低コヒーレンスホロトモグラフィーを使用したオルガノイドの高解像度、ラベルフリー、3次元イメージングのための段階的なプロトコルを提示します。このプロトコルは、オルガノイド培養の調製、画像取得、および計算画像解析を詳細に説明し、生きたオルガノイドの構造ダイナミクスと薬物応答のリアルタイムの視覚化を可能にします。
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低コヒーレンスホロトモグラフィーを使用したオルガノイドの高解像度、ラベルフリー、3次元イメージングのための段階的なプロトコルを提示します。このプロトコルは、オルガノイド培養の調製、画像取得、および計算画像解析を詳細に説明し、生きたオルガノイドの構造ダイナミクスと薬物応答のリアルタイムの視覚化を可能にします。
腸管オルガノイドの正確でラベルフリーのイメージングは、その形態、成長動態、環境刺激に対する反応を研究するために非常に重要です。ホロトモグラフィー(HT)は、蛍光マーカーを必要とせずに、生きたオルガノイドを高解像度で3次元(3D)で視覚化できるため、光毒性を最小限に抑え、サンプルの完全性を維持します。リアルタイムの位相ベースのイメージングにより、構造的および機能的変化をラベルフリーで継続的に追跡できます。屈折率を固有のイメージングコントラストとして使用することにより、この方法では、体積、タンパク質密度、タンパク質含有量などの生物物理学的特性の定量化が可能になります。イメージングデータは、機械学習主導のセグメンテーションと特徴抽出によってさらに処理され、一貫したハイスループット分析をサポートします。このプロトコルは、オルガノイド調製、イメージング取得、および機械学習ベースのデータ解析をカバーする、オルガノイド研究に低コヒーレンスHTを採用するための完全な実験ワークフローを詳述しています。このアプローチは、計算セグメンテーションと定量的評価を統合することにより、生存率、構造組織、薬物反応などの主要なオルガノイド特性の偏りのない評価を可能にします。細胞内分解能でリアルタイムの形態学的変化を捉える能力により、このプロトコルは、再生医療、疾患モデリング、および医薬品スクリーニングにおけるオルガノイドベースの研究に非常に適用できます。ここで概説する段階的な方法論は、さまざまなオルガノイドシステムにわたる再現性と幅広い適応を促進します。
オルガノイドは、幹細胞から増殖した臓器の3次元(3D)小型化バージョンであり、 in vitroで実際の臓器の主要な構造的および機能的特徴を再現することができます1。研究者らは、腸、脳、肺、肝臓、腎臓などの幅広い組織用のオルガノイドシステムを開発し、それぞれが in vivo の組織を彷彿とさせる自己組織化構造と細胞型の多様性を示しています。オルガノイドは、天然の臓器構造と多細胞の複雑さを反映することにより、ヒトの発生、組織再生、および疾患メカニズムを研究するための強力なモデルシステムとして機能します1。これらは疾患モデリングと創薬にとって極めて重要なツールとなっており、研究者が研究室で疾患経路を探索し、患者固有の3D組織で新しい治療法をテストできるようにします2。特に、オルガノイドは再生医療でも有望です3: 腸および肝臓のオルガノイドで実証されているように、オルガノイド由来組織は in vivo で 生移植して損傷を修復することができ、臓器機能を回復する可能性を強調しています4。この多用途性により、オルガノイドは現代の生物医学研究や個別化医療に不可欠なものとなっています。
オルガノイドの多細胞組成と3D構造の複雑さを考慮すると、オルガノイドのダイナミクスを捕捉して分析することが重要です。しかし、従来のイメージング技術は、オルガノイドの構造とダイナミクスの分解において重大な制限に直面しており、多くの場合、完全な生理学的状態を表現できない2Dスナップショットを生成します5。
明視野顕微鏡は、オルガノイドを捕捉するために広く使用されている非侵襲的な方法です。成長と形態を便利に監視しますが、染色されていない3Dサンプルではコントラストが限られています。さらに、光学的セクショニングが欠けているため、内部構造の解像度が低くなります。オルガノイドは大部分が透明に見え、表面下の微細な特徴の検出を妨げます6。位相差は位相シフトを強度の違いに変換することで視認性を高め、染色することなく一般的な構造(中心内腔など)を明らかにします。位相差はリアルタイム観察に有用であるにもかかわらず、ハローアーティファクト、低解像度、および限られた浸透深さに悩まされ、より厚いオルガノイドには効果が低くなります7。
オルガノイドの微細構造と細胞組成の分析には、ヘマトキシリンとエオシン(H&E)染色と抗体ベースの免疫染色に続く連続セクショニングが広く使用されています8。ホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)や凍結切片などの改良された組織処理技術により、形態の保存が強化され、FFPEは優れた結果をもたらします9。アガロースや遠心分離などのヒドロゲルにオルガノイドを埋め込むと、複数のサンプルが 1 つのセクションに整列し、分析効率が向上します。患者由来の腫瘍オルガノイドのH&E染色切片は元の腫瘍組織型を反映していますが、免疫蛍光染色は細胞同定のためのCK8などのマーカーを強調します10。ただし、これらの技術では生きたオルガノイドを監視できず、切片化中に組織のしわや変形などのアーティファクトが発生する可能性があります。
共焦点蛍光顕微鏡はオルガノイドイメージングに広く使用されており、オルガノイド構造と細胞組成の詳細な視覚化を可能にする高解像度(サブミクロン)光学切片を生成します11,12。ただし、3Dオルガノイドの共焦点イメージングは、通常、表層(最大100μmの深さ)に限定され、点走査型レーザー照明のために時間がかかり、光毒性を有する可能性があります13。ライトシート蛍光顕微鏡(LSFM)は、イメージング面のみを照射することにより、これらの制限のいくつかを克服し、光退色と光毒性を最小限に抑えながらオルガノイド全体の迅速な体積イメージングを実現します14,15。ただし、この技術では、厚い標本を最適にイメージングするために組織の除去が必要になることがよくあります。さらに、LSFMのイメージング深度は、光散乱と屈折率(RI)の不一致によって制限されますが、これは補償光学、マルチビューイメージング、および最適化された励起波長によって軽減できます16。サンプルの取り付けには構造の変形も発生しますが、大規模な 3D データセットでは保存と分析において計算上の課題が生じます。改良された遺伝子標識技術、新しい透明化試薬、補償光学、AI 主導の画像解析などの最近の進歩により、これらの制限に対処し、オルガノイド研究における LSFM の実現可能性がますます高まっています7。
これらの進歩にもかかわらず、3D 蛍光イメージング技術は、生きたオルガノイドの長期モニタリングにいくつかの課題をもたらします。第一に、蛍光標識の使用は光毒性効果をもたらし、生物学的プロセスを乱し、長期にわたるライブイメージング研究に課題をもたらします17。第二に、抗体ベースの標識は、高密度オルガノイド構造内の拡散障壁により浸透が制限されており、高度な透過処理および組織透明化方法が必要であり、一次抗体および二次抗体の使用には10日以上のインキュベーションが必要です18。第三に、従来の遺伝子送達アプローチは3D環境で苦戦しているため、オルガノイドにおけるトランスフェクションと安定した蛍光タンパク質発現は依然として非効率的です19。第四に、ディープイメージングに不可欠な光学透明化技術は、蛍光シグナルの損失や組織の歪みを引き起こすことが多いため、透明性と蛍光の保存のバランスをとる最適化された透明化プロトコルが必要になります20。
これらの制限に対処するために、ホロトモグラフィー (HT) は、標識されていない生きたオルガノイドを長期にわたって高解像度でイメージングする技術として導入されました。3D定量的位相イメージングとしても知られるHTは、ラベルフリーの高解像度モダリティであり、オルガノイドの本来の生理学的状態を維持しながら、オルガノイドのリアルタイムの定量的な視覚化を可能にします。HT の原理は X 線コンピューター断層撮影に似ています。さまざまな照明条件下で複数の2D光場画像をキャプチャすることにより、逆波方程式21、22、23を解く逆波方程式によって、標識されていないサンプルの3D RI分布が再構成されます。HT は、血液学24,25、細胞生物学における相縮合 26、微生物学27、組織病理学28 など、さまざまな生物学分野で広く応用されています。最近では、その高解像度でラベルフリーの3Dイメージング機能がオルガノイド研究にますます利用されており21,22,23,29、それらの構造的および機能的ダイナミクスを研究するための非侵襲的アプローチを提供しています。
この研究では、マウス小腸オルガノイド (sIO) の長期ラベルフリーモニタリングにおける低コヒーレンス HT の使用に関する詳細なプロトコルを提示します。この方法により、オルガノイドの体積、タンパク質密度、タンパク質含有量を定量的に測定しながら、24時間にわたるオルガノイドの成長と薬物反応をリアルタイムで視覚化することができ、オルガノイドの挙動の厳密なデータ駆動型分析が容易になります。オルガノイドの形態学的変化を調査するために、DNA架橋を形成し、細胞複製を阻害することによってアポトーシスを誘導することが知られているプラチナベースの化学療法剤であるシスプラチンでサンプルを処理しました30。3D RIイメージングは構造の詳細をキャプチャしますが、オルガノイドダイナミクスを定量化するには体系的な分析が不可欠です。これを達成するために、オルガノイド領域をバックグラウンドから区別するために、機械学習ベースのセグメンテーションツールキット31 であるilastikを統合します。このプロトコルは、オルガノイド培養の調製、3D HT取得、機械学習ベースのセグメンテーション、RI断層撮影からの定量分析など、完全なワークフローの概要を示しています。このアプローチは、スケーラブルで再現性のある非侵襲的なイメージングフレームワークを提供することで、疾患モデリング、再生医療、薬物スクリーニングに幅広く応用できるオルガノイド研究の新しい基準を確立します。
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注:このプロトコルで使用されるすべての材料、機器、およびソフトウェアに関連する詳細は、 材料表に記載されています。代替品として、異なるメーカーの同等の製品を使用する場合があります。プロトコル全体の概略的なプロセスを 図1に示します。
1. サンプル調製
2. オペレーティングソフトウェアを使用した低コヒーレンスホロトモグラフィーイメージング
3. 画像解析
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図1は、sIOの4Dイメージングと定量分析の回路図ワークフローを示しています。このプロトコルは、培養、4Dイメージング、画像処理、定量分析の4段階のプロセスを通じて、継続的なライブイメージングとsIOの包括的な評価を可能にします(図1D)。
5日間のインキュベーション期間の後、成熟したsIOをカバーガラス底のイメージングディッシュに移し、低コヒーレンスホロトモグラフィー(HT)を使用して視覚化しました(図1A)。このイメージング技術は、デコンボリューションアルゴリズム(図1B)を介してRI断層撮影を再構築し、生きたオルガノイドの高解像度でラベルフリーのイメージングを可能にします。
その後、機械学習支援セグメンテーションアプローチを使用して画像処理が実施され、正確な構造描写が容易になりました(...
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ホロトモグラフィーは、生きたオルガノイドのラベルフリーの高解像度イメージングのための強力なアプローチを提示し、従来のイメージング技術に関連する多くの課題を克服します。このプロトコルでは、低コヒーレンスHTをsIO研究に適用するための包括的な方法論を説明し、オルガノイドの形態、成長ダイナミクス、および薬物治療に対する反応のリアルタイムの定量的な視覚化を可能にします。機械学習ベースのセグメンテーションと定量分析の統合により、このイメージング アプローチの分析能力がさらに強化され、オルガノイドの挙動の偏りのない再現性のある評価が提供されます。
HTの主な利点は、蛍光標識を必要とせずに、生きたオルガノイドを本来の状態で視覚化できることです。共焦点や LSFM などの従来の蛍光ベースのイメージング方法では、染色または遺伝子標識が必要であり、光毒性を引き起こし、オルガノイドの生理学に影響を与え、ライブ イメージングの持続時間を制限する可能性があります。さらに、抗体ベースの標識は、高密度のオルガノイド構造内の拡散障壁に悩まされ、...
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M.J.L.、J.H.L.、S.M.L.、Y.K.P.は、ホロトモグラフィーおよび定量的位相イメージング装置を商品化する会社であるTomocube Inc.に金銭的持分を保有しています。
この研究は、韓国政府(MSIT)が資金提供する韓国研究財団助成金(RS-2024-00442348、RS-2024-00440577、2022M3H4A1A02074314)、国際共同研究開発プログラム(P0028463)による韓国技術振興院(KIAT)、および韓国政府(科学技術情報通信部および保健福祉部)が資金提供する韓国再生医療基金(KFRM)助成金(21A0101L1-12)の支援を受けました。データ取得はM.J.L.とJ.H.L.が行い、J.H.L.がデータ処理を、J.M.C.がデータ解析を担当しました。すべての著者が原稿の執筆に貢献しました。貴重な技術的な議論とフィギュア準備の支援をしてくれたChulMin OhとChungha Leeに感謝します。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 48ウェルプレート | コーニング | 3548 | 培養皿 |
| 細胞回収液 | コーニング | 354253 | マトリゲル分解 |
| シスプラチン | スペルコ | PHR1624 | 該当なし |
| ジメチルスルホキシド(DMSO) | シグマ・アルドリッチ | D2650型 | 車 |
| エッペンドルフ管 | コーニング | MCT-175-C-S型 | 該当なし |
| HTX処理サーバー | Tomocube Inc.、韓国 | 該当なし | データ処理サーバー |
| HT-X1 | Tomocube Inc.、韓国 | 該当なし | オペレーティングソフトウェア |
| イラスティック | 該当なし | 該当なし | 機械学習ベースのセグメンテーションツールキット |
| イメージングディッシュ容器ホルダー | Tomocube Inc.、韓国 | 該当なし | イメージングディッシュホルダー |
| IntestiCult オルガノイド増殖培地 (マウス) | STEMCELLテクノロジー | #06005 | 市販の既製培地 |
| マトラブ | マスワークス | マトラブ 2024a | 画像処理用ソフトウェア |
| マトリゲル | コーニング | 356231 | 3Dオルガノイド用ECM |
| ミリポア ステリトップ 真空ボトルトップフィルター | メルク | S2GPT05RE | 0.22 & ミュー;Mミディアム滅菌用フィルターユニット |
| マウス腸管オルガノイド | STEMCELLテクノロジー | #70931 | 該当なし |
| 屈折 計 | 愛宕 | R-5000 | 屈折率計算機 |
| トモディッシュ | Tomocube Inc.、韓国 | 901002-02 | #1.5 カバースリップ底イメージングディッシュ |
| トモスタジオX | Tomocube Inc.、韓国 | 該当なし | イメージングソフトウェア |
| トリプル | ギブコ | 12604 | 単一細胞解離 |
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