この記事は半固体基底の膜のマトリックス内の脾臓のセルを凝集し、カプセル封入するためのプロトコルを記述する。基底膜マトリックスコンストラクトは、オルガノイド発生の研究、または in vivo 移植および組織再生研究のための三次元培養に使用できます。
Method Article
この記事は半固体基底の膜のマトリックス内の脾臓のセルを凝集し、カプセル封入するためのプロトコルを記述する。基底膜マトリックスコンストラクトは、オルガノイド発生の研究、または in vivo 移植および組織再生研究のための三次元培養に使用できます。
脾臓は、血液媒介性免疫応答に重要な役割を果たす免疫器官です。この組織の解剖学的または機能的な喪失は、重度の血液感染症および敗血症に対する感受性を高める。脾臓切片の自家移植は、失われた組織を補充し、免疫機能を回復させるために臨床的に使用されています。しかし、堅牢で免疫学的に機能する脾臓組織の再生を促進するメカニズムは完全には解明されていません。本研究では、脾臓細胞を半固体マトリックス内に凝集・カプセル化する方法を開発し、脾臓組織形成に必要な細胞を解明することを目指しています。基底膜マトリックスカプセル化された細胞コンストラクトは、三次元オルガノイドの in vitro 組織培養と、 in vivo 組織形成を直接評価するための腎臓カプセル下移植の両方に適しています。インプット細胞の凝集とカプセル化を操作することで、移植モデル動物移植モデルにおける脾臓組織の再生には、移植片由来のPDGFRβ+MAdCAM-1- 新生児間質細胞が必要であることを実証しました。
脾臓の外傷性破裂と体内の複数の脾臓結節の出現は、脾臓組織が再生能力を持っていることを示す最初の兆候の1つでした1,2。脾臓自家移植は、緊急脾臓摘出術を必要とする患者の脾臓組織を保存するために、後にクリニックに導入されました3。しかし、何十年にもわたって臨床診療の一部となっているにもかかわらず、脾臓がどのように再生するかについてはほとんど知られていません。動物移植モデルは、脾臓の再生と免疫機能の複数のパラメータに関する洞察を与えてきました4,5。特に、移植片調製法の実験的変更により、組織再生を細胞および分子レベルでより詳細に研究できるようになりました。
脾臓全切片を含む移植は、新しい脾臓構造が再構築される前に、大量壊死の段階を経る6。移植片壊死の初期段階は、移植された組織の大部分が赤血球と白血球で構成されており、脾臓の再生には不要であることを示唆しています。これは、マウス腎臓嚢の下に移植する前に、脾臓移植片から造血細胞を除外することによって実験的に調査されました。ここで、間質細胞と内皮細胞を含む脾臓の非白血球/非赤血球画分は、de novo組織形成を誘導するのに十分であることが示された7。脾臓間質組織をさらに単一細胞懸濁液に加工することで、細胞移植片の組成を操作するための細胞選別技術の使用が可能になります。候補細胞型を選択的に除去することにより、移植片の発生に不可欠な2つのCD45-TER-119-間質細胞集団、すなわち内皮様CD31+CD105+MAdCAM-1+細胞集団と、より広義のPDGFRβ+間葉系細胞集団が同定された8。
脾臓細胞からの移植片の構築は、支持体と細胞ローディングプロセスの点で異なります。組織工学的脾臓は、脾臓ユニットをポリグリコール酸/ポリL乳酸ポリマー足場5,9にロードすることによって以前に調製されてきました。興味深いことに、コラーゲンスポンジに吸収された脾臓間質細胞は生着に失敗し、間質細胞が凝集してコラーゲンシート上にロードされると、脾臓の再生が促進されました8。マトリゲル基底膜マトリックス内の脾臓間質細胞の再懸濁も、3次元培養条件下で細胞凝集を誘導することが実証されている10。ただし、この方法は移植モデルでの使用についてはテストされていません。現在のプロトコルの全体的な目標は、脾臓間質細胞を基底膜マトリックス内に強制的に凝集して直接カプセル化することであり、その後、3次元のin vitro組織培養システムに移したり、動物モデル移植の媒体として使用したりできます(補足図1)。
すべての動物実験は、クイーンズランド大学動物倫理委員会(UQBR/079/19)によって承認された実験プロトコルに従って実施されました。
1. 組織採取と間質細胞の調製
2. 細胞凝集体のマトリックス封入
3. 三次元オルガノイド培養
4.腎臓嚢移植
細胞凝集は、細胞間の接触とシグナル伝達を促進するために重要です。基底膜マトリックス内に細胞凝集体を包むことで、 in vitro 組織オルガノイド形成のための3次元培養と、移植片移植のための腎カプセルへの細胞の機械的送達の両方が容易になりました。これらの構造を確立するために、まず基底膜マトリックスを氷冷条件下で流動状態に維持しました。その後、濃縮された細胞懸濁液を上に重ね、遠心力を利用して細胞を高密度マトリックスに押し込むことで、細胞凝集を達成しました。遠心分離速度(200-2000 x g)の最適化は、中間層のセルポジショニング(図1A)を達成するために必要であり、これも細胞数に依存していました。より高い遠心力(>500 x g)は、細胞をピペットの先端まで押し出し(図1B)、柔軟な実験用フィルムカバーの除去中に失われる可能性のある細胞数が小さい(つまり、<5 x 105)には注意が必要です。逆に、G力が低すぎる場合(≤200 x g)、細胞は基底膜マトリックスを十分に通過できない可能性があります(図1C)。細胞番号 <1 x 105 または >2.5 x 106 の遠心分離速度は、さらに最適化が必要な場合があります。遠心分離後、コンストラクトを37°Cで15分間加温することにより、細胞を基底膜マトリックス内にセットしました。この凝固プロセスにより、細いワイヤープランジャーを使用してマトリックスの「プラグ」を完全に排出することができました(図1D)。
in vitro 脾臓オルガノイド形成
適切な組織培養容器に注入された基底膜マトリックスプラグは、標準的な組織培養技術および条件(37°C、5%CO2、湿度95%)に従って維持できる3次元オルガノイド様構造を再現性よく形成しました11。培養では、支持基底膜マトリックス基質は0日目から14日目の間に徐々に消失し(図2A、i-iii)、21日目までに観察できなくなり、直径約545μm(s.d.=120μm、n=6)11の無傷のオルガノイド様球状細胞塊(図2A、vi)が残った。これらのオルガノイド構造は、30日を超えて培養で支持されましたが、時間の経過とともにサイズは増加しませんでした(図2B)。脾臓オルガノイドは、CD45-TER-119-間質細胞、CD45-TER-119+赤血球、およびCD45+TER-119-リンパ球で構成されていましたが(図2C)、各集団の頻度は個々のオルガノイド間で異なっていました(n = 4;表1)。脾臓オルガノイドの一般的な構造を評価するために、厚さ50 μmの組織凍結切片を調製し、可視化しました。オルガノイドは非中空構造で構成されており、細胞は組織の直径全体にわたって存在していました(図2D)。7 μmの単一細胞層の厚さでオルガノイド切片を評価したところ、細胞は明確な空間的配向を伴わずにコード状の構造に配置されており(図2D)、細胞ストリング間に核のない領域があることが明らかになりました。CD45抗体染色により、オルガノイドの末梢領域を密に取り囲む有核造血細胞の存在が確認されました(図2E)。さらに、異なる紡錘形の形態のCD45+細胞が、より中心的なオルガノイド領域で観察された。CD90.2(T細胞)およびCD19(B細胞)抗体染色は全般的に認められず、CD11b染色は陽性であったことから、骨髄系細胞の特異的存在が実証されました(図2F)。非造血CD105+およびCD31+内皮細胞も複数のオルガノイドで検出された11。
生体内 脾臓移植
凝集した脾臓間質細胞を半固体マトリックス内にカプセル化することで、動物移植研究が容易になります。この技術を使用して、未分画またはCD45-TER-119-FACSで選別された新生児脾臓間質細胞調製物を基底膜マトリックスプラグ内に埋め込み、マウス腎臓嚢の下に移植するための媒体として機能しました。同様の細胞凝集プロトコル8に沿って、基底膜マトリックスカプセル化細胞コンストラクト(MECC)は、4/5の独立した動物移植で脾臓組織を再生することに成功し、それによってこの移植片構築技術の実行可能性が確認されました。脾臓再生に必要な細胞型を定義する際のMECCの有用性をテストするために、PDGFRβ+MAdCAM-1+またはPDGFRβ+MAdCAM-1-間質(CD45-)細胞が特異的に枯渇した新生児脾臓細胞からMECC移植片が構築されました11。PDGFRβ+MAdCAM-1+細胞を欠損した移植片は、肉眼的組織再生能力を保持していた(4/4移植片;図3A)11.再生された4つの組織のうち3つが正常な脾臓細胞の組成と構造を示し、中央細動脈、白歯髄卵胞、分離されたT細胞およびB細胞区画、濾胞樹状細胞、辺縁帯網状細胞、および辺縁金属親和性マクロファージ、赤髄正弦波、骨髄細胞およびマクロファージを示しました(図3B)11。対照的に、PDGFRβ+MAdCAM-1-細胞を欠損した移植片は、脾臓組織の再生にほとんど失敗しました(1/4移植片)11。これらのデータは、脾臓組織再生における移植片由来のPDGFRβ+細胞の重要性を裏付けており8、PDGFRβ+MAdCAM-1-間質細胞の特異的な要件をピンポイントで示しています。

図 1.凝集した脾臓間質細胞の基底膜マトリックスカプセル化。 200 μLのピペットチップを使用して、基底膜マトリックス内での細胞凝集を促進します。まず、氷冷した基底メンブレンマトリックス 2 μL を事前に冷却したピペットチップに吸引することによって、流体マトリックス層が確立されます。細胞懸濁液をマトリックス層の上に堆積させ、遠心力を加えることで、基底膜マトリックス内で細胞を動員・凝集させます。(A)遠心分離速度の設定は、細胞凝集体をマトリックス層の中間に配置するように最適化されています。(B)遠心速度が大きすぎると、ピペットの最後に細胞が凝集します。(C)速度が不十分な場合、マトリックスを通る細胞の移動が妨げられます。(D)37°Cで15分間インキュベートした後、ピペットチップから半固体マトリックスプラグを排出します。矢印は、マトリックス内のセル集合体の配置を示します。スケールバー、100 μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図 2.基底膜マトリックスに封入された脾臓凝集体のin vitro培養と3次元オルガノイド構造の形成。(A)35日間の時間経過にわたる脾臓オルガノイドの発達。パネル(i-vi)は、培養の0、7、14、21、28、および35日目に対応します。画像はニコンTS2倒立位相差顕微鏡で撮影しました。スケールバー、500 μm。 (B)長期培養期間にわたる脾臓オルガノイド径。各線は個々のオルガノイドを表します。(C)間質細胞(CD45-TER-119-)、リンパ球(CD45+TER-119-)、赤血球(CD45-TER-119+)細胞集団の53日間の培養後のフローサイトメトリーによる特性評価。上段:新生児脾臓間質から調製した対照組織。下段:脾臓オルガノイド、52日目。(D)培養22日後の切片の厚さ50 μm(上段)および7 μm(下段)のオルガノイド組織の肉眼的形態。(E)培養34日後のCD45+造血細胞の局在と形態。拡大された領域は右側のパネルに表示されます。切片は7μmです。 (F)培養34日後の骨髄系(CD11b)、T(CD90.2)およびB(CD19)細胞の評価。拡大した領域を挿入図で表示します。切片は7μmです。画像はNikon Eclipse Ti2-E生細胞顕微鏡を使用して撮影しました。スケールバー(D、E、F)、100 μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図 3.基底膜マトリックスグラフト組織分析。 移植片は、PDGFRβ+MAdCAM-1+ 細胞(n = 4)が枯渇した新生児脾臓間質から構築されました。オンラインで入手可能な追加データ11.(A)腎嚢下での移植後4週間での再生脾臓移植片の肉眼的外観。黄色の枠内領域は、再生された脾臓組織を示します。この画像は、Snapズームアダプターを装着したライカM60実体顕微鏡とApple iPhone 6Sを使用して撮影されました。スケールバー、1000 μm。 (B)冠状面に凍結切片された厚さ30 μmの移植片組織の複合マルチカラー免疫蛍光画像。抗体染色は、脾臓組織の微細構造を可視化するために、示されたマーカーで実施されました。画像はNikon Eclipse Ti2-E生細胞顕微鏡を使用して撮影しました。四角い領域は、倍率の高い領域を示します。スケールバー、1000 μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| オルガノイド番号 | 間質細胞 | 赤血球 | リンパ 球 |
| 1 | 62 | 7.7 | 31 |
| 2 | 22 | 24 | 55 |
| 3 | 3.6 | 0.1 | 96 |
| 4 | 10 | 76 | 12 |
表 1.個々の脾臓オルガノイドにおける間質細胞、赤血球およびリンパ球集団の割合。
補足図1.in vitroおよびin vivo研究用のマトリックス埋め込みセルコンストラクトを生成するための主要なステップを強調するプロトコルの概略図。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
半固体培地内での新生児脾臓細胞の凝集は、脾臓構築物を生成するための実行可能な方法である。同様の基底膜マトリックスベースのプロトコルが、3次元脾臓培養を開始するために使用されている10。ここでは、脾臓構造物が in vitro オルガノイド培養システムと in vivo 移植モデルに等しく従順であることを実証します。注目すべきは、 in vitro 培養脾臓オルガノイドの移植はまだテストされていないことですが、脾臓組織の完全または部分的な再生能力を決定することは興味深いことです。このプロトコルはまた前の脾臓の移植の調査8で記述されているセル凝集の技術を受継ぐ。これらの研究では、コラーゲンシート上に細胞凝集体をロードし、腎臓嚢の下に移植しました。基底膜マトリックス内に細胞凝集体を包み込むことは、コラーゲンシート側を下向きにした場合と細胞凝集体側を下向きにした場合の移植に伴うばらつきが排除される、移植片の配向という点で明確な利点があります。
基底膜マトリックスコンストラクトを調製する方法は比較的簡単です。高濃度の基底膜マトリックスを使用することで、マトリックスが数日かけて消散する前に、細胞が最初に凝集した状態で支持されることが保証されます。私たちの経験では、PBS懸濁細胞溶液の慎重な層状化(ステップ2.6)と遠心分離(ステップ2.8)の後、基底膜マトリックスの混合と希釈は最小限に抑えられます。ほとんどの最適化は、マトリックスプラグ内のセルペレットの配置を中心に行われます(図1)。これは、遠心分離速度、時間、基底膜マトリックスの体積組成、PBS懸濁細胞溶液の体積、ピペットチップサイズなど、いくつかの変数をテストすることで対処できます。細胞数と特性(サイズ、密度)も設定に影響を与える可能性があるため、各細胞調製は個別に最適化する必要があります。
いくつかの制限事項を強調することが重要です。基底膜マトリックスは温度に敏感な製品である可能性があるため、試薬を冷たく保つために迅速に作業するように注意する必要があります。これにより、マトリックスの早期凝固を防ぎ、細胞の適切なカプセル化を確実にします。関連するすべての材料は低温環境で保管、調製、または維持されますが、手動の取り扱い手順(ピペットチップの排出、柔軟なラボ用フィルムによる密封[ステップ2.5]など)により、ユーザーからの外部熱が変動し、マトリックスの粘度が変化し、遠心分離中の細胞移動特性に影響を与える可能性があります。したがって、実験内および実験間の再現性を一貫して達成することは困難な場合があります。
2つ目の制限は、ユーザーエクスペリエンスと習熟度の要件です。特定の手動テクニックは、効率的かつ成功裏に実行するために長時間のトレーニングを必要とする場合があります。例えば、ピペットチップを実験用フィルムで密封する場合(ステップ2.5)、最初は成功率が低くなる可能性がありますが、練習を重ねることで必然的に改善されます。動物のマイクロサージェリー技術の能力も反復によって得られます。移植の場合、特にピペットチップを腎臓カプセルの下に挿入する場合(ステップ4.2.10)、ワイヤープランジャーを挿入してプラグを排出する場合(ステップ4.2.11)、およびチップを腎臓から引き抜く場合は注意が必要です。プラグを静かに着実に排出し、同時にピペットチップを引き抜くことが重要です。過度の動きは、腎臓嚢に穴が開いたり、実質が損傷したりして、過度の出血につながる可能性があります。
要約すると、半固体マトリックス内に細胞をカプセル化するプロセスは、脾臓組織形成の理解に焦点を当ててここで説明されています。このシステムは、in vitro または in vivo のダウンストリームアプリケーションの可能性を秘めた幅広い細胞タイプにも同様に適用できます。
著者は何も開示していません。
この研究は、オーストラリア国立保健医療研究評議会(#GNT1078247)の支援を受けて行われました。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 96ウェルポリプロピレン1.2 mLクラスターチューブ | コーニング | CLS4401 | 14 mlコニカルチューブ内に置くため |
| B-メルカプトエタノール | Gibco | 21985023 | ストック 55 mM、50 uMで使用 |
| ラゲナーゼD | Roche | 11088858001 | |
| コラゲナーゼIV | Sigma-Aldrich | C5138 | Clostridium histolyticum |
| Deoxyribonuclease I(DNase I) | Sigma-Aldrich | D4513 | デオキシリボヌクレアーゼ I ウシ膵臓由来、II-S 型、凍結乾燥粉末、タンパク質 ≥80%≥2,000単位/mgタンパク質 |
| ダルベッコ'のモディファイドイーグル」s ミディアム (DMEM) | Sigma-Aldrich | D5796 | 4500 mg/L グルコース、L-グルタミン、重炭酸ナトリウム、ピルビン酸ナトリウムなし、液体。滅菌フィルター付き。 |
| ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水(PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | 塩化カルシウムと塩化マグネシウムなし、滅菌ろ過された |
| Eclipse 200 μl ピペットチップ | Labcon | 1030-260-000 | ベベルポイント |
| ウシ胎児血清 (FBS) | Gibco | 26140-079 | Lot# 1382243 |
| GlutaMAX | Gibco | 35050061 | Stock 100X, use at 1X |
| Matrigel | Corning | 354263 | Matrigel matrix basement membrane High Concentration, Lot# 7330186 |
| MEM Non-essential Amino Acids | Gibco | 11140076 | ストック100X、1X |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | Gibco | で | 15140122ストック10,000ユニット/ mlペニシリン、10,000 ug / mlストレプトマイシン |
| 可逆細胞ストレーナーSTEMCELL | Technologies | 27216 | 70 μm |
| リングピンセット | NAPOX | A-26 | リングサイズ:3 mm |
| ロックインヒビター (Y-27632) | MedChemExpres | HY-10071 | |
| サーモフィッシャー ヘレウス メガフュージ 40R 遠心分離 | サーモフィッシャー | 加速速度と減速速度は 8 個に設定しました | |
| ファインピンセット | EMS | 78340-51S | スタイル51S。耐磁性/抗酸SA低炭素オーステナイト鋼ピンセットは耐腐食性があります。アンチグレアサテン仕上げ。 |
| Vicryl 5/0縫合糸Ligapak | Ethicon | J283G | |
| Wiretrol IIロングワイヤープランジャー | モンド | 5-000-2002-L | ステンレス鋼プランジャー、25&50 &L/WRTL II, ロング |
| 傷クリップアプラ | イヤーMikRon | 427630 | |
| 傷口クリップ | MikRon | 427631 | 9 mm |
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