我々は、1)レンチまたはレトロウイルス伝達のための磁気ナノ粒子を使用して腸内オルガノイドを効率的に設計し、2)工学的オルガノイドから凍結切片を生成するステップバイステップの指示を説明する。このアプローチは、下流の効果を調査するためにオルガノイドの遺伝子発現を効率的に変更するための強力なツールを提供します。
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我々は、1)レンチまたはレトロウイルス伝達のための磁気ナノ粒子を使用して腸内オルガノイドを効率的に設計し、2)工学的オルガノイドから凍結切片を生成するステップバイステップの指示を説明する。このアプローチは、下流の効果を調査するためにオルガノイドの遺伝子発現を効率的に変更するための強力なツールを提供します。
腸内オルガノイド培養は、インビトロで腸幹細胞と暗号生物学を調べるユニークな機会を提供しますが、オルガノイドの遺伝子発現を操作する効率的なアプローチは、この分野で限られた進歩を遂げています。CRISPR/Cas9技術は、オルガノイド生成のための細胞の正確なゲノム編集を可能にしますが、この戦略は、時間とコストの両方である配列分析による広範な選択とスクリーニングを必要とします。ここでは、腸内オルガノイドの効率的なウイルス伝達のための詳細なプロトコルを提供する。このアプローチは迅速かつ高効率であるため、CRISPR/Cas9テクノロジーに固有の時間と費用を削減できます。また、遺伝子発現やサイレンシングを確認するために使用できる免疫組織化学的または免疫蛍光染色を用いたさらなる分析のために、無傷のオルガノイド培養物から凍結切片を生成するプロトコルを提示する。遺伝子発現またはサイレンシングのためのウイルスベクターの正常な伝達が達成された後、腸幹細胞および暗号機能を迅速に評価することができる。ほとんどのオルガノイド研究はインビトロアッセイを採用していますが、オルガノイドは生体内機能解析のためにマウスに送達することもできます。また、現在利用可能な治療法は、ゲノムを変えるのではなく遺伝子発現やタンパク質機能を調節することによって一般的に機能するため、薬剤に対する治療応答を予測する上で有利です。
マウスまたはヒトの暗号を小腸または結腸から長期間にわたって3次元(3D)オルガノイドとして培養する能力は、これらの培養物が生体内の腸上皮の特徴を定義するので、大きなブレークスルーを提供した1,2,3.原発性暗号に由来するオルガノイドは、自己更新および自己組織化が可能であり、起源の組織と同様の細胞機能を示す。実際、オルガノイドは、生体内のクリプトの構造組織だけでなく、多くの分子特徴を要約し、正常な生物学や疾患状態を研究するのに有用なツールを提供します。例示するために、オルガノイド研究は、組織再生1、2、3、4、5だけでなく、機能を増強することができる薬物に関与する新しい分子経路を明らかにした病理学的設定6、7で。
腸幹細胞の研究は、腸内層が最も再生性の高い哺乳類組織の一つであるため、特に興味深いものであり、細菌、毒素、およびその他の病原体から生物を保護するために3〜5日ごとに更新する腸の内気。腸幹細胞(ISC)は、この顕著な再生能力を担い、成人幹細胞機能1、2を研究するためのユニークなパラダイムを提供します。マウスの系統トレース実験は、単離されたLgr5陽性幹細胞を培養して、3Dオルガノイドまたは「ミニ腸」をインビトロで生成し、インビボに近い形でそれらが密接にミラーリングできることを実証した。オルガノイド培養はまた、前駆体、ISC、およびパネス細胞からなる腸暗号細胞単離物から導き出され、後者は生体内の上皮ニッチ細胞を構成する。実際、原発性腸暗号細胞からのオルガノイド培養は、広く利用可能な試薬を使用してほとんどの実験室で実装しやすい比較的日常的な技術に進化しています。このモデルはまた、質量分析、免疫組織化学、または免疫蛍光染色2、4、8によるRNAシーケンシング(RNA-Seq)およびタンパク質による遺伝子発現の定量分析にも適している。さらに、機能遺伝学は、機能ゲイン(活性化変異遺伝子の遺伝子過剰発現または発現)または機能喪失(遺伝子サイレンシングまたは機能喪失変異体の発現)アプローチ2を用いて研究することができる。
重要なことに、ポリブレンを用いた標準的なプラスミドDNAまたはウイルス伝達プロトコルの低効率および高毒性は、この分野における大きなハードルのままである。CRISPR/Cas9技術は正確なゲノム編集を可能にしますが、このアプローチでは、シーケンス検証9に続いて時間のかかる選択が必要です。ここでは、磁気ナノ粒子への結合と磁場の応用によりウイルス粒子の送達を最適化する一次腸内オルガノイドのウイルス伝達プロトコルを提示する。以前のプロトコル4、5、10、11、12、13および効率を高めるための推奨事項に対する主要な変更が提供される。また、免疫組織化学または免疫蛍光染色を用いたさらなる分析のために、3Dマトリゲル(以下、地下膜マトリックスまたはマトリックスと呼ばれる)で培養された無傷のオルガノイドから凍結切片を生成するアプローチについても説明する。
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このプロトコルは、ジョンズ・ホプキンス医療機関動物ケア・使用委員会(IACUC)によって承認されました。このプロトコルは、以前に公開された方法10、11、12、13から変更されます。
1. 試薬の調製
2. レンチウイルスまたはレトロウイルス粒子産生
3. クリプトの分離
4. オルガノイド断片調製
5. ウイルス伝達によるオルガノイドまたは暗号細胞の遺伝子工学
注:図 2を参照してください。
6. 感染したオルガノイド断片の播種
7. 選択(該当する場合)
8. 正常な伝達および遺伝子発現またはサイレンシングの確認
9. 基体膜マトリックスにおけるオルガノイド凍結切除
注:図 3を参照してください。
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ここでは、磁場にさらされた磁性ナノ粒子を利用して、目的の細胞にレンチウイルスを届ける、迅速かつ効率的なトランスダクション技術について述べる。容易に入手可能なツールを用いて、新たに単離されたクリプト細胞(図1A)をトランスデュースするだけでなく、オルガノイド(図2)やより日常的なトランスダクションアプローチに難治性である他の細胞にもこのアプローチを適用しました。レンチウイルス粒子は、磁性ナノ粒子に容易に結合することができ、得られたウイルスナノ粒子複合体は、磁気プレートを使用して磁場を適用することにより効率的に送達されます。このアプローチを最適化するために、まずGFPにリンクされたレンチウイルスベクターを試験し、GFPを使用して蛍光顕微鏡でトランスプリケートされた細胞を同定しました。GFPは、細胞を嚢胞状の構造に組織化する初期の段階(図4A)、またはオルガノイドが芽を形成する後の時点(
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オルガノイドとしての成人腸上皮の一次培養は、幹細胞機能、腸上皮恒常性、病理1、2、3、病理学に関与する分子機構を研究するための強力なツールを提供する。 4.CRISPR/Cas9技術は、遺伝子操作可能なオルガノイド9に使用できますが、所望の遺伝的変化に対する配列解析に基づく広範なスクリーニングと選択の必要性によって制限されます。このプロトコルの目的は、腸オルガノイドへのレンチまたはレトロウイルスの磁気ナノ粒子送達のためのビデオベースのチュートリアルで明確かつ簡潔な指示を提供し、続いて凍結断面を提供してさらなる分析を行う。
このプロトコルは、腸内オルガノイドを遺伝子操作し、凍結した切片からの遺伝子過剰発現またはサイレンシングの結果を分析するための迅速かつ効率的な方法です。重要な手順の...
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著者は開示するものが何もない
この研究は、国立衛生研究所(R01DK102943、R03CA182679、R03CA191621)、メリーランド幹細胞研究基金(2015-MSCRFE-1759、2017-MSCRFD-3934)、米国肺協会、アレニー・ネットワーク・ジョンからの助成金によって支援されました。ホプキンス研究基金とホプキンス消化器病基礎研究センター
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| DMEM | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 11965092 | 293T細胞用ベース培地 |
| DMEM/F12+ | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 12634010 | オルガノイド培養培地およびオルガノイド消化バッファー用ベース培地 |
| OPTI-MEM | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 11058021 | ウイルスプラスミド トランスフェクション培地 |
| ウシ胎児血清 | コーニング | 35-011-CV | ウイルス収集培地および293T培地の成分 |
| ペン/連鎖球菌 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 15140122 | オルガノイド培地および陰窩解離緩衝液の成分 |
| PBS(Ca2+, Mg2+) | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 10010049 | 洗浄液および陰窩解離液の成分 |
| Mem-NEAA | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 11140050 | オルガノイド培地の成分 |
| GlutamaxII | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 35050061 | オルガノイド培地の成分 |
| HEPES | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 15630080 | オルガノイド培地の成分 |
| EGF | Millipore Sigma | E9644 | オルガノイド培地の成分 |
| Noggin | Peprotech | 250-38 B | オルガノイド培養液 |
| R-spondin | R&D | 7150-RS-025/CF | オルガノイド培地の成分 |
| ヒト組換えインスリン | ミリポアシグマ | I9278-5ml | オルガノイド培地の成分 |
| ニコチンアミド | ミリポアシグマ | N3376-100G | 形質導入培地の成分 |
| Wnt3A | R&D | 5036-WN-010 | 形質導入培地の成分 |
| Y27632 | ミリポア Sigma | Y0503-1MG | 形質導入培地の成分 |
| 0.5 M EDTA | モフィッシャーサイエンティフィック | 15575020 | クリプトの成分 解離緩衝液 |
| DTT(ジチオスレイトール) | モフィッシャーサイエンティフィック | R0861 | クリプトの成分 解離緩衝液 |
| ディスパーゼ I | ミリポアSigma | D4818-2MG | オルガノイド消化バッファー |
| DNase I | ミリポア成分 Sigma | 11284932001 | オルガノイド消化バッファー |
| マトリゲルの成分(成長因子低減) | コーニング | 356231 | オルガノイドを埋め込むためのマトリックスとして使用 |
| Opti-MEM Thermo-Fisher | Scientific | 31985070 | ウイルス産生におけるトランスフェクション用培地 |
| ViralMag R/L | Oz Biosiences | RL40200 | ウイルス形質導入の磁性粒子 |
| 磁気プレート | Oz Biosiences | MF10000 | ウイルス形質導入を促進する磁気プレート |
| リポフェクタミン 2000 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 11668019 | ウイルス生産におけるトランスフェクション剤 |
| Poly-D-Lysine | Millipore Sigma | A-003-E | 293T細胞を播種する前のプレート用コーティング |
| 4% ホルムアルデヒド溶液 | Boster | AR1068 | オルガノイドを固定する溶液 |
| O.C.T 包埋化合物 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 4583S | オルガノイドの埋め込み用 |
| 5 mL ファルコンポリスチレンチューブ | コーニング | 352054 | |
| 50 mL ファルコンチューブ | Sarstedt | 62.547.100 | |
| オービトロンローテーター II ロッカーシェーカー | Boekel Scientific | 260250 | |
| オリンパス 逆顕微鏡 CK30 | オリンパス | CK30 | 陰窩のスキャンとカウント用 |
| ツァイス Axiovert 200 反転蛍光 | ニコン | アクシボバート 200 | 陰窩の蛍光を表示するため |
| アミコン ウルトラ15 遠心フィルターユニット ウルトラセル-100 膜 | ミリポア シグマ | UFC910024 | ウイルス |
| の濃縮用pluriStrainer 20 µm (Cell Strainer) | pluriSelect | SKU 43-50020 | オルガノイド断片の調製用 |
| Falcon Cell Strainer | Fisher Scientific | 352340 | 陰窩分離後の同サイズのcyrptsの調製用 |
| Greiner CELLSTAR マルチウェル培養プレート 48ウェル(TC処理済み蓋付き) | Millipore Sigma | M8937-100EA | ForD2:D37+D16:D37g オルガノイドフラグメント |
| 動物株:C57BL/6J | Jackson Lab | #000664 | オルガノイド培養用 |
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