אנו מתארים פרוטוקול המפרט את הבידוד של קריפטים המעי הגס מורין לפיתוח קולונואידים תלת ממדיים. לאחר מכן ניתן להתמיין באופן סופני בין הקולונואידים המבוססים כדי לשקף את ההרכב התאי של אפיתל המארח לפני קבלת אתגר דלקתי או הפניה להקמת חד-שכבה אפיתליאלית.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
אנו מתארים פרוטוקול המפרט את הבידוד של קריפטים המעי הגס מורין לפיתוח קולונואידים תלת ממדיים. לאחר מכן ניתן להתמיין באופן סופני בין הקולונואידים המבוססים כדי לשקף את ההרכב התאי של אפיתל המארח לפני קבלת אתגר דלקתי או הפניה להקמת חד-שכבה אפיתליאלית.
אפיתל המעי ממלא תפקיד חיוני בבריאות האדם, ומספק מחסום בין המארח לסביבה החיצונית. שכבת תאים דינמית מאוד זו מספקת את קו ההגנה הראשון בין אוכלוסיות מיקרוביאליות וחיסוניות ומסייעת לווסת את התגובה החיסונית של המעי. הפרעה במחסום האפיתל היא סימן היכר של מחלות מעי דלקתיות (IBD) והיא מעניינת למיקוד טיפולי. מערכת תרבית המעי הגס התלת-ממדית היא מודל שימושי ביותר במבחנה לחקר דינמיקה של תאי גזע במעי ופיזיולוגיה של תאי אפיתל בפתוגנזה של IBD. באופן אידיאלי, הקמת קולונואידים מרקמת אפיתל דלקתית של בעלי חיים תהיה מועילה ביותר בהערכת ההשפעות הגנטיות והמולקולריות על מחלות. עם זאת, הראינו כי שינויים באפיתל in vivo אינם נשמרים בהכרח בקולונואידים שנוצרו מעכברים עם דלקת חריפה. כדי להתמודד עם מגבלה זו, פיתחנו פרוטוקול לטיפול בקולונואידים עם קוקטייל של מתווכי דלקת שבדרך כלל מוגברים במהלך IBD. בעוד שמערכת זו יכולה להיות מיושמת בכל מקום בתנאי תרבית שונים, פרוטוקול זה שם דגש על טיפול הן בקולונואידים מובחנים והן במונושכבות דו-ממדיות הנגזרות מקולונואידים מבוססים. בסביבת תרבית מסורתית, קולונואידים מועשרים בתאי גזע של המעי, ומספקים סביבה אידיאלית לחקר נישת תאי הגזע. עם זאת, מערכת זו אינה מאפשרת ניתוח של התכונות של הפיזיולוגיה של המעי, כגון תפקוד המחסום. יתר על כן, קולונואידים מסורתיים אינם מציעים את ההזדמנות לחקור את התגובה התאית של תאי אפיתל ממוינים סופניים לגירויים מעודדי דלקת. השיטות המוצגות כאן מספקות מסגרת ניסויית חלופית להתמודדות עם מגבלות אלה. מערכת התרבית החד-שכבתית הדו-ממדית מציעה גם הזדמנות לבדיקת תרופות טיפוליות ex vivo. שכבת תאים מקוטבת זו יכולה להיות מטופלת עם מתווכי דלקת בצד הבסיסי של התא ובמקביל עם טיפולים משוערים כדי לקבוע את התועלת שלהם בטיפול ב- IBD.
מחלת מעי דלקתית (IBD) היא מחלה כרונית, הפוגתית והתקפית המאופיינת באפיזודות של דלקת ושקט קליני. האטיולוגיה של IBD היא רב-גורמית, אך מאפיינים אופייניים עיקריים של המחלה כוללים תפקוד מחסום פגום וחדירות מוגברת של אפיתל המעי, בנוסף למפל איתות פרו-דלקתי המופעל בתוך תא האפיתל 1,2. מספר מודלים במבחנה ו-in vivo שימשו לשחזור תגובת האפיתל במהלך IBD, כולל תרבית תאים ומודלים של דלקת3. עם זאת, לכל המערכות הללו יש חסרונות חשובים המגבילים את יכולתן לשחזר את שינויי האפיתל במהלך IBD4. רוב קווי התאים המשמשים לחקר IBD עוברים טרנספורמציה, יש להם את היכולת ליצור monolayer, והוא יכול להתמיין3 אבל באופן מהותי להתפשט באופן שונה מאשר תאי אפיתל מעיים שאינם מותמרים בפונדקאי. מספר מודלים שונים של דלקת משמשים לחקר IBD, חלקם כוללים מודלים נוקאאוט, מודלים זיהומיים, מודלים דלקתיים כימיים, ומודלים להעברת תאי T 5,6,7,8. בעוד שכל אחד מהם יכול לחקור היבטים אטיולוגיים מסוימים של IBD, כגון נטייה גנטית, תפקוד לקוי של מחסומים, דה-רגולציה חיסונית והמיקרוביום, הם מוגבלים ביכולתם לחקור את האופי הרב-גורמי של המחלה.
אורגנואידים במעי, כולל אנטרואידים וקולונואידים, הוקמו בעשור האחרון כמודל מבחנה שימושי לחקר לא רק הדינמיקה של תאי גזע במעי, אלא גם תפקידם, שלמות המחסום ותפקודו של אפיתל המעי לשחק בהומאוסטזיס מעיים ומחלות. גופים אלה תרמו באופן משמעותי להבנתנו את הפתוגנזה של IBD9 ופתחו הזדמנויות חדשות לרפואה מותאמת אישית. קולונואידים, או תרביות רקמה שמקורן בתאי גזע ומארגנות את עצמן מהמעי הגס, פותחו הן מרקמת מורין והן מרקמה אנושית בתהליך המאפשר לתאי גזע הממוקמים בתוך קריפטות מעיים להתרבות ולהישמר ללא הגבלת זמן10. נישת תאי הגזע in vivo מסתמכת על גורמים חוץ-תאיים כדי לתמוך בצמיחתה, בעיקר איתות Wnt הקנוני ומסלולי איתות חלבונים מורפוגנייםעצם 11. התוספת של גורמים אלה מקדמת את בריאותם ואריכות ימיהם של קולונואידים, אך גם מניעה את התרבית לעבר מצב דמוי תאי גזע שאינו משקף את ארכיטקטורת תאי האפיתל in vivo, המורכבת מתאים המתחדשים מעצמם וממוינים סופניים12,13. בעוד שהפונקציונליות של אפיתל המעי תלויה ביחסי הגומלין המתמשכים בין תא תאי הגזע לבין תאים ממוינים, היכולת להחזיק את שניהם במערכת תרבית קולונואידים מוגבלת למדי. למרות מגבלות אלה, מערכת תרבית האורגנואידים נותרה תקן הזהב לחקר התכונות המהותיות של אפיתל ex vivo. עם זאת, ייתכן שיהיה צורך לשקול אסטרטגיות תרבות חלופיות כדי לענות על השאלה המדעית שעל הפרק.
הוכח כי עכברים במשטר מתמשך של 7 ימים של דקסטרן נתרן גופרתי (DSS) מפתחים דלקת אפיתל ותפקוד לקוי של מחסום14. יתר על כן, כישלון ביוגנזה מיטוכונדריאלית ותכנות מחדש מטבולי בתוך אפיתל המעי, אשר הוכחו כניכרים ב- IBD אנושי, נלכדו גם במודל DSS זה של קוליטיס15. אולם הנתונים הראשוניים שלנו מראים שהמאפיינים של כשל ביוגנזה מיטוכונדריאלית אינם נשמרים בקולונואידים שמקורם בקריפטות של חיות שטופלו ב-DSS (איור משלים 1). לכן, יש להשתמש בשיטות תרבית חלופיות כאשר בוחנים כיצד דלקת מניעה שינויים אפיתל במהלך דלקת מעיים מורין. כאן, אנו מתארים פרוטוקול שפיתחנו המתאר 1) כיצד לבודד קריפטות מרקמת המעי הגס כולה לצורך הקמת קולונואידים מורינים, 2) כיצד להבדיל אוכלוסיית תאים זו באופן סופי כך שתשקף את אוכלוסיית התאים כפי שהיא עומדת in vivo, ו-3) כיצד לגרום לדלקת במודל זה במבחנה . כדי לחקור אינטראקציות בין תרופתיות בתוך האפיתל המודלק, פיתחנו פרוטוקול לביסוס מונושכבות דו-ממדיות (2-dimensonal) מקולונואידים מורינים שניתן לטפל בהם באופן בסיסי עם מתווכים דלקתיים ולטפל בהם באופן אפי באמצעות טיפולים תרופתיים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל הניסויים ברקמות מורין המתוארים כאן אושרו על ידי מועצת הביקורת המוסדית באוניברסיטת פיטסבורג ונערכו בהתאם להנחיות שנקבעו על ידי הוועדה למחקר וטיפול בבעלי חיים באוניברסיטת פיטסבורג ו- UPMC.
1. הכנה לתרבות
הערה: כל הריאגנטים מפורטים בסעיף 'טבלת חומרים ' וניתן למצוא את כל הרכבי הפתרונות בטבלת הרכב הפתרונות (טבלה 1).
2. בידוד קריפטה מרקמת המעי הגס מורין
הערה: העבירו את הרקמה על קרח. הוציאו את הכמות המתאימה של מטריצת קרום המרתף מהאחסון בטמפרטורה של 20°C- והפשירו על קרח. כל באר 24 מצופה 15 μL של מטריצת קרום מרתף. הכינו CIB1, CIB2 ואמצעי גידול קולונואידים מלאים כמתואר בסעיף 1.
3. העברת הקולונואידים
הערה: בדרך כלל ניתן להעביר כל באר ביחס של 1:4 עד 1:6 בהתאם לצפיפות הבאר המקורית. הוציאו את הכמות המתאימה של מטריצת קרום המרתף מ-20°C, והניחו אותה על קרח להפשרה. קולונואידים יכולים לשמש לניסויים לאחר שני מעברים. כאשר עוברים קולונואידים, השלבים מבוצעים בארון בטיחות ביולוגי כדי למנוע זיהום.
4. התמיינות סופנית של תאי קולונואיד
5. גרימת דלקת בקולונואידים ממוינים עם מתווכי דלקת
6. חד-שכבות אפיתל במעי שמקורן בקולונואידים מורינים מבוססים
הערה: מונושכבות אפיתל של המעי המורין נגזרות מקולונואידים מורינים שעברו לפחות פעמיים. כדי לאפשר היווצרות חד-שכבתית מוצלחת תוך 3-5 ימים, חובה לא להפריד את הקולונואידים לתאים בודדים. אורגנואידים מקוטעים שנותקו אנזימטית לצבירים תאיים הם אידיאליים לגדילה.
7. מדידת ההתנגדות נטו של חד-שכבות האפיתל באמצעות מד וולטוהמטר בימים 3-5 של תרבית חד-שכבתית
הערה: אלקטרודות מקל האכילה דומות למלקחיים ואורכן אינו סימטרי. הזרוע הארוכה יותר של הגשושית היא האלקטרודה הבזולטרלית, והזרוע הקצרה יותר היא האלקטרודה האפיקאלית. הגשושית יכולה להיות קשה להחדרה בין החלק הפנימי והחיצוני של תרבית התא. הצבת הגשושית בזווית קלה עם החדרתה, ולאחריה יישור אנכי של הגשוש, תמנע מהגשושית להיתקע. הקפד לקרוא את ההתנגדות נטו של כל תוספת תרבית תאים בזווית דומה, שכן זה יכול להשפיע על הערכים.
8. חישוב ה-TEER באמצעות מדידות התנגדות נטו ממד הוולטוהמטר
הערה: היווצרות חד-שכבתית מוצלחת של הקולונואידים תיתן מדידות TEER גדולות מ-115 Ω·cm2.
9. גרימת דלקת בחד-שכבות האפיתל עם מתווכי דלקת
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מערכת תרבית המעי הגס התלת-ממדית היא כלי רב ערך לחקר התרומה הפנימית של האפיתל להומאוסטזיס רירית המעי. הפרוטוקול המתואר מספק הוראות מפורטות כיצד לבודד קריפטות מעכברי C57BL/6J (WT) בגיל 8 שבועות ולהקים מערכת תרבית קולונואידים ארוכת טווח שניתן לתפעל עבור יישומים מרובים במורד הזרם. עם הבידוד והציפוי של הקריפטות במטריצת קרום המרתף, הקריפטים נראים צפופים ורב-תאיים במבנה כאשר הם מוצגים על ידי מיקרוסקופ שדה בהיר. הם יכולים להיות כדוריים בצורתם או מוארכים וגליליים, בדומה למבנה יחיד דמוי קריפטה שנצפה בדרך כלל בתוך ארכיטקטורת המעי <...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פיתוח אורגנואידים חולל מהפכה באופן שבו הקהילה המדעית חוקרת מערכות איברים במבחנה עם היכולת לשחזר חלקית את המבנה והתפקוד התאי מבעל חיים או אדם בצלחת. יתר על כן, מערכות אורגנואידים שמקורן בבני אדם עם מחלות מציעות כלי מבטיח לרפואה מותאמת אישית שיכול להנחות קבלת החלטות טיפוליות. כאן, אנו מתארים פרוטוקול בידוד קריפטה שעובד היטב ומציג שלבים מרכזיים המאפשרים ניקוי עודפי לכלוך בבידוד לפני הציפוי. בנוסף, אנו מסבירים פרט מפתח שלעתים קרובות מתעלמים ממנו בתהליך – היכולת לספור במדויק את הקריפטים לציפוי. לאחר התבססות הקולונואי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
לכותבים התורמים אין מה לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים למענקי בריאות R01DK120986 (ל- K.P.M).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 0.4-μ טרנסוול שקוף M, 24 בארות | Greiner Bio-one | 662-641 | |
| צינורות חרוטיים 15 מ"ל | Thermo Fisher | 12-565-269 | |
| צינורות חרוטיים 50 מ"ל | תרמו פישר | 12-565-271 | |
| 70-μ מסננת תאים | M VWR | 76327-100 | |
| מתקדם DMEM/F12 | Invitrogen | 12634-010 | ריכוז מלאי (1x); תוסף ריכוז סופי (1x) |
| B-27 | Invitrogen | 12587-010 | ריכוז מלאי (פי 50); סט אלקטרודות מקלות אכילה בריכוז סופי (1x) |
| עבור EVO | World Precision Instruments | STX2 | |
| Corning Matrigel GFR Membrane Mix | Corning | 354-230 | ריכוז מלאי (100%); ריכוז סופי (100%) |
| דיתיותרייטול (DTT) | סיגמא-אולדריץ' | D0632-5G | ריכוז מלאי (1 מ'); ריכוז סופי (1.5 מ"מ); ממס (מים טהורים במיוחד) |
| DMEM גלוקוז גבוה | Thermo Fisher | 11960-069 | ריכוז מלאי (1x); ריכוז סופי (1x) |
| תמיסת מלח חוצצת פוספט של Dulbecco ללא סידן ומגנזיום | Gibco | 14190-144 | ריכוז מלאי (1x); ריכוז סופי (1x) |
| חומצה אתילנדיאמינטטראצטית (ETDA) | סיגמא-אולדריץ' | E7889 | (0.5 מ'); ריכוז סופי (30 מ"מ) |
| סרום בקר עוברי | S11150H | ריכוז מלאי (100%); ריכוז סופי (1%) | |
| שקופיות פישרברנד סופרפרוסט פלוס מיקרוסקופ, לבן, 25 x 75 מ"מ | תרמו פישר | 12-550-15 | |
| G418 | InvivoGen | ant-ga-1 | ריכוז סופי (400 ומיקרו; g/µ L) |
| ריאגנט ג'נטמיצין | Gibco/Fisher | 15750-060 | ריכוז מלאי (50 מ"ג/מ"ל); ריכוז סופי (250 μ גרם/מ"ל) |
| GlutaMAX-1 | Fisher Scientific | 35050-061 | ריכוז מלאי (פי 100); ריכוז סופי (1x) |
| HEPES 1 M | Gibco | 15630-080 | ריכוז מלאי (1 M); ריכוז סופי (10 מ"מ) |
| hIFNγ | מו"פ D Systems | 285-IF | ריכוז מלאי (1000 ng/µ L); ריכוז סופי (10 ננוגרם/מ"ל); ממס (מים טהורים במיוחד) |
| hIL-1β | מו"פ D Systems | 201-LB | ריכוז מלאי (10 ng/µ L); ריכוז סופי (20 ננוגרם/מ"ל); ממס (מים טהורים במיוחד) |
| hTNF ואלפא; | מו"פ D Systems | 210-TA | ריכוז מלאי (10 ng/µ L); ריכוז סופי (40 ננוגרם/מ"ל); ממס (מים טהורים במיוחד) |
| מי חמצן | Sigma | H1009 | (30%); ריכוז סופי (0.003%); ממס (מדיה לשטיפת עכבר) |
| Hygromycin B Gold | InvivoGen | ant-hg-1 | ריכוז סופי (400 ומיקרו; g/µ L) |
| קו תאים L-WRN | ATCC | CRL-3276 | |
| mEGF | Novus | NBP2-35176 | ריכוז מלאי (0.5 ומיקרו; g/µ L); ריכוז סופי (50 ננוגרם/מ"ל); ממס (D-PBS + 1% BSA) |
| תוסף N-2 | Invitrogen | 17502-048 | ריכוז מלאי (פי 100); ריכוז סופי (1x) |
| N-אצטיל-L-ציסטאין | סיגמא | A9165-5G | (500 מ"מ); ריכוז סופי (1 מ"מ); ממס (מים טהורים במיוחד) |
| Noggin | Peprotech | 250-38 | ריכוז מלאי (0.1 ng/µ L); ריכוז סופי (100 ננוגרם/מ"ל); ממס (מים טהורים במיוחד + 0.1% BSA) |
| פניצילין-סטרפטומיצין (10,000 יח'/מ"ל) | Thermo Fisher | 15140-122 | ריכוז מלאי (פי 100); ריכוז סופי (1x) |
| צלחות פטרי (מעוקרות; 100 מ"מ x 15 מ"מ) פוליסטרן חד פעמי | VWR | 25384-342 | |
| מיקרו-פלטות פוליסטירן, 24 תרבית רקמות מטופלות היטב, סטרילי | Greiner Bio-one | 5666-2160 | |
| R-Spondin | R& D Systems | 3474-RS-050 | ריכוז מלאי (0.25 ומיקרו; g/µ L); ריכוז סופי (500 ננוגרם/מ"ל); ממס (D-PBS + 1% BSA) |
| Tryp LE Express | Thermo Fisher | 12604-013 | ריכוז מלאי (פי 10); ריכוז סופי (1x); ממס (1 מ"מ EDTA) |
| מים טהורים במיוחד | Invitrogen | 10977-023 | ריכוז מלאי (1x); ריכוז סופי (1x) |
| Y-27632 דיהידרוכלוריד | Abcam | ab120129 | ריכוז מלאי (10 מ"מ); ריכוז סופי (10 ומיקרו; M); ממס (מים טהורים במיוחד) |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה