Summary

Raccolta, espansione e differenziazione di modelli primari di cellule epiteliali nasali umane per la quantificazione della frequenza del battito delle ciglia

Published: November 10, 2021
doi:

Summary

Questo protocollo descrive la raccolta, l’espansione e la differenziazione delle cellule epiteliali nasali in modelli organotipici di cellule epiteliali delle vie aeree e la quantificazione della frequenza del battito delle ciglia tramite imaging di cellule vive e script personalizzati.

Abstract

Le misurazioni della funzione delle ciglia (frequenza del battito, pattern) sono state stabilite come strumenti diagnostici per le malattie respiratorie come la discinesia ciliare primaria. Tuttavia, l’applicazione più ampia di queste tecniche è limitata dall’estrema suscettibilità della funzione ciliare ai cambiamenti dei fattori ambientali, ad esempio temperatura, umidità e pH. Nelle vie aeree dei pazienti con fibrosi cistica (FC), l’accumulo di muco impedisce il battito delle ciglia. La funzione delle ciglia è stata studiata in modelli cellulari primari delle vie aeree come indicatore dell’attività del canale CFTR (Transmembrane Conductance Regulator). Tuttavia, una notevole variabilità da paziente a paziente nella frequenza di battitura delle ciglia è stata riscontrata in risposta ai farmaci modulanti CFTR, anche per i pazienti con le stesse mutazioni CFTR . Inoltre, l’impatto della secrezione disfunzionale di cloruro regolata da CFTR sulla funzione ciliare è poco compreso. Attualmente non esiste un protocollo completo che dimostri la preparazione del campione di modelli in vitro delle vie aeree, l’acquisizione di immagini e l’analisi della frequenza del battito delle ciglia (CBF). Le condizioni di coltura standardizzate e l’acquisizione di immagini eseguite in una condizione controllata dal punto di vista ambientale consentirebbero una quantificazione coerente e riproducibile del CBF tra individui e in risposta ai farmaci modulanti CFTR. Questo protocollo descrive la quantificazione del CBF in tre diversi sistemi modello di cellule epiteliali delle vie aeree: 1) fogli epiteliali nativi, 2) modelli di interfaccia aria-liquido ripresi su inserti di supporto permeabili e 3) organoidi tridimensionali incorporati in matrice extracellulare. Questi ultimi due replicano la fisiologia polmonare in vivo , con ciglia battenti e produzione di muco. La funzione ciliare viene catturata utilizzando una videocamera ad alta velocità in una camera controllata dall’ambiente. Per l’analisi di CBF vengono utilizzati script personalizzati. La traduzione delle misurazioni CBF in clinica è considerata un importante strumento clinico per prevedere la risposta ai farmaci modulanti CFTR su base paziente.

Introduction

Le misurazioni della frequenza e del pattern del battito delle ciglia (CBF) sono state stabilite come strumenti diagnostici per malattie respiratorie come la discinesia ciliare primaria (PCD)1. Nella fibrosi cistica (FC), la disfunzione del canale del cloruro CFTR (Transmembrane Conductance Regulator) CFTR causa disidratazione del liquido superficiale delle vie aeree e compromissione della clearance mucociliare2. La funzione ciliare è stata studiata in vitro in modelli cellulari primari delle vie aeree come indicatore dell’attività del canale CFTR3. Tuttavia, esiste una notevole variabilità da paziente a paziente nel CBF in risposta ai farmaci modulanti CFTR, anche per i pazienti con le stesse mutazioni CFTR 3. Inoltre, l’impatto della secrezione disfunzionale di cloruro regolata da CFTR sulla funzione ciliare è poco compreso. Attualmente non esiste un protocollo completo che dimostri la preparazione del campione di modelli in vitro delle vie aeree, l’acquisizione di immagini e l’analisi del CBF.

I fogli epiteliali nasali isolati dalle spazzolature della mucosa nasale sono utilizzati direttamente per le misurazioni della funzione ciliare per la diagnosi di PCD4. Tuttavia, mentre non vi è alcun controllo sulle dimensioni o sulla qualità dei fogli epiteliali nasali ottenuti, il CBF varia a seconda che venga misurato su singole cellule o fogli cellulari e su bordi ciliati del foglio epiteliale che sono interrotti o ininterrotti5. Pertanto, le discinesie secondarie causate da danni alle cellule durante la raccolta delle spazzolature della mucosa nasale possono influenzare il CBF. La coltura cellulare primaria di cellule epiteliali nasali e la loro differenziazione all’interfaccia aria-liquido (ALI) o nella matrice tridimensionale della membrana basale in organoidi epiteliali delle vie aeree ciliate danno origine a ciglia esenti da discinesie secondarie 4,6,7,8. Le cellule epiteliali delle vie aeree differenziate all’ALI (d’ora in poi denominate modelli ALI) sono state considerate un importante aiuto diagnostico secondario che replica i pattern del battito ciliare e la frequenza delle spazzolature ex vivo della mucosa nasale6 e consente l’analisi dell’ultrastruttura ciliare, del pattern del battito e della frequenza del battito mantenendo i difetti specifici del paziente9 . Tuttavia, esistono discrepanze nelle metodologie utilizzate per creare questi modelli cellulari differenziati pseudostratificati e mucociliari. Diversi protocolli di espansione o differenziazione della coltura potrebbero indurre fenotipi epiteliali distinti (ciliati o secretori)10 e determinare differenze significative nel CBF11. La CBF è stata quantificata in spazzolature epiteliali nasali 4,6,12,13,14,15,16, organoidi epiteliali delle vie aeree 14,17,18 e modelli ALI 3,4,6,13,19,20, 21. Tuttavia, tra questi protocolli, ci sono grandi variabilità e spesso molti parametri non sono controllati. Ad esempio, in alcuni studi, il CBF viene ripreso in situ mentre le cellule del modello ALI rimangono sull’inserto di supporto permeabile 3,19,20,21, altre ancora raschiano le cellule dall’inserto di supporto permeabile e le visualizzano sospese nei media 4,6,13.

Inoltre, la più ampia applicazione di tecniche che misurano la funzione ciliare è limitata dall’estrema suscettibilità della funzione ciliare ai cambiamenti dei fattori ambientali. Fattori ambientali come la temperatura22, l’umidità 23,24 e il pH 25,26 influenzano la funzione ciliare e devono essere regolati per quantificare accuratamente il CBF. I vari parametri fisiologici utilizzati in diversi laboratori e il modo in cui influenzano il CBF sono stati rivisti in precedenza27.

In letteratura sono riportate varie tecnologie di imaging e approcci alle misurazioni CBF. Per la diagnostica PCD, la microscopia video viene utilizzata per misurare la funzione ciliare28,29. Recentemente, un algoritmo di analisi video basato sulla microscopia dinamica differenziale è stato utilizzato per quantificare sia il CBF che la coordinazione delle ciglianei modelli ALI 3,30 delle cellule epiteliali delle vie aeree. Questo metodo consente la caratterizzazione del battito ciliare nelle cellule epiteliali delle vie aeree in modo rapido e completamente automatizzato, senza la necessità di segmentare o selezionare regioni. Vari metodi per l’imaging e la quantificazione del CBF possono aggiungere alle differenze riportate in CBF in letteratura (Supplementary File 1).

Un protocollo dalla coltura alla quantificazione per semplificare i metodi esistenti, la standardizzazione delle condizioni di coltura e l’acquisizione di immagini, eseguite in rigorose condizioni di controllo ambientale, consentirebbero una quantificazione coerente e riproducibile del CBF all’interno e tra gli individui.

Questo protocollo fornisce una descrizione completa della raccolta di cellule epiteliali, delle condizioni di crescita di espansione e differenziazione e della quantificazione del CBF in tre diversi sistemi modello di cellule epiteliali delle vie aeree di origine nasale: 1) fogli epiteliali nativi, 2) modelli ALI ripresi su inserti di supporto permeabili e 3) organoidi tridimensionali incorporati nella matrice extracellulare (ECM) (Figura 1 ). Le cellule epiteliali nasali ottenute da spazzolature dei turbinati inferiori nasali sono utilizzate come rappresentanti dell’epitelio delle vie aeree poiché sono un surrogato efficace per le cellule epiteliali bronchiali31 superando la procedura invasiva associata alla raccolta di spazzolature bronchiali. Il metodo Conditional Reprogramming Cell (CRC) viene utilizzato per espandere le cellule epiteliali primarie delle vie aeree per la creazione di modelli ALI e organoidi tridimensionali. La riprogrammazione condizionale delle cellule epiteliali delle vie aeree in uno stato simile alle cellule staminali è indotta dalla co-coltura con il sistema cellulare alimentatore di fibroblasti arrestato dalla crescita e l’inibitore della chinasi Rho-associata (ROCK)32. È importante sottolineare che il metodo CRC aumenta il raddoppio della popolazione nelle cellule epiteliali delle vie aeree mantenendo il loro potenziale di differenziazione tessuto-specifico33,34. In tutti i modelli di cellule epiteliali delle vie aeree, la funzione ciliare viene catturata in una camera a temperatura controllata utilizzando una videocamera ad alta velocità con impostazioni di acquisizione delle immagini standardizzate. Per la quantificazione del CBF vengono utilizzati script personalizzati.

Figure 1
Figura 1: Schema del flusso di lavoro. Dopo aver spazzolato il turbinato inferiore nasale dei partecipanti, le cellule epiteliali delle vie aeree vengono utilizzate in uno dei due modi. I fogli epiteliali delle vie aeree sono isolati e la frequenza del battito delle ciglia viene immediatamente visualizzata, oppure le cellule epiteliali delle vie aeree vengono espanse tramite il metodo della cellula di riprogrammazione condizionale. Le cellule epiteliali delle vie aeree espanse con CRC sono differenziate per stabilire cellule epiteliali delle vie aeree in un’interfaccia aria-liquido o colture organoidi epiteliali delle vie aeree. L’imaging della frequenza del battito ciliare viene acquisito utilizzando un microscopio di imaging a cellule vive con una camera ambientale di riscaldamento e umidità e una fotocamera scientifica ad alta frequenza di fotogrammi (>100Hz). L’analisi dei dati viene eseguita utilizzando script personalizzati. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Protocol

L’approvazione dello studio è stata ricevuta dal Sydney Children’s Hospital Network Ethics Review Board (HREC/16/SCHN/120). Il consenso scritto è stato ottenuto da tutti i partecipanti (o dal tutore dei partecipanti) prima della raccolta dei campioni biologici. 1. Preparativi per stabilire modelli di cellule epiteliali delle vie aeree Preparare i mezzi di raccolta delle cellule nasali combinando l’80% di Modified Eagle Medium di Dulbecco e il 20% di siero bovino fe…

Representative Results

Per dimostrare l’efficienza di questo protocollo nella quantificazione del CBF, vengono presentati i risultati del CBF misurati in modelli ALI di cellule epiteliali delle vie aeree derivati da tre partecipanti con FC e tre partecipanti sani di controllo. Il giorno 14 della differenziazione della cultura, erano presenti ciglia battenti (Figura 6). Dal giorno 14 al 21 della differenziazione della cultura, è stato osservato un aumento statisticamente significativo (P < 0,0345) del CBF all'inte…

Discussion

Ci sono molteplici fattori che potrebbero oscurare la quantificazione del CBF nei fogli epiteliali nasali. I fogli epiteliali devono essere visualizzati entro 3-9 ore dalla raccolta del campione poiché la funzione ciliare è più stabile durante questo periodo37. Meno globuli rossi e detriti sono più ottimali per l’imaging poiché interferiscono con l’acquisizione dei dati. Quando si seleziona un ROI per l’imaging, è importante selezionare un foglio epiteliale che non sia stato danneggiato o in…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ringraziamo i partecipanti allo studio e le loro famiglie per i loro contributi. Apprezziamo l’assistenza del dipartimento respiratorio di Randwick del Sydney Children’s Hospitals (SCH) nell’organizzazione e nella raccolta di campioni biologici dei pazienti – un ringraziamento speciale al Dr. John Widger, alla dottoressa Yvonne Belessis, Leanne Plush, Amanda Thompson e Rhonda Bell. Riconosciamo l’assistenza di Iveta Slapetova e Renee Whan della Katharina Gaus Light Microscopy Facility all’interno del Mark Wainwright Analytical Centre presso UNSW Sydney. Questo lavoro è supportato dal National Health and Medical Research Council (NHMRC) Australia (GNT1188987), CF Foundation Australia e Sydney Children’s Hospital Foundation. Gli autori desiderano riconoscere Luminesce Alliance – Innovation for Children’s Health per il suo contributo e supporto. Luminesce Alliance – Innovation for Children’s Health è una joint venture cooperativa senza scopo di lucro tra il Sydney Children’s Hospitals Network, il Children’s Medical Research Institute e il Children’s Cancer Institute. È stato istituito con il supporto del governo del NSW per coordinare e integrare la ricerca pediatrica. Luminesce Alliance è anche affiliata con l’Università di Sydney e l’Università del New South Wales Sydney. KMA è supportata da una borsa di studio del programma di formazione per la ricerca del governo australiano. LKF è sostenuta dal Rotary Club di Sydney Cove/Sydney Children’s Hospital Foundation e dalle borse di studio post-laurea dell’UNSW University.

Materials

Adenine Sigma-Aldrich A2786 10 mg/mL
Advanced DMEM/F-12 Thermo Fisher Scientific 12634-010
Alanyl-glutamine Sigma-Aldrich G8541 200 mM
Andor Zyla 4.2 sCMOS Oxford Instruments Fast frame rate (>100 Hz) scientific camera
Bottle-top vacuum filter system Sigma-Aldrich CLS431098
Ceftazidime hydrate Sigma-Aldrich A6987 50 mg/mL
Cell Culture Microscope Olympus CKX53
CFI S Plan Fluor ELWD 20XC Nikon Instruments Inc. MRH08230 Long working distance objective lens. NA0.45 WD 8.2-6.9
Cholera toxin Sigma-Aldrich C8052-1MG 200 µg/mL
Corning Gel Strainer 40 UM Sigma-Aldrich CLS431750 Pore size 40 μm
Corning Matrigel Matrix (Phenol red-free) Corning 356231 Extracellular matrix (ECM)
Corning bottle-top vacuum filter system Sigma-Aldrich CLS431098
Corning CoolCell LX Cell Freezing Container Sigma-Aldrich CLS432002
Corning Transwell polyester membrane cell culture inserts Sigma-Aldrich CLS3470 Permeable support inserts. 6.5 mm Transwell with 0.4 μm pore polyester membrane insert.
Countess Cell Counting Chamber Slides Thermo Fisher Scientific C10228
Countess II Automated Cell Counter ThermoFisher Scientific AMQAX1000 Automated cell counter
Cytology brushes McFarlane Medical 33009
DMEM/F12-Ham Thermo Fisher Scientific 11330032
DMEM/F12-Ham Thermo Fisher Scientific 11330032
DMEM-High Glucose Thermo Fisher Scientific 11965-092
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) Sigma-Aldrich D8537
Eclipse Ti2-E Nikon Live-cell imaging microscope.
Fetal Bovine Serum, certified, heat inactivated, United States Thermo Fisher Scientific 10082147
Fungizone (Amphotericin B) Thermo Fisher Scientific 15290018 250 µg/mL
Gentamicin solution Sigma-Aldrich G1397 50 mg/mL
Graphpad Prism Graphpad Scientific analysis software
Greiner Cryo.s vials Sigma-Aldrich V3135 Cryogenic vials
HEPES solution Sigma-Aldrich H0887 1 M
HI-FBS Thermo Fisher Scientific 10082-147
Hydrocortisone Sigma-Aldrich H0888 3.6 mg/mL
Incubator NL Ti2 BLACK 2000 PeCon Microscope environmental chamber. Allows warm air incubation and local CO2 and O2 gassing
Insulin Sigma-Aldrich I2643 2 mg/mL
Lab Armor 74220 706 Waterless Bead Bath 6L John Morris Group 74220 706 Bead bath
Lab Armor Beads Thermo Fisher Scientific A1254302 Thermal beads
MATLAB MathWorks Computing software
Microsoft Excel Microscoft Spreadsheet software
NIH/3T3 American Type Culture Collection CRL-1658 Irradiated NIH-3T3 mouse embryonic feeder cells
NIS-Elements AR Nikon Instruments Inc. Image acquisition software
Penicillin-Streptomycin Sigma-Aldrich P4333 10,000 units penicillin and 10 mg streptomycin/mL
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) Sigma-Aldrich D8537
PneumaCult Airway Organoid Kit StemCell Technologies 5060 Airway Organoid Kit
PneumaCult-ALI Medium StemCell Technologies 5001
PneumaCult-Ex Plus Medium StemCell Technologies 5040
PureCol-S Advanced BioMatrix 5015 Type I Collagen solution
ReagentPack Subculture Reagents Lonza CC-5034
rhEGF (Epidermal Growth Factor, human) Sigma-Aldrich E9644 25 µg/mL
Y-27632 2HCl (ROCK inhibitor) Selleckchem S1049 10 mM
Tobramycin Sigma-Aldrich T4014 100 mg/mL
Trypan blue solution Sigma-Aldrich T8154 0.4%
UNO Stage Top Incubator Okolab Microscope incubator. Allows temperature, humidity and CO2 conditioning

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Allan, K. M., Wong, S. L., Fawcett, L. K., Capraro, A., Jaffe, A., Herbert, C., Pandzic, E., Waters, S. A. Collection, Expansion, and Differentiation of Primary Human Nasal Epithelial Cell Models for Quantification of Cilia Beat Frequency. J. Vis. Exp. (177), e63090, doi:10.3791/63090 (2021).

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