ここでは、基本的な3次元(3D)腸細胞株モデルシステムの構築と、固定された腸当等物の光学顕微鏡的評価のためのパラフィン包埋プロトコルについて説明します。選択したタンパク質を染色することで、1回の実験で複数の視覚的パラメータを解析し、前臨床薬物スクリーニング研究に活用することができます。
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ここでは、基本的な3次元(3D)腸細胞株モデルシステムの構築と、固定された腸当等物の光学顕微鏡的評価のためのパラフィン包埋プロトコルについて説明します。選択したタンパク質を染色することで、1回の実験で複数の視覚的パラメータを解析し、前臨床薬物スクリーニング研究に活用することができます。
炎症性腸疾患の病態生理学の研究、潜在的に有益な物質の薬理学的スクリーニング、および潜在的に有害な食品成分の毒性研究のために、 in vivo および in vitro 腸モデルの使用が増加しています。関連して、動物モデルに代わる細胞ベースの in vitro モデルの開発が現在求められています。ここでは、細胞株を使用した基本的な「健康な組織」の三次元(3D)腸と同等モデルのプロトコルが、実験のシンプルさ(標準化され、容易に再現可能なシステム)と生理学的複雑さ(U937単球とL929線維芽細胞の支持免疫成分を持つCaco-2腸細胞)の両方を提供するという二重の利点を備えています。このプロトコルには、固定腸当量物の光学顕微鏡評価のためのパラフィン包埋も含まれており、それによって1回の実験から複数の視覚パラメータを分析するという利点を提供します。ヘマトキシリンとエオシン(H&E)で染色した切片は、対照処理でCaco-2柱状細胞がタイトで規則的な単層を形成していることを示すもので、実験システムとしてのモデルの有効性を検証するために使用されます。グルテンを炎症誘発性食品成分として使用し、切片から分析したパラメータには、単層の厚さの減少、基礎となるマトリックス(H&E)からの破壊と剥離、オクルージン染色(統計的に定量化可能)から示されるようなタイトジャンクションタンパク質発現の減少、分化クラスター14(CD14)染色とCD11b関連のマクロファージへの分化から証明される遊走U937細胞の免疫活性化が含まれます。リポ多糖類を用いて腸の炎症をシミュレートすることによって示されるように、測定可能な追加のパラメータは、粘液染色の増加および固定前に培地から抽出することができるサイトカイン発現(ミッドカインなど)である。基本的な3次元(3D)腸粘膜モデルと固定切片は、複数の視覚的に定量化可能なパラメータを分析する可能性を備えた炎症状態とバリアの完全性の研究に推奨できます。
腸管上皮関門は、異なる種類の上皮細胞を含む1細胞厚の内層であり、身体の外部環境と内部環境との間の最初の物理的防御障壁または界面を構成する1,2。円柱型腸細胞は、上皮細胞の中で最も豊富なタイプを構成します。これらは、タイトジャンクション(TJ)を含むいくつかのバリアコンポーネント間の相互作用を通じて上皮バリアの完全性を維持する役割を担っており、バリアの引き締めに重要な役割を果たしています1,3。TJ構造は、閉塞帯帯(ZO)やシングリンなどの細胞内プラークタンパク質からなり、オクルージン、クローディン、接合接着分子(JAM)などの膜貫通タンパク質と協働して、隣接する細胞を緊密につなぐジッパー状の構造を形成します3,4。膜貫通型タンパク質は、低分子化合物の受動的な傍細胞拡散を調節し、有毒な高分子を排除します。
潜在的に有毒な食品化合物や食品汚染物質は、炎症性サイトカイン産生を刺激し、上皮透過性を破壊し、免疫細胞を活性化し、慢性的な腸組織の炎症を引き起こします5,6,7。対照的に、さまざまな抗酸化および抗炎症性植物化学物質は、TJタンパク質の発現と組み立ての回復を通じて、炎症性サイトカインの発現を減少させ、腸のTJバリアの完全性を高めることが報告されています4,6,8。したがって、有益な化合物と有害な化合物の両方による上皮バリアの完全性の調節により、医薬品スクリーニングおよび毒性試験のための腸管バリアを模倣することを目的としたin vivoおよびin vitroモデルの両方の使用が増加しています。これは、腸管疾患(IBD)、壊死性腸炎、および癌の病態生理学を理解することへの関心が高まっていることを考えると、特に関連性があります8,9,10。
動物実験における「3R」の目的を達成するために、細胞ベースのin vitroモデルの開発が求められています。これらには、動物の使用に代わる代替手段、使用される動物の数の削減、および苦痛を軽減する方法の採用の改良が含まれます11,12,13。さらに、ヒトモデルとマウスモデル(げっ歯類が最も広く使用されている種)の根底にある分子、細胞、および生理学的メカニズムは独特であり、ヒトの応答における予測因子としてのマウスモデルの有効性に関する論争につながっています12,13。in vitroヒト細胞株モデルの多くの利点には、標的制限実験、直接観察、および連続分析が含まれます13。
2次元(2D)培養における単細胞型単分子膜は、強力なモデルとして役立っています。しかし、これらはヒト組織の生理学的複雑さを正確に再現することはできない8,13,14。その結果、次世代のリスク評価ツールボックスとして、健康な腸組織と病気の腸組織の両方の生理学的複雑さを再現するために、ますます改善された3D培養システムが開発されています13,14。これらのモデルには、多様な細胞株を備えた3Dトランズウェルスキャフォールド、オルガノイド培養物、細胞株とオルガノイド(健康な組織と病気の組織の両方に由来する)の両方を使用したマイクロ流体デバイス(腸管オンチップ)が含まれます8,13,14。
本研究で提示された3D「健康な組織」腸と同等のプロトコルは、生理学的複雑さと実験の単純さのバランスをとることに基づいていました13。このモデルは、3つの細胞株(腸細胞[ゴールドスタンダードの結腸腺癌Caco-2株]と支持免疫成分[U937単球およびL929線維芽細胞])で構成され、腸上皮バリアの完全性と免疫応答に関心のある食物分子の予備スクリーニングに適用可能な標準化された再現性のあるシステムを構成する3Dトランズウェルスキャフォールドの代表例です。プロトコルは固定腸の等量を使用して上皮障壁の完全性の光学顕微鏡評価のためのパラフィンの埋め込みを含んでいる。本アプローチの利点は、1回の実験で複数のパラメータについて、包埋組織の多数の切片を染色することができることである。
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1. 基本的な3D再建腸粘膜モデルの作成
注意: 手順全体は、滅菌層流フードで実行する必要があります。細胞インキュベーターの使用を含む手順のすべてのステップは、培養物が5%CO2 を含む加湿雰囲気中で37°Cでインキュベートされることを意味します(プロトコルに別段の記載がない限り)。
2. 再建された腸粘膜モデルのパラフィン包埋
注意: 手順全体は、化学ヒュームフードの下で実行する必要があります。各ステップとそれぞれの時間配分を厳守する必要があります。このため、すべての試薬を事前に準備しておくことが重要です。
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最初の重要な側面は、実験目的で基本的な3D腸当量粘膜の受容性を決定することです。これは、組織学および組織病理学の研究室で最も広く使用されている染色、すなわちヘマトキシリン(核物質を濃い青紫色に染色)およびエオシン(ピンクのさまざまな色合いの細胞質物質を染色)で行います。H&E染色は、まず未処理のコントロールで行い、実験的処理と同じ条件と時間枠で培養します。細胞のパターン、形状、構造を可視化することで、この腸管細胞モデルシステムの成功は、5日後にCaco-2細胞が細胞外マトリックス(ECM)に富む固有層の上にタイトで規則的な単層を形成することによって決定されます(図1A)。さらなる分析に適さないと判断されるモデル系の例には、10日後に示されているように、上皮層が乱れて過剰に増殖するものが含まれます(図1B)。別の例としては、過剰なCaco-2細胞の播種または過度のインキュベーションによって引き起こされる、厚すぎて混乱した上皮層があります(図1C)。奇形(
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ここで紹介する基本的な再建腸粘膜モデルシステム(図6)は、生理学的複雑さ(線維芽細胞と単球を含むECMに富む固有層支持体を持つCaco-2単層を含む、より生理学的に関連性のある3D細胞培養)と実験の単純さ(市販のヒト細胞株を使用して標準化され、再現性のあるシステムを作製する)を兼ね備えています13.そのため、このモデルシステムは、潜在的な医薬品/食品成分が腸バリアの完全性に及ぼす影響を評価することを目的としたマウスモデルの適切な代替手段と見なされています。この点に関して、以前の論文は、潜在的に有益な化合物(および用量依存性)と有害な食品成分の両方をテストする上で、現在の細胞培養モデルの有効性を実証しています7,16,17。さらに、LPSまたは代替の炎症誘発性試薬(2,4,6-トリニトロベンゼンスルホン酸またはデキストラン硫酸ナトリウム)を現在の腸...
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著者らは、利益相反がないことを宣言します。
ウンベルト・ヴェロネージ財団の研究者活動を支援するフェローシップに感謝します。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| アルシアンブルー/PASキット | サイテック・ラボラトリーズ社 | APS-1、APS-2 | 免疫組織化学染色キット |
| ブルー・トリパン溶液 | サーモ・フィッシャー | 15250061 | 細胞数解析 |
| Caco-2 大腸腺癌細胞 | ATCC | ATCCHTB-37 | 細胞株 |
| シトロ・ヒスト・クリアリモネン系 | ヒストリン研究所 | R0050CITRO | パラフィン埋め込み用の試薬 |
| ドゥルベッコ'改良型イーグル中型(DMEM) | GIBCO | 11965092 | 細胞コルチャー試薬 |
| 埋め込みセンター | ヒストリン研究所 | TEC2900 | パラフィン埋め込み用の装置 |
| 胎児用牛血清(FBS) | GIBCO | A5256701 | 細胞コルチャー試薬 |
| ハンクス'バランスソルトソリューション(HBSS) | GIBCO | 12350039 | 細胞コルチャー試薬 |
| ヒューマン・ミドカインELISAキット | コヘージョン・バイオサイエンス | CEK1270 | キット・エリサ |
| 逆立顕微鏡 | エクリプスTs2、ニコン | MFA34100 | 顕微鏡 |
| L929マウス線維芽細胞 | ATCC | ATCC ®-CCL1 | 細胞株 |
| LC3-II | ノバス・バイオロジカルズ | NB910-40752スーパーノーバスパック | 抗体 |
| L-グルタミン | GIBCO | A2916801 | 細胞コルチャー試薬 |
| オクルディン | ノバス・バイオロジカルズ | NBP1-87402 | 抗体 |
| パラフィンラボ・O・ワックス PLUS 56 °C–58 °C | ヒストリン研究所 | R0040プラス | パラフィン埋め込み用の装置 |
| ペニシリン・ストレプトマイシン | GIBCO | 15070063 | 細胞コルチャー試薬 |
| ペニシリン・ストレプトマイシン | GIBCO | 15070063 | 細胞コルチャー試薬 |
| ラットテールコラーゲンタイプI | GIBCO | A1048301 | 細胞コルチャー試薬 |
| ロズウェルパーク記念研究所ミディアム(RPMI) | GIBCO | 21870076 | 細胞コルチャー試薬 |
| ピルビン酸ナトリウム | GIBCO | 11360070 | 細胞コルチャー試薬 |
| サーモフィッシャー カウンテスII FL 自動セルカウンター | サーモ・フィッシャー | TF-CACC2FL | セルカウント装置 |
| トランスウェル | 共演者コーニング | 3413 | 細胞結合のためのプラスチック |
| トリプシン | GIBCO | 15090046 | 細胞コルチャー試薬 |
| U937は単球性のヒト骨髄性白血病細胞株です | ATCC | ATCC CRL-1593.2 | 細胞株 |
| UltraTek アルクホス アンチポリバレント(永久赤)ステインキット | サイテック・ラボラトリーズ社 | AMH080 | 免疫組織化学染色キット |
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