales cornéennes par culture d’explantation en série
REMARQUE : Les plantes peuvent être transférées dans des plaques de culture de tissus frais après 10 jours afin d’établir d’autres cultures endothéliales endothéliales cornéennes.
5. Cultiver des cellules endothéliales cornéennes sur des couvertures en verre pour des analyses d’immunofluorescence
REMARQUE : Les cultures cellulaires qui sont destinées à être analysées à l’aide de l’immunofluorescence doivent être établies sur des couvercles en verre qui peuvent être montés sur des lames de microscope en verre suivant la procédure de coloration.
6. Sous-culture des cellules endothéliales cornéennes utilisant Dispase II
REMARQUE : Les grandes cellules fibroblastiques peuvent être sélectivement enlevées des cultures d’explantation dans les plaques de 6 puits avant de subculper utilisant cette procédure. Si toutes les cellules doivent être sous-cultivées, n’effectuez pas les étapes 6.2 à 6.4. Le but de cette procédure est de transférer les cellules dans des plaques fraîches tout en maintenant leurs contacts de cellule à cellule autant que possible. Les cellules doivent être manipulées en douceur. Les puits complètement confluents doivent être passages à un rapport de 1:2, tandis que les puits subconfluents doivent être passages à un rapport de 1:1 ou moins.
7. Croissance des couches de cellules endothéliales cornéennes sur les membranes biomatériaux
REMARQUE : La procédure suivante décrit les étapes impliquées dans le montage d’un biomatériau membranaire dans un dispositif de montage sur mesure, appelé chambre micro-Boyden, pour la culture cellulaire. Veuillez consulter notre publication récente6 pour plus d’informations sur l’appareil et pour l’achat de détails.
La méthode d’isoler et d’élargir les cellules endothéliales cornéennes des cornées humaines ou brebis est résumée dans la figure 1 et la figure 2. La plupart des explants qui sont dérivés des cornées de moutons de 1 à 2 ans ou de donneurs humains de moins de 30 ans se fixent aux plaques de culture tissulaire enduites de facteur d’attachement dans une semaine, cependant, il n’est pas rare de constater que jusqu’à un tiers des explants ne se fixent pas dans ce délai. Ces explantations « flottantes » peuvent être retirées des cultures. Les explantes provenant de donneurs humains âgés de plus de 30 ans sont moins susceptibles de s’attacher à la plaque et aussi moins susceptibles de produire des cultures cellulaires. Des images représentatives des cultures de cellules endothéliales cornéennes générées par les moutons et les explants humains sont présentées dans la figure 3 et la figure 4. Les cellules qui émergent des explants restent généralement en contact les unes avec les autres lorsqu’elles migrent sur la plaque. Ce type de migration est connu sous le nom de migration cellulaire collective, et c’est une caractéristique des cellules épithéliales7. D’ici 2 semaines de culture, des parcelles de petites cellules serrées se seront formées immédiatement à côté de beaucoup d’explants de brebis et de cornées humaines8. Ces taches de cellules ne présentent pas de caractéristiques morphologiques de l’EMT et se dilatent lentement au fil du temps. De plus grandes cellules avec des formes plus irrégulières et fibroblastiques peuvent être trouvées en dehors de ces corrections. Une fois que les cultures ont été établies, les explants peuvent être enlevés à l’aide de forceps et placés dans des assiettes fraîches pour établir de nouvelles cultures.
Les petites cellules bien emballées dans les cultures de cellules endothéliales cornéennes sont très résistantes à la digestion avec TrypLE, tandis que les plus grandes cellules fibroblastiques y sont plus sensibles. Cette différence dans la résistance de TrypLE peut être exploitée pour enlever sélectivement de grandes cellules des cultures avant de transférer les plus petites cellules à de nouvelles plaques. Des images représentatives des cultures cellulaires endothéliales cornéennes humaines tout au long du processus de subculturing à l’aide de TrypLE et Dispase II sont montrées à la figure 4.
Des analyses d’immunofluorescence peuvent être effectuées sur les cultures endothéliales cornées pour localiser des protéines spécifiques dans les cellules. Un exemple de cela est présenté dans la figure 5. Des plantes de moutons et de cornées humaines ont été placées sur des couvertures en verre enduites de facteur d’attachement dans des assiettes de 24 puits et cultivées pendant 4 semaines. Les explants ont été enlevés, puis les cultures ont été analysées à l’aide de l’immunofluorescence pour la présence de ZO-1, une protéine de jonction serrée, et N-cadherin, une protéine adhérente jonction, selon notre protocole publié9. Les mêmes anticorps anti-ZO-1 et anti-N-cadherin ont été utilisés pour les cellules ovines et humaines, et les résultats ont montré que les deux protéines ont été détectées dans les membranes plasmatiques des cellules des deux espèces. ZO-1 est normalement présent comme une bande distincte à la frontière cellulaire, mais devient faible ou absent dans les cellules subissant EMT. Par conséquent, l’expression robuste de ZO-1 dans ces cultures a indiqué que les cellules n’avaient pas subi EMT.
Nos chambres micro-Boyden sur mesure sont conçues pour suspendre une membrane biomatériau dans le puits d’une plaque de culture tissulaire de 6 puits (figure 6). La procédure de montage d’une membrane biomatériau dans une chambre micro-Boyden est montrée dans la figure 7. La conception de la chambre micro-Boyden permet aux deux côtés de la membrane suspendue à l’intérieur d’être utilisé comme surfaces de culture cellulaire simultanément. Pour démontrer cela, les cellules stromales de moutons dérivées du tissu stromal cornéen ont été enseventées à une densité de 100 000 cellules/cm2 sur un côté d’une membrane de collagène de type I, puis 24 h plus tard, la chambre a été renversée et les cellules endothéliales cornéennes ont été enseventées de l’autre côté de la membrane à une densité de 400 000cm/2. Les couches cellulaires tissulées ont été cultivées pendant 4 semaines, puis fixées avec 10% de formaline tamponnée neutre et tachées à l’aide de la phalloïde de rhodamine et du colorant nucléaire Hoechst 33342. Ils ont ensuite été examinés et photographiés à l’aide d’un microscope confocal (Figure 8). Une vue transversale de la construction de cellules tissulaires a indiqué une seule couche de cellules endothéliales cornéennes sur une surface de la membrane de collagène et une culture multi-couches des cellules stromales cornéennes sur l’autre surface.

Figure 1 : Technique d’obtention d’explants d’endothélium/membrane de Descemet à partir de cornées fraîches. (A) La cornée est placée côté endothélium vers le haut dans un plat Petri sous un microscope disséquant. (B) Fermez la vue de la zone indiquée par un rectangle rouge dans (A). Les forceps de l’horloger sont utilisés pour décoller doucement la membrane de Descemet du stroma sous-jacent. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Procédure d’établissement et d’expansion des cultures des cellules endothéliales cornéennes à partir des explants de membrane de l’endothélie/Descemet. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Images contrastées de phase représentative des cultures cellulaires endothéliales lors de l’établissement initial à partir d’explants d’endothélium cornée de moutons/membrane de Descemet. (A) Une évènement cornéen onée/descémet explante après 3 jours de culture. Les cellules endothéliales cornéennes ont commencé à migrer sur la plaque. (B) Une culture d’explantation de moutons après 1 semaine. L’explantation est entourée d’une feuille de cellules confluentes. (C) Une culture d’explantation de moutons après 2 semaines. De petites cellules entourent l’explante tandis que les cellules plus grandes sont situées plus loin. (D) Une culture d’explantation de moutons après 6 semaines. Une région de petites cellules serrées est vue à côté d’une région de plus grandes cellules. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Isolement de petites cellules endothéliales cornées humaines bien emballées pour les sous-cultures. (A) Une culture d’explantation de membrane de la membrane de l’endothélium/Descemet après 7 semaines. De nombreuses petites cellules bien emballées sont présentes à côté de l’explantation. (B) Les régions de petites cellules serrées se développent dans les cultures d’explantation humaine d’une manière similaire à celle observée dans les cultures d’explantation s’explantent chez les moutons. (C) Une culture humaine d’explantation après l’enlèvement de l’explantation et après 20 min d’exposition à TrypLE. Les petites cellules bien emballées ont conservé leur attachement à la plaque tandis que les plus grandes cellules ont flotté loin. (D) Une culture endothéliale endothéliale cornée humaine après 1 h dans Dispase II. La plupart des cellules se sont détachées de la plaque sous forme d’amas flottants. (E) Une sous-culture endothéliale endothéliale humaine de cellules cornée après 1 jour. Les cellules ont migré vers l’extérieur à partir d’amas cellulaires qui ont été isolés de la culture d’explantation d’origine. (F) Une sous-culture endothéliale endothéliale humaine de cellules cornée après 12 jours. Les cellules ont formé une monocouche confluente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Localisation des protéines ZO-1 et N-cadherin dans les membranes des cellules endothéliales de la cornée humaine et de l’homme par immunofluorescence à double étiquetage. Des cultures d’explantation smembranaire de moutons et de cornée humaines ont été établies sur des couvertures en verre enduites de facteur d’attachement et analysées après 4 semaines. Le ZO-1 (tache verte) et le N-cadherin (tache rouge) ont été détectés dans les membranes des moutons (A et B) et des cellules endothéliales cornéennes(D et E) humaines ( D et E). L’analyse des images fusionnées a révélé que les deux protéines étaient fortement co-localisées au sein des cultures (C et F). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6 : Diagramme d’une chambre micro-Boyden montré en coupe transversale. Notre chambre micro-Boyden sur mesure se compose d’une chambre haute, d’une chambre basse et d’un anneau O. Il peut être utilisé pour suspendre tout type de matériau membranaire dans une culture tissulaire bien. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7 : Procédure de montage d’une membrane biomatériau dans une chambre micro-Boyden pour la culture tissulaire. (A) L’équipement requis pour cette procédure comprend une planche à découper en polytétrafluoroéthylène, une paire de forceps, une trephine de 18 mm de diamètre, une chambre micro-Boyden sur mesure et une membrane biomatériau. (B) Utilisez la trephine pour percer un disque de la membrane biomatériau. (C) Placez l’anneau O dans la chambre supérieure du dispositif de montage, puis placez le disque biomatériau sur celui-ci. (D) Visser la chambre inférieure sur la chambre supérieure de l’appareil de montage. (E) La chambre micro-Boyden assemblée est prête à être stérilisée avec 70% d’éthanol. (F) Immerger la chambre micro-Boyden stérilisée dans le milieu de culture de tissu dans le puits d’une plaque de culture de tissu de 6 puits. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8 : Cellules endothéliales endothéliales et stromales cornéennes de mouton sur les côtés opposés d’une membrane de collagène de type I. Les cellules ont été tachées avec de la rhodamine de phalloidin pour visualiser l’actine (rouge) et Hoechst pour visualiser des noyaux (bleu). La membrane de collagène de type I n’était pas tachée et n’est donc pas visible dans ces images qui ont été recueillies à l’aide d’une microscopie confocale. (A) Un grossissement faible, vue transversale de la construction tissulaire. Une fine couche d’actine représentant une culture endothéliale cornéenne est visible sur la surface supérieure de la membrane, et une couche plus épaisse d’actine représentant une culture cellulaire stromale est présente sur la surface inférieure de la membrane. Les noyaux bleus ne sont pas représentés dans cette image. (B) En vue du visage de la couche de cellules endothéliales cornéennes montrant à la fois l’actine et la coloration des noyaux. (C) Vue de visage de la couche de cellules stromales cornéennes montrant à la fois l’actine et la coloration des noyaux. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.
Ce protocole décrit les étapes critiques nécessaires pour établir et cultiver les cultures endothéliales cornéennes de cellules des explants des tissus humains ou de mouton. Une méthode pour subculturing cellules endothéliales cornéennes sur les biomatériaux membranaires est également présentée.
Merci à Noémie Gallorini pour son aide lors de la préparation de la Figure 7. Ces travaux ont été soutenus par une subvention de projet accordée à La DH par le National Health and Medical Research Council of Australia (Project Grant 1099922), et par un financement supplémentaire reçu de la Queensland Eye Institute Foundation.
| Facteur d’attachement | Gibco | S006100 | Une solution stérile 1X contenant de la gélatine qui est utilisée pour recouvrir les surfaces de culture tissulaire. Conserver à 4 °C. |
| Extrait hypophysaire bovin | Gibco | 13028014 | Un seul flacon contient 25 mg. Congeler en aliquotes. |
| Chlorure de calcium | Merck | C5670 | Dissoudre dans HBSS pour obtenir une solution mère de 1 mM. Filtrer la stérilisation. |
| Tube à centrifuger, 50 ml | Labtek | 650.550.050 | |
| Sulfate de chondroïtine | LKT Laboratories | C2960 | Il s’agit du sulfate de chondroïtine bovine. Dissoudre dans HBSS pour obtenir une solution mère de 0,08 g/mL. Filtrer, stériliser et congeler dans des aliquotes. |
| Dispase II | Gibco | 17105-041 | Dissoudre dans le DPBS pour obtenir une solution mère de 2 mg/mL. Filtrer, stériliser et congeler dans des aliquotes. |
| Éthanol | Labtek | EA043 | L’éthanol 100 % non dénaturé doit être dilué à 70 % dans de l’eau déminéralisée pour la stérilisation des instruments et des surfaces. |
| Sérum fœtal bovin | GE Healthcare Australia Pty Ltd | SH30084.03 | Il s’agit d’une marque HyClone de sérum fœtal bovin. |
| Coverglass n° 1, & Oslash ; 13 mm | Proscitech | G401-13 | Place le couvercle stérilisé se glisse dans des plaques à 24 puits pour la culture tissulaire. |
| HBSS | Gibco | 14025-092 | Solution saline équilibrée de Hank, 1X, contenant du chlorure de calcium et du chlorure de magnésium. |
| Acide L-ascorbique 2-phosphate | Merck | A8960 | Dissoudre dans HBSS pour obtenir une solution mère de 150 mM. Filtrer la stérilisation. |
| Chambre Micro-Boyden | CNC Components Pty. Ltd. | Anneau supérieur : QUT-0002-0006, Anneau de base : QUT-0002-0007 | Les deux composants sont en polytétrafluoroéthylyne (PTFE). |
| Joint torique pour micro-chambre Boyden | Ludowici Sealing Solutions | RSB012 | Composé de caoutchouc de silicone. |
| Opti-MEM 1 (1X) + GlutaMAX-1 | Gibco | 51985-034 | Un milieu sérique réduit contenant de la glutamine. |
| DPBS | Gibco | 14190-144 | Solution saline tamponnée au phosphate de Dulbecco, 1X, sans chlorure de calcium ni chlorure de magnésium. |
| Pen Strep | Gibco | 15140-122 | Une solution antibiotique 100X contenant 10 000 unités/ml de pénicilline et 10 000 µ ; g/mL de streptomycine. |
| Boîte de Pétri | Sarstedt | 82.14473.001 | Boîte de Pétri stérile, 92 X 16 mm, pour dissections de tissus. |
| Plaque de culture tissulaire, 24 puits | Corning Incorporated | Costar 3524 | Une plaque contenant 24 puits, chacun d’une surface de 2 cm2. |
| Plaque de culture tissulaire, 6 puits | Corning Incorporated | Costar 3516 | Une plaque contenant 6 puits, chacun d’une surface de 9 cm2. |
| TrypLE Select | Gibco | 12563-011 | Une solution enzymatique 1X pour la dissociation des cellules. |
| Versene | Gibco | 15040-066 | Une solution EDTA 1X pour la dissociation des cellules. |
| Pince d’horloger | Labtek | BWMF4 | La pince d’horloger numéro 4 fonctionne bien pour retirer les bandes de membrane d’endothélium/Descemet des cornées. |