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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
L'intera struttura 3D e il contenuto cellulare degli organoidi, così come la loro somiglianza fenotipica con il tessuto originale possono essere catturati utilizzando il protocollo di imaging 3D a risoluzione singola descritto qui. Questo protocollo può essere applicato a una vasta gamma di organoidi che variano in origine, dimensione e forma.
La tecnologia organoide, la tativa 3D in vitro del tessuto in miniatura, ha aperto una nuova finestra sperimentale per i processi cellulari che governano lo sviluppo e la funzione degli organi e lamalattia. La microscopia a fluorescenza ha svolto un ruolo importante nel caratterizzare la loro composizione cellulare in dettaglio e dimostrare la loro somiglianza con il tessuto da cui provengono. In questo articolo, presentiamo un protocollo completo per l'imaging 3D ad alta risoluzione di interi organoidi su etichettatura immunofluorescente. Questo metodo è ampiamente applicabile per l'imaging di organoidi diversi per origine, dimensione e forma. Finora abbiamo applicato il metodo agli organoidi delle vie aeree, del colon, dei reni e del fegato derivati dal tessuto umano sano, così come agli organoidi del tumore al seno umano e agli organoidi della ghiandola mammaria del topo. Usiamo un agente di compensazione ottica, FUnGI, che consente l'acquisizione di interi organoidi 3D con la possibilità di quantificazione di marcatori a singola cellula. Questo protocollo di tre giorni dalla raccolta degli organoidi all'analisi delle immagini è ottimizzato per l'imaging 3D utilizzando la microscopia confocale.
Il progresso di nuovi metodi di coltura, come la tecnologia organoide, ha permesso la coltura degli organi in un piatto1. Gli organoidi crescono in strutture tridimensionali (3D) che ricopriono il loro tessuto di origine mentre conservano tratti fenotipici e funzionali. Gli organoidi sono ora strumentali per affrontare le questioni biologichefondamentali 2, modellare le malattie tra cuiil cancro 3e sviluppare strategie di trattamentopersonalizzate 4,5,6,7. Dal momento che il primo protocollo per la generazione di organoidi derivati da cellule staminali adulte intestinali8, la tecnologia organoide si è estesa per includere una vasta gamma di tessuti sani e cancerosi derivati da organi tra cui prostata9, cervello10, fegato11,12, stomaco13, seno14,15, endometrio16, ghiandola salivare17, papino del gusto 18 ,19, e renale20.19
Lo sviluppo degli organoidi è concordato con l'aumento di nuove tecniche di microscopia volumetrica in grado di visualizzare l'architettura dell'intero tessuto di montaggio in 3D21,,22,23,24. L'imaging 3D è superiore all'imaging tradizionale della sezione dei tessuti 2D nella visualizzazione della complessa organizzazione di campioni biologici. Le informazioni 3D si rivelano essenziali per comprendere la composizione cellulare, la forma delle cellule, le decisioni sul destino delle cellule e le interazioni cellulare-cellula di campioni biologici intatti. Le tecniche di sessazione ottica non distruttiva, come la microscopia a scansione laser confocale o multi-fotone (CLSM e MLSM) e la microscopia a fluorescenza dei fogli di luce (LSFM), ora consentono la visualizzazione combinata di dettagli fini, nonché l'architettura generale dei tessuti, all'interno di un singolo esemplare biologico. Questo potente approccio di imaging offre l'opportunità di studiare la complessità strutturale che può essere modellata con organoidi25 e mappare la distribuzione spaziale, l'identità fenotipica e lo stato cellulare di tutte le singole cellule che compongono queste strutture 3D.
Recentemente abbiamo pubblicato un protocollo dettagliato per l'imaging 3D ad alta risoluzione di organoidi fissi e cancellati26. Questo protocollo è specificamente progettato e ottimizzato per l'elaborazione di strutture organoide delicate, a differenza delle metodologie per grandi tessuti intatti come DISCO27,28, CUBIC29,30,31e CLARITY32,33. Come tale, questo metodo è generalmente applicabile a una vasta gamma di organoidi diversi per origine, dimensione e forma e contenuto cellulare. Inoltre, rispetto ad altri protocolli di imaging volumetrico che spesso richiedono molto tempo e fatica, il nostro protocollo è poco presente e può essere completato entro 3 giorni. Abbiamo applicato il nostro protocollo di imaging 3D per visualizzare l'architettura e la composizione cellulare dei sistemi organoidi di recente sviluppo derivati da vari tessuti, tra cui le vieaeree umane 34, rene20,fegato 11e organoidi del cancro al senoumano 15. In combinazione con il tracciamento del lignaggio fluorescente multicolore, questo metodo è stato utilizzato anche per rivelare la biopotenza delle cellule basali negli organoidi mammari del topo14.
Qui, affiniamo il protocollo introducendo l'agente di compensazione non-xic FUnGI35. La compensazione FUnGI si ottiene in un'unica fase di incubazione, è più facile da montare a causa della sua viscosità e conserva meglio la fluorescenza durante lo stoccaggio. Inoltre, introduciamo il sodio solfato di dodecile (SDS) nel buffer di lavaggio per migliorare le colorazione nucleare e un metodo di montaggio basato sul silicone per una facile preparazione del vetrato prima della microscopia. Nella Figura 1 vengono forniti una panoramica grafica del protocollo (Figura 1A) e esempi di organoidi con immagini 3D (Figura 1B-D). In breve, gli organoidi vengono recuperati dalla loro matrice 3D, fissa e immunoelicata, otticamente cancellata, immagine con microscopia confocale e quindi renderizzate in 3D con software di visualizzazione.
L'uso di organoidi derivati dai topi è conforme agli standard normativi ed è stato approvato dal Walter and Eliza Hall Institute (WEHI) Animal Ethics Committee. Tutti i campioni di organoidi umani sono stati recuperati dalle biobanche attraverso la tecnologia organoide Hubrecht (HUB, www.hub4organoids.nl). Le autorizzazioni sono state ottenute dal Comitato etico medico di UMC Utrecht (METC UMCU) su richiesta dell'HUB al fine di garantire il rispetto della legge olandese sulla ricerca medica che coinvolge i soggetti umani e il consenso informato è stato ottenuto dai donatori quando appropriato.
1. Preparazione dei reagenti
2. Recupero organoide
NOTA: I seguenti passaggi si applicano agli organoidi coltivati in estratto di membrana seminterrato (BME) che sono stati coltivati in una piastra di 24 pongimi con una dimensione di 100-500 m .
3. Fissaggio e blocco
4. Immunolabeling
5. Sgombero ottico degli organoidi
6. Preparazione dello scivolo per l'imaging confocale
7. Acquisizione ed elaborazione delle immagini
L'imaging degli organoidi in 3D consente la visualizzazione dell'architettura, della composizione cellulare e dei processi intracellulari in grande dettaglio. La tecnica presentata è poco osificante e può presumibilmente essere applicata a una vasta gamma di sistemi organoidi derivati da vari organi o specie ospitanti.
La forza dell'imaging 3D rispetto all'imaging 2D è illustrata da immagini di organoidi della ghiandola mammaria del topo che sono stati generati utilizzando i metodipubblicati di recente 14. Lo strato centrale di questi organoidi è costituito da cellule luminali A forma di colonna K8/K18 e lo strato esterno contiene cellule basali G5-postive allungate (Figura 2A), che ricapitola la morfologia della ghiandola mammaria in vivo. Questa organizzazione polarizzata è difficile da apprezzare da una sezione ottica 2D dello stesso organoide (Figura 2B, pannello centrale). Un altro esempio di struttura complessa che è impossibile da interpretare senza informazioni 3D è la rete di canaliculi MRP2-positivi che facilitano la raccolta del liquido biliare degli organoidi del fegato umano11 (Figura 2B). Questo esemplifica come il nostro metodo consente la visualizzazione delle caratteristiche strutturali essenziali degli organoidi. Inoltre, la qualità e la risoluzione ottenute consentono la segmentazione semiautomatica e l'analisi delle immagini. Pertanto, i numeri di cellulare totali e la presenza di marcatori possono essere quantificati in specifici sottotipi cellulari in organoidi interi. Lo illustriamo segmentando i nuclei di un intero organoide contenente 140 cellule, di cui 3 celle mostrano un'elevata positività per il marcatore del ciclo cellulare Ki67 (Figura 2C). Il canale DAPI viene selezionato come canale sorgente e i segmenti vengono generati in base a un passo di soglia dell'intensità e a un diametro della sfera di 10 m. Gli oggetti toccanti vengono divisi per regione che crescono dai punti di inizializzazione. Infine, viene applicato un filtro di dimensioni di 10 voxel per rimuovere piccoli segmenti indotti dal rumore. Per ogni segmento che rappresenta un nucleo, l'intensità media del canale Ki67 viene quindi esportata per la stampa.
Recentemente abbiamo sviluppato l'agente di compensazione ottica FUnGI35, che ora abbiamo integrato in questo protocollo per affinare la trasparenza degli organoidi. FUnGI è facile da usare, in quanto la compensazione è prontamente ottenuta da una singola fase di incubazione dopo la colorazione immunofluorescente. Un ulteriore vantaggio dell'agente è la sua viscosità, che rende più facile la gestione del campione durante il montaggio del flusso. I campioni fluorescenti in FUnGI conservano la loro fluorescenza anche se conservati per più mesi a -20 gradi centigradi. Dimostriamo che FUnGI supera gli organoidi non chiariti e il fruttosio-glicerolo nella qualità del segnale fluorescente in profondità nell'organoide (Figura 3A,B) e che gli organoidi cancellati da FunGI hanno un'intensità di fluorescenza complessiva migliorata rispetto agli organoidi non chiariti (Figura 3C).
In sintesi, descriviamo una tecnica di imaging 3D non deducibile e riproducibile per l'acquisizione di dati volumetrici di organoidi immunoelettici. Questo protocollo può essere facilmente utilizzato per immagini di una varietà di organoidi tra cui quelli di origine sia del topo che dell'uomo, da modelli sani e di malattia. La semplice preparazione del campione può essere adattata per facilitare microscopi fluorescenti confocali, multifocali e fogli di luce per ottenere la risoluzione cellulare a subcellulare di interi organoidi.

Figura 1: panoramica schematica del protocollo di imaging 3D ad alta risoluzione. Gli organoidi vengono recuperati dalla loro matrice 3D. La fissazione e il blocco vengono eseguiti prima dell'immunoetichettazione con anticorpi e coloranti. La compensazione ottica viene ottenuta in un unico passaggio utilizzando l'agente di compensazione FUnGI. Il rendering 3D delle immagini può essere eseguito utilizzando un software di imaging. (A) Panoramica schematica della procedura. (B) Cancellata l'immagine confocale 3D di un organoide colonico umano immunoi labeled for F-actin and E-cadherin (E-cad) (25x oil objective). Barra della scala di 40 m. (C) Cancellato l'immagine confocale 3D con montata intera. Barra della scala di 20 m. (D) Sezione ottica ingrandita di un organoide colonico umano immunoimatichettato per F-actin, E-cadherin (E-cad) e Ki67 (obiettivo olio 25x). Barra della scala di 5 m. Questa cifra è stata modificata da Dekkers et al.26. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: L'imaging volumetrico visualizza un'architettura 3D complessa. Immagini confocali che rappresentano set di dati 3D (pannello sinistro), sezioni ottiche 2D (pannello centrale) e aree 3D di un'area ingrandita (pannello destro). (A) Un organoide derivato da una singola cellula basale della ghiandola mammaria del topo che illustra l'organizzazione 3D di cellule basali mammifero allungate che circondano cellule luminali o etichettate per K8/18, K5 e F-actin (compensazione del fruttosio-glicerolo; obiettivo dell'olio 25x). Le barre di scala rappresentano 55 m (pannello sinistro) e 40 m (pannelli centrale e destro). (B) Un organoide del fegato fetale umano con una complessa rete 3D di canaliculi positivi MRP2, etichettati per DAPI, MRP2 e F-actin (compensazione del fruttosio-glicerolo; obiettivo dell'olio 40x). Le barre di scala rappresentano 25 m (pannello sinistro) e 8 m (pannelli centrale e destro). (C) Immagine confocale 3D intera montata di un organoide epatico fetale umano etichettato con DAPI e Ki67 (pannello sinistro) e un'immagine segmentata sul canale DAPI utilizzando un software di imaging (pannello centrale). Barra della scala di 15 m. Grafico tracciato che rappresenta l'intensità media Ki67 in tutte le celle (segmentate DAPI) dell'intero organoide (140 celle) (pannello destro). Questa cifra è stata modificata da Dekkers et al.26. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: compensazione ottica degli organoidi con FUnGI. (A) Immagini rappresentative di organoidi colonici umani etichettati con F-actin (verde) e DAPI (grigio) e immagini senza compensazione, cancellate con fruttosio-glicerolo o cancellate con FUnGI (obiettivo olio 25x). Pannello sinistro: rendering 3D dell'organoide. Pannello destro: sezione ottica dell'organoide a 150 m di profondità. Per la condizione "nessuna compensazione" la luminosità dell'immagine doveva essere aumentata rispetto alle condizioni "fructose-glicerrol" e "FUnGI" per visualizzare l'organoide. Barra della scala di 50 m. (B) Adattamento di regressione non lineare che mostra la diminuzione dell'intensità DAPI con l'aumento della profondità di z per diversi metodi di compensazione ottica. I valori rappresentano intensità delle singole cellule rilevate dalla segmentazione DAPI e sono normalizzati all'intensità DAPI media dei primi 50 m dell'organoide. Per evitare di sottovalutare l'attenuazione causata da cellule più luminose sui bordi più profondi e sulle strutture in erba, sono state analizzate solo le regioni centrali degli organoidi. (C) Tre organoidi per condizione di dimensioni e profondità simili verso il coverslip sono stati illustrati utilizzando impostazioni al microscopio identiche. I set di dati 3D completi sono stati segmentati a singola cella sul segnale DAPI per il confronto. Grafico a barre che mostra l'intensità media daPI con diversi metodi di compensazione su set di dati segmentati completi. I dati sono raffigurati come ± SD. I valori sono intensità di >3800 singole celle rilevate dalla segmentazione DAPI. p < 0.0001, test Kruskal-Wallis con test post-hoc a confronto multiplo di Dunn a due lati. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
L'intera struttura 3D e il contenuto cellulare degli organoidi, così come la loro somiglianza fenotipica con il tessuto originale possono essere catturati utilizzando il protocollo di imaging 3D a risoluzione singola descritto qui. Questo protocollo può essere applicato a una vasta gamma di organoidi che variano in origine, dimensione e forma.
Siamo molto grati per il supporto tecnico del Centro di Oncologia Pediatrica Princess M'xima e dell'Istituto Hubrecht e di zeiss per il supporto e le collaborazioni di imaging. Tutte le immagini sono state eseguite presso il centro di imaging Princess M'xima. Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dal Centro di Oncologia Pediatrica Princess M'xima. JFD è stata sostenuta da una borsa di studio Marie Curie Global e da una sovvenzione VENI dell'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO). L'ACR è stata sostenuta da una sovvenzione iniziale del Consiglio europeo (CER).
| Provette da centrifuga da 1,5 ml | Eppendorf | EP0030 120.094 | |
| Provette da centrifuga da 2 ml Eppendorf | EP0030 120.094 | ||
| Albumina sierica bovina (BSA) | Sigma Aldrich | A3059 | |
| Soluzione per il recupero cellulare | Corning | 354253 | |
| Microscopio confocale | Zeiss | LSM880 | |
| Software per microscopio confocale ZEN | Zeiss | ZEN nero/blu | |
| Provette coniche 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 | diluizione 1:1000 |
| Dissezione Stereomicroscopio | Leica | M205 FA | |
| Nastro biadesivo 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 | |
| Fruttosio | Sigma Aldrich | F0127 | |
| Glycerol | Boom | 76050771.0500 | |
| Pipette di trasferimento graduato | Samco | 222-15 | |
| Agitatore orizzontale | VWR | 444-2900 | |
| Acido cloridrico (HCl) | Ajax Firechem. | 265.2.5L-PL | 10M soluzione madre, corrosivo |
| Software Imaris | Bitplane | ||
| Vetrini per microscopio Superfrost | ThermoFisher | 10143352 | bordo rettificato, 90 gradi 26 mm~76 mm |
| Paraformaldeide | Sigma Aldrich | P6148-500g | |
| Falloidina pericolosa Alexa Fluor 647 | ThermoFisher | A22287 | diluizione 1:100-200 |
| E-caderina | ThermoFisher | 13-1900 | diluizione 1:400 |
| Ki-67 | BD Biosciences Diluizione | B56 | 1:200 |
| Cheratina 5 | BioLegend | 905501 diluizione 1:500 | |
| Cheratina 8/18 | DSHB (Università dell'Iowa) | diluizione 1:200 | |
| MRP2 | Abcam | ab3373 | diluizione 1:50 |
| IgG di ratto secondaria (H+L) Alexa Fluor 488 | ThermoFisher | A-21208 | diluizione 1:500 |
| IgG secondarie di topo (H+L) Alexa Fluor 555 | Diluizione di ThermoFisher | A-31570 | 1:500 |
| IgG secondarie di coniglio (H+L) Alexa Fluor 555 | ThermoFisher | A-31572 | diluizione 1:500 |
| Sigillante siliconico | Griffon | S-200 | |
| Sodio Dodecil solfato | ThermoFisher | 28312 | |
| Pellet di idrossido di sodio (NaOH) Merck | Millipore | 567530 | 10 M soluzione madre, corrosiva |
| Piastre per colture cellulari in sospensione | Greiner Bio-One | 662102 | 24 pozzetti |
| Tris | Fisher Scientific | 11486631 | |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8532 | Hazardous |
| Tween-20 | Sigma Aldrich | P1379 | |
| UltraPure Basso Punto di Fusione (LMP) Agarosio | ThermoFisher | 16520050 | |
| Urea | Sigma Aldrich | 51456 | |
| Workstation | Dell |