Descriviamo un protocollo in vitro di co-coltura budello microbiome e villi intestinali per un periodo prolungato utilizzando un sistema umano intestino-on-a-chip microphysiological.
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Articolo metodologico
Descriviamo un protocollo in vitro di co-coltura budello microbiome e villi intestinali per un periodo prolungato utilizzando un sistema umano intestino-on-a-chip microphysiological.
Qui, descriviamo un protocollo per eseguire a lungo termine co-coltura di multi-specie intestino microbioma umano con villi intestinali microengineered in un dispositivo umano gut-on-a-chip microphysiological. Noi ricapitolare i intestinale interfaccia di tessuto lume-capillare in un dispositivo di microfluidica, dove deformazioni meccaniche fisiologiche e flusso di taglio fluido sono costantemente applicati per imitare la peristalsi. Nel microcanali lume, epiteliali intestinali Caco-2 cellule umane sono coltivate in modo da formare un epitelio villi 'germ-free' e rigenerare piccoli villi intestinali. cellule microbiche pre-coltivate vengono inoculati nel lato lume di stabilire un ecosistema host-microbo. Dopo che le cellule microbiche aderiscono alla superficie apicale dei villi, flusso di fluido e deformazioni meccaniche sono ripresi per produrre un microambiente stato stazionario in cui terreno fresco viene costantemente alimentato e batteri non legato (nonché scarti batteriche) sono continuamente rimossi. Dopo estesa co-coltura fgiorni o settimane rom, più microcolonie sono trovati per essere collocata in modo casuale tra i villi, ed entrambi microbica e cellule epiteliali rimangono vitali e funzionale per almeno una settimana in coltura. Il nostro protocollo co-coltura può essere adattato a fornire una piattaforma versatile per altri ecosistemi ospitanti-microbiome che si possono trovare in vari organi umani, che potrebbe agevolare studio in vitro del ruolo del microbioma umano nell'orchestrare la salute e la malattia.
L'intestino umano ospita una gamma incredibilmente diversificata di specie microbiche (<1.000 specie) e un numero enorme di cellule microbiche (10 volte di più rispetto alle cellule ospiti umane) e geni (100 volte più del genoma umano) 1. Questi microbiomes umane giocano un ruolo chiave nel metabolismo di sostanze nutritive e xenobiotici, che regola le risposte immunitarie, e mantenere l'omeostasi intestinale 2. Non sorprende che, date queste diverse funzioni, l'intestino microbiome commensale modula ampiamente salute e la malattia 3. Così, la comprensione del ruolo del budello microbioma e host-microbo interazioni sono di grande importanza per promuovere gastrointestinale (GI) di salute e di esplorare nuove terapie per i disturbi intestinali 4. Tuttavia, esistenti in modelli intestinali in vitro (ad esempio, le culture statiche) limita host-microbiome co-coltura per un breve periodo di tempo (<1 giorno) perché le cellule microbiche invadere e compromettono barriera intestinaleFunzione 5. Modelli animali surrogati (ad esempio, di germi free 6 o tecniche di ingegneria genetica topi 7) sono, inoltre, non comunemente utilizzati per lo studio ospite-gut microbiome crosstalk perché la colonizzazione e il mantenimento stabile di microbioma intestinale umana sono difficili.
Per superare queste difficoltà, abbiamo recentemente sviluppato un essere umano biomimetico "Gut-on-a-Chip" sistema microphysiological (Figura 1A, a sinistra) per emulare le interazioni ospite-microbioma intestinale che si verificano nel vivere intestino umano 5,8. Il Microdevice gut-on-a-chip contiene due canali microfluidica parallele separate da un flessibile, porosa, matrice extracellulare (ECM) membrana Rivestiti fiancheggiata da epiteliali intestinali umane cellule Caco-2, imitando il intestinale lume-capillari interfaccia tessuto (Figura 1A , a destra) 9. ciclici deformazioni ritmiche sotto vuoto spinto inducono deformazioni meccaniche fisiologiche che simulano i cambiamenti normalmente Induccati da peristalsi (Figura 1A, a destra). È interessante notare che, quando cellule Caco-2 sono coltivate nell'intestino-on-a-chip per più di 100 ore, hanno spontaneamente forma tridimensionale (3D) villi intestinali con giunzioni strette, bordi pennello apicali, le cellule proliferative limitate a cripte basali, produzione di muco, una maggiore attività metabolizzare farmaci (ad esempio, citocromo P450 3A4, CYP3A4), e una maggiore glucosio ricaptazione 8. In questo microambiente 'privo di germi', è stato possibile co-cultura probiotico Lactobacillus GG rhamnosus o una formazione terapeutica di una miscela batterico probiotico con cellule epiteliali ospitante per due settimane 5,10.
In questo studio, descriviamo il protocollo dettagliato per eseguire host-intestino microbiome co-coltura nel dispositivo gut-on-a-chip per un periodo prolungato. In aggiunta, discutiamo criticità e sfide potenziali da considerare per una vasta applicazione di questo host-microbiome co-coltura pROTOCOLLO.
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1. Microfabbricazione di un dispositivo Gut-on-a-chip
Nota: L'intestino-on-a-chip è un dispositivo microfluidico fatta da, polimero siliconico gas-permeabile trasparente (polidimetilsilossano, PDMS), contenente due microcanali paralleli (1 mm larghezza lunghezza x 150 micron di altezza x 1 cm) separati da un flessibile poroso (10 micron di diametro dei pori, 25 micron di pori spaziatura a pori) PDMS membrana 5,9. Realizzare il (Figura 1A, a sinistra) gut-on-a-chip seguendo le istruzioni fornite.
2. Crescita di MicroengineEred intestinale Villi nel dispositivo Gut-on-a-chip
3. Host-Gut Microbiome Co-cultura in un Microdevice Gut-on-a-chip
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Per emulare il intestinale ecosistema host-microbioma umano in vitro, è necessarie per sviluppare un protocollo sperimentale per ricostituire la stabilità a lungo termine co-coltura di batteri intestinali e le cellule epiteliali intestinali umane in condizioni fisiologiche come la meccanica peristalsi-simili e flusso del fluido. Qui, utilizziamo un biomimetico Microdevice gut-on-a-chip (Figura 1A) per co-coltura cellule microbiche a diretto...
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Capire interazioni ospite-microbiome è fondamentale per far progredire la medicina; tuttavia, tradizionali modelli di coltura cellulare eseguiti in un piatto di plastica o di una piastra ben statica non supportano la stalla co-coltura di cellule intestinali umane con microbi intestinali vivere per più di 1-2 giorni, perché le cellule microbiche soprattutto invadere le cellule di mammifero in vitro. La popolazione microbica overgrowing consuma rapidamente ossigeno e sostanze nutritive, in seguito la produzione d...
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Donald E. Ingber è uno dei fondatori di Emulate Inc., detiene azioni della società e presiede il suo comitato consultivo scientifico. Gli altri autori non hanno informazioni finanziarie.
Ringraziamo Sri Kosuri (Wyss Institute dell'Università di Harvard) per aver fornito il ceppo di E. coli marcato con GFP. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency nell'ambito dell'accordo di cooperazione numero W911NF-12-2-0036, dalla Food and Drug Administration nell'ambito del contratto #HHSF223201310079C e dal Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard. Le opinioni e le conclusioni contenute in questo documento sono quelle degli autori e non devono essere interpretate come rappresentanti le politiche ufficiali, espresse o implicite, dell'Army Research Office, dell'Army Research Laboratory, della Food and Drug Administration o del governo degli Stati Uniti. Il governo degli Stati Uniti è autorizzato a riprodurre e distribuire ristampe per scopi governativi nonostante qualsiasi annotazione sul copyright qui riportata.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) contenente 25 mM di glucosio e 25 mM di HEPES | Gibco | 10564-011 | Riscaldalo a 37 ° C a bagnomaria. |
| Difco Lactobacilli MRS brodo | BD | 288120 | Eseguire l'autoclave a 121 gradi C per 15 min. |
| Poli(dimetilsilossano) | Dow Corning | 3097358-1004 | 15:1 (w/w), PDMS: agente curante |
| Caco-2BBE linea di carcinoma colorettale umano | Harvard Digestive Disease Center | Adenocarcinoma colorettale umano | |
| FBS | Gibco | 10082-147 | 20% (v/v) inattivato a caldo in DMEM |
| Penicillina-streptomicina-glutammina | Gibco | 10378-016 | Diluizione 1/100 in DMEM |
| 4′,6-Diamidino-2-fenilindolo dicloridrato | Sonde molecolari | D1306 | Colorazione dei nuclei |
| Coniugato falloidina-CF647 (25 unità/ml) | Colorazione | ||
| Sistema di tensione Flexcell FX-5000 | Flexcell International Corporation | FX5K | Movimento di stretcing simile alla peristalsi (10% di deformazione cellulare, frequenza 0,15 Hz) |
| Microscopio a epifluorescenza invertita | Zeiss | Axio Observer Z1 | Imaging, DIC |
| Microscopio confocale a scansione | Leica | DMI6000 | Imaging, Fluorescence |
| UVO Cleaner | Jelight Company Inc | 342 | Attivazione superficiale del collagene di |
| tipo I | Gibco | A10483-01 | Componente della matrice extracellulare per la coltura cellulare nel chip |
| Matrigel | BD | 354234 | Componente della matrice extracellulare per la coltura cellulare nel chip |
| Siringa monouso da 1 ml | BD | 309628 | Iniettore di cellule e terreni |
| 25 G 5/8 ago | BD | 329651 | Iniettore di cellule e terreni |
| Pompa a siringa | Braintree Scientific Inc. | BS-8000 | Attrezzatura per l'iniezione nel chip |
| VSL#3 | Sigma-Tau Pharmaceuticals | 7-45749-01782-6 | Una formulazione di 8 diversi microbi intestinali commensali |
| Mezzo clostridiale rinforzato | BD | 218081 | Terreno di coltura batterica anaerobica |
| GasPak EZ Sistema di contenitori anaerobi con indicatore | BD | 260001 | Bustina per la generazione di gas anaerobico... |
| Microscopia elettronica | 4% di paraformaldeide | 157-4-100 | Fissaggio delle cellule per la colorazione |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Permeabilizzazione delle cellule |
| Albumina sierica bovina | Sigma-Aldrich | A7030 | Agente bloccante per la colorazione delle cellule |
| Trattamento | Electro-Technic Products | BD-20AC | Generatore di plasma per la fabbricazione del chip |
| Steriflip | Millipore | SE1M003M00 | Degasaggio dell'intero terreno di coltura |
| Emocitometro monouso | iNCYTO | DHC-N01 | Per la conta manuale delle cellule |
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