RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Marco Bardenbacher1, Barbara Ruder2, Natalie Britzen-Laurent1, Elisabeth Naschberger1, Christoph Becker2, Ralph Palmisano3, Michael Stürzl*1, Philipp Tripal*1,3
1Division of Molecular and Experimental Surgery, Department of Surgery, Translational Research Center,Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg and Universitätsklinikum Erlangen, 2Department of Medicine 1,Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg and Universitätsklinikum Erlangen, 3Optical Imaging Centre Erlangen (OICE),Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
כאן אנו מתארים טכניקה כדי לכמת את שלמות המכשול של אורגנואידים מעיים קטנים. העובדה כי השיטה מבוססת על אורגנואידים חיים מאפשר חקירה רציפה של שלמות מכשול שונים חומרים מודולים או שילובים אותם באופן שנפתר בזמן.
אורגנואידים ותרביות תאים תלת ממדיות (3D) מאפשרות חקירה של מנגנונים ביולוגיים מורכבים ותקנות בעלי מבחנה, שבעבר לא הייתה אפשרית ב תרבות התא הקלאסית monolayers. יתר על כן, תרביות תאים מונאולייר טובים במערכות מודל חוץ גופית, אך אינן מייצגות את תהליכי הבידול הסלולריים המורכבים והפונקציות המסתמכות על מבנה תלת-ממדי. זה היה כל כך רחוק אפשרי רק ניסויים בבעלי חיים, אשר הם מפרך, זמן רב, קשה להעריך על ידי טכניקות אופטיות. כאן אנו מתארים את התשובה לכמת לקבוע את שלמות המכשול לאורך זמן בארגון המעי הקטן החיים. כדי לאמת את המודל שלנו, החלת אינטרפרון גמא (IFN-γ) כפקד חיובי עבור הרס המכשול ואורגנואידים נגזר מ IFN-γ קולטן 2 להפיל עכברים כפקד שלילי. הקביעה אפשרה לנו לקבוע את ההשפעה של IFN-γ על שלמות מחסום המעי ואת השפלה IFN-γ המושרה של חלבונים הצומת הדוקה-2,-7, ו-15. ניתן להשתמש ביכולת זו גם כדי לחקור את ההשפעה של תרכובות כימיות, חלבונים, רעלים, חיידקים, או בדיקה הנובעת מהמטופל על שלמות מחסום המעי.
השלמות של המכשול האפיתל מתוחזק על ידי הקומפלקס פסגה junctional (ajc), אשר מורכב הצומת הדוק (TJ) ו לדבקות צומת (AJ) חלבונים1. מבנה מקוטב של AJC הוא חיוני עבור תפקידה בvivo. דיסרגולציה של AJC קיים במחלות שונות, והוא חשוד להיות הגורם המניע החשוב של פתוגנזה דלקתיות המעי. אובדן תפקוד מחסום המעיים מייצג את האירוע היוזם של המחלה. הטרנסלוקציה הבאה של חיידקים הקומנדציית ותגובות דלקתיות הם ההשלכות הכואבת2.
שונים בתוך מבחנה ומודלים vivo פותחו כדי לחקור את הרגולציה של AJC. השיטת Transwell מבוססת על דו מימדי (2D) תא מונאולאיירס שנגזר קווי הגידול בתאים. מערכות אלו טובות להעריך על ידי שיטות אופטיות וביוכימיות ולאפשר ניתוח של דגימות רבות באותו זמן, אך חוסר תכונות רבות של תאים ראשוניים ותהליכי בידול נוכח vivo. חקירת שלמות המכשול אפשרית גם במודלים לבעלי חיים. בניסויי מסופים, ניתן לכמת את ההשפעות של טיפולים ספציפיים בvivo על החדירות של המעי המלא. עם זאת, מודלים אלה דורשים מספר רב של בעלי חיים, והם אינם מאפשרים הדמיה מפורטת של התהליכים המולקולריים הבסיסיים. כיום שיפור תלת-ממד במודלים חוץ גופית זמינים כי הדוק באופן מידי מבנה תא בידול התאים, הקיטוב התא, ולייצג את המבנה קריפטה-villus של המעי3. היישום של אורגנואידים מעיים תלת-ממדיים עבור ניתוחים פונקציונליים דורש הסתגלות של שיטות זמינות מדגמי 2D. כאן אנו מתארים מודל לחקור שלמות מכשול העיכול בחיים מעיים קטנים בתוך המעי. המנה הוקמה כדי לחקור את ההשפעה של IFN-γ על שלמות המכשול ההתאמה הצמודה חלבונים8.
בניגוד לטכניקה להחיל על ידי לזלי4, זיגtek5, או פירס6, אשר מודד את הקרינה הפלואורסצנטית לאחר הסרת לוציפר צהוב (LY) מן המדיום, הגישה שלנו מאפשר כימות של ספיגת הלומיאל של fluorophore לאורך זמן. לפיכך, התוצאה מייצגת את האפשרות לספיגת הקינטי ושיטת הפעולה שלנו מאפשרת יישום של גירויים או מעכבי נוספים במהלך הניסוי. העובדה כי שניהם בחני למדוד את ספיגת מהצד החיצוני בזלת הצלעות אל פני השטח הפנימי פסגה הוא בניגוד ברור למצב vivo. במודל המתואר על ידי היל et al.7, נושא זה חקר. הקרינה הפלואורסצנטית. הייתה כמותית כיוון הדיפוזיה מייצג את הכיוון הקיים בvivo. המאמץ הטכני של מיקרוהזרקה מפחית בבירור את התפוקה של שיטה זו. בניגוד למודל המתואר כאן, שיטת המיקרו-הזרקה מאפשרת את מדידת ההשפעות הדורשות הפעלה ביולוגית על פני השטח האפיתל האפיפיורי.
מודל שלמות המכשול האורגואיד המוצג כאן מבוסס על מיקרוסקופ תאים חי ומאפשר ניתוח של שינויים דינמיים בתוך רגולציה AJC לאורך זמן. ניתן להחיל את ההתקנה על מנת לבחון את ההשפעה הפרמקולוגית של חומרים הגורמים לפגיעה בשלמות מחסום המעי. יתרה מזאת, דגמים מבוססי אורגנואיד מסייעים בהפחתת מספר בעלי החיים המשמשים למחקרים פרמקולוגיים.
כל השלבים הושלמו בהתאם ובציות לכל ההנחיות הרלוונטיות לטיפול בבעלי חיים מוסדיים.
1. ציפוי אורגנואידים
2. שיטת הפראואיפרביליות
3. ניתוח נתונים
כדי לאמת את היישום של 3D מחלות עכבר מעיים קטנות כמודל לכמת את ההשפעה של תרכובות ויסות שלמות מחסום המעי, החלת IFN-γ. כדי לעשות זאת, אנו מבודדים ומתורבתים אורגנואידים נגזר IFN-γ תגובה פראי ו-IFN-γ-קולטן -2 עכברים, אשר אינם מגיבים ל-IFN-γ8. לאחר הטיפול עבור 48 h עם IFN-γ או PBS (שליטה), כל האורגנואידים נחשפו ל-LY ולאחר מכן על ידי הדיסק המסתובב באופן חי מיקרוסקופית תא לחיות בתוך 5 דקות מרווחי זמן עבור תקופה של 70 דקות. היושרה התפקודית של מחסום המעי במודל זה הביא להדרה של LY מתוך לומן של אורגנואיד בעוד הצטברות intraluminal של הרס LY מסומן של ה-TJ. הנציגה הפלואורסצנטית מיקרוסקופיים תמונות לאחר 70 דקות של דגירה עם LY בבירור להדגים כי הזריחה intraluminal להיות גלוי רק באורגנואידים מן חיות טיפוס פראי שטופלו עם IFN-γ. ב-לא מגורה (PBS) שולטת ולא באורגנואידים נגזר מתוך להפיל בעלי חיים (IFN-γR2ΔIEC, איור 1), לא ניתן למצואהשקפה לאחר 70 דקות.
התוספת של EGTA גורם לפירוק מסוים של שלמות מחסום המעי על ידי ודדתי TJ קופשחקנים. שליטה זו תמיד היה מנוצל בסוף הניסוי כדי להדגים את היכולת של אורגנואיד בהתאמה לקחת את LY (איור 1). אם אין זריחה intraluminal באופן LY זוהה על טיפול EGTA, האורגאיד לא נכלל בניסוי.
להערכה כמותית של התוצאות המיקרוסקופית, הקרינה הפלואורסצנטית נמדדה בתוך לומן האורגנואיד ומחוץ לאורגנואיד. ערכי האינטנסיביות היחסיים חושבו (בתוך הזריחה/זריחה מחוץ לפנים) ומוצגים עבור כל תמונה של נקודת זמן. מומלץ להימנע מדימות של אורגנואידים בגדלים שונים. בחרנו להתמקד באורגנואידים עם קוטר של 80 ± 30 יקרומטר (איור 2). תרשים שרטוט של הפרוטוקול עם תמונות מייצגות מוצג באיור 3. חלק מהבעיות המרכזיות וטכניקות פתרון בעיות מוצגות ונידונות באיור 4.

איור 1: שלמות מחסום המעי ניתן לנתח בתוך מארגני העכבר. אורגנואידים מעיים IFN-γR2WT ו Ifn-γR2ΔIEC היו מתורבתים בנוכחות של ifn-γ עבור 48 h או שאינו מטופל. כדי לחקור את היושרה של מחסום המעי, LY (457 Da) נוספה ותמונות פלורסנט ממוקד נתפסו ב 5 מרווחי זמן עבור סך של 70 min. תמונות הנציג בנקודה זמן 0 דקות, 70 דקות, ולאחר הוספת EGTA מוצגים (ירוק = לוציפר צהוב; סרגל קנה מידה = 20 μm). דמות זו שונתה מברדנבאכר ואח '8. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: מודל שלמות המעיים של מעיים קטנים מספק תוצאות כמותיים. (א) הייתה הזריחה היחידה שנקבעה בתוך ומחוץ לאורגנואיד. ערכי האינטנסיביות היחסיים חושבו (בפנים/בתוך הזריחה מחוץ לפנים) ביחס לחוזק היחסי ההתחלתי + SEM ומוצגים עבור כל נקודת זמן. (ב) התפלגות גודל של אורגנואידים מנותח. כדי להפחית את סטיית התקן ושגיאות עקב שינויים ביחס משטח לנפח, אנחנו רק ניתחו אורגנואידים עם קוטר של 80 ± 30 μm. ערכים ממוצע של קטרים אורגנואיד בהתאמה מוצגים + SD (IFN-γR2WT, n = 20; IFN-γR2ΔIEC, n = 18). ערכי הקוטר הממוצע לא שונים באופן משמעותי בין הקבוצות השונות (ANOVA בכיוון אחד). (ג) החדירות של האורגנואידים נקבע 70 דקות לאחר התוספת של LY. הוא הוגדר על ידי חלוקת עוצמות הקרינה הפלואורסצנטית לאחר 70 דקות על ידי העוצמות המינימליות היחסיות היחסיים שנמדדו במהלך תקופת התצפית. כל בר מייצג ערכים ממוצע + SD, נמדד 10 אורגנואידים נגזר שני ניסויים עצמאיים (IFN-γR2WT, n = 20; IFN-γR2ΔIEC, n = 18). IFN-γ הגדיל באופן משמעותי את ספיגת LY רק ב-IFN-γR2WT אורגנואידים. פי-ערך < 0.001 במבחן ה-t של הסטודנט. דמות זו שונתה מברדנבאכר ואח '8. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: פרוטוקול סכמטי עם תמונות מייצגות. (א) תיאור סכמטי של השלבים העיקריים של הפרוטוקול. (ב) תמונות מייצגות של השלבים העיקריים של הפרוטוקול. (B1) דימוי מיקרוסקופ DIC של פרוסה מרכזית באמצעות אורגאיד מתאים שנבחר לניתוח חדירות. קו מנוקד מייצג רוחב של 89 μm. (B2) תמונה מיקרוסקופית פלואורסצנטית של אותו אורגנואיד (B1) לפני הוספת באופן מידי. התמונה מראה את הזריחה האוטומטית של האורגנואיד. (B3) אורגנואיד 70 דקות לאחר הוספת LY. האורגאיד המתואר לא מראה קליטה של LY ולכן תפקוד מכשול שלם. קווים מנוקדים מציגים את ROIs לניתוח נוסף. הומן הפנימי של האורגנואיד ושלושה אזורים מייצגים סביב האורגנואיד מסומנים. ((B4) אורגנואיד לאחר הוספת EGTA. האורגנואיד שמיש לניתוח נוסף משום שהוא מראה ספיגה של LY לאחר הטיפול EGTA. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: פתרון בעיות בבעיות נפוצות. (א) שולחןעם פתרונות ובעיות נפוצות. (ב) תמונות למופת. (B1) התמונה הDIC של אורגאיד רב-ממדי גדול שאינו מתאים לצורך בטיפול זה. (B2). דמות קונטוידית של אורגאיד המציגה באופן אוטומטי גבוה לפני הוספת LY למדיום. . האורגנואיד לא נכלל בקוונפיקציה (B3) תמונה של מוקד של אורגנואיד המציגה באופן אוטומטי נמוך לפני הוספת LY למדיום. . הקרינה הפלואורסצנטית במקרה הזה ((B4) אורגנואיד מראה לא ספיגה באופן מיני בינונית 30 דקות לאחר הוספת EGTA ולכן נשלל מן הקוונפיקציה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
. למחברים אין מה לגלות
כאן אנו מתארים טכניקה כדי לכמת את שלמות המכשול של אורגנואידים מעיים קטנים. העובדה כי השיטה מבוססת על אורגנואידים חיים מאפשר חקירה רציפה של שלמות מכשול שונים חומרים מודולים או שילובים אותם באופן שנפתר בזמן.
עבודה זו נתמכת על ידי מענקים מקרן המחקר הגרמני (DFG) [KFO257, פרוייקט 4 לטרשת נפוצה ופרוייקט 1 עד רדיו אזרחי; FOR2438, פרוייקט 2 לטרשת נפוצה וE.N. ופרוייקט 5 לרדיו אזרחי; SFB1181 פרוייקט C05 to רדיו אזרחי; TRR241, פרוייקט A06 לN.B.L. וטרשת נפוצה, project A03 לרדיו אזרחי, BR5196/2-1 עד N.B.L. ו-BE3686/2 ל-רדיו אזרחי]; המרכז הבינתחומי למחקר קליני (IZKF) של המרכז הקליני ארלנגן (ל טרשת נפוצה, E.N. ו-מ ב), ה-W. לוץ Stiftung (ל טרשת נפוצה) ו-Forschtok Medizin של המרכז הקליני ארלנגן (ל טרשת נפוצה). העבודה הנוכחית בוצעה (חלקית) הגשמת הדרישות להשגת תואר ד ר. מד של מרקו ברדנשואכר.
| צלחת תרבית 48 בארות | Thermo Fisher Scientific | #150687 | |
| שקופיות תא 8 בארות | Ibidi | #80826 | |
| צלחת תרבות 96 בארות | Greiner Bio-One | #655101 | |
| Axio Observer.Z1 - דיסק מסתובב | לייזר עירורZeiss | 488 ננומטר / מסנן פליטה 525/25 | |
| אלבומין סרום בקר | סיגמא-אולדריץ' | A3059-100G | |
| מסננת תאים | Falcon | 352350 | |
| צינור צנטריפוגה 15 מ"ל | תרמו פישר | 11507411 | |
| צינור צנטריפוגה 50 מ"ל | תרמו פישר 10788561 | מדעי | |
| EDTA | סיגמא-אולדריץ' | 431788-25g | |
| EGTA | סיגמא-אולדריץ' | 431788 | |
| לוציפר מלח CH דיליתיום צהוב | Sigma-Aldrich | L0259 | |
| Matrigel, גורם גדילה מופחת, פנול אדום | ללא קורנינג | 356231 | תמיסת מטריצת תאים |
| עכברים | מעבדת ג'קסון | M. musculus C57/Bl6 | |
| כיסוי | מיקרוסקופ | 24 מ"מ x 60 מ"מ | |
| Organoid Growth Medium | Stem Mouse Technologies | #06005 | |
| פוספט חוצץ | מלח Biochrom | L182-05 | |
| עכברים רקומביננטיים IFN-γ | חתול ביולג'נד | #575304 |