この記事では、3D フリップウェルのエンジニアリングと利用をガイドするための重要な手順を含む詳細なプロトコルを提供します。共培養インサートスタックを組み立て、腸内細菌、腸内上皮、マクロファージの層状層を共培養して腸粘膜環境をモデル化する方法を説明および示します。
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この記事では、3D フリップウェルのエンジニアリングと利用をガイドするための重要な手順を含む詳細なプロトコルを提供します。共培養インサートスタックを組み立て、腸内細菌、腸内上皮、マクロファージの層状層を共培養して腸粘膜環境をモデル化する方法を説明および示します。
免疫細胞の分極と腸粘膜の恒常性における細菌のセクレトームの役割を研究するために、市販のインサートを背中合わせのスタック形式で使用した3次元共培養モデルを開発しました。私たちはこのシステムを3Dフリップウェルと呼び、細菌、結腸上皮、免疫細胞を層状層で共培養して、腸粘膜微小環境を再現することに成功しました。この共培養システムは、膜の片側に結腸上皮細胞を、もう片側に未分化の非接着性単球を播種することができ、前分化マクロファージを剥離して再プレーティングすることなく、単一の共培養内で結腸上皮分極、粘液形成、単球-マクロファージの分化と分極を同期的に進行させることができます。このシステムは構築が簡単で、すぐに入手できる材料とツールがいくつか必要です。一酸化窒素シンターゼ(NOS)の補因子であるBH4 (テトラヒドロビオプテリン)の内因性前駆体であるセピアプテリン(SEP)に対する共培養成分の応答を解析することにより、その有用性を検証しました。3D FlipwellのSEP処理が、腸内細菌によるバイオフィルム形成、結腸上皮による粘液産生、およびマクロファージの免疫原性促進性分極を誘導することを実証しました。これは、SEPが異なる細胞成分間のクロストークを通じて粘膜防御機構の活性化を引き起こすことを示しました。免疫細胞のリプログラミングにつながる粘膜コミュニケーションの役割を調査し、新しい免疫調節療法をスクリーニングするためのこの共培養システムの有用性を評価するには、さらなる実験が必要です。
免疫細胞と腸内マイクロバイオームのクロストークは、さまざまな疾患治療の有効性に大きく影響します。このようなクロストークは、宿主の代謝異常、食事の変化、疾患の発現、および薬理学的治療を含むがこれらに限定されない外部刺激によって著しく変化します。これらの変化は、微生物叢の組成の不均衡、つまり腸内細菌叢の異常と呼ばれる状態につながる可能性があります 1,2,3。
腸内の微生物と宿主免疫細胞との相互作用をよりよく理解するために、腸粘膜環境を要約しようとして、さまざまなグループによって精巧な共培養システムが開発されました。Kimらによって開発されたガットオンチップシステム4 から、特殊な吸収基質5を使用したより複雑なアセンブリまで、これらの共培養システムは構築が単純ではなく、共培養基質による吸収のために分泌成分の全スペクトルを保持することができません。したがって、Noelらは、比較的簡単に作製できる腸粘膜をモデル化するための代替共培養システムを開発しました6。この新しいシステムは、膜の片側に結腸上皮細胞を播種し、もう片側に前分化マクロファージを播種した単一の培養インサートを利用します6。ただし、前分化マクロファージを播種するには、別の場所での前分化と解離と共培養への再培養が必要であり、細胞の完全性と生存率に影響を与える可能性があります。
これらの以前のシステムへの改良を組み込むことにより、3Dフリップウェルシステム7,8と呼ばれる新しい3次元(3D)多層共培養システムを開発しました。このシステムは、細胞培養インサートを背中合わせに積み重ねたもので構成されており、1回の共培養内で結腸上皮分極、粘液形成、マクロファージ分化、分極を同期的に進行させることができます。このシステムにより、腸粘膜環境の変化や、腸内細菌、上皮細胞、免疫細胞間の相互作用を調べることができます。さらに、このシステムは、腸粘膜および体の他の部分に対する細菌代謝産物、毒素、食事栄養素、医薬品などの外部刺激の影響を調べるために使用できます7,8。
新しい共培養インサートシステムを利用して、一酸化窒素シンターゼ(NOS)の補因子であるBH4(テトラヒドロビオプテリン)の内因性前駆体であるセピアプテリン(SEP)に対するさまざまな細胞成分の応答を調べました。以前、SEPが腫瘍関連マクロファージを免疫原性促進型9,10,11,12に再プログラミングすることにより、乳房腫瘍微小環境に免疫原性促進活性を発揮することを示しました。SEPが腸内細菌によるバイオフィルム形成、結腸上皮による粘液産生、および共培養におけるマクロファージの免疫原性促進性分極の同時イベントを誘導し、粘膜防御メカニズムの活性化を示すことを実証しました7。これらの発見は、腸粘膜微小環境のモデル化におけるこの新しい共培養システムの有用性を裏付けています7。
このプロトコルの全体的な目標は、腸内細菌、腸内上皮、粘液、および免疫細胞のこの新しい共培養を構築して、腸粘膜環境をモデル化するための段階的な指示を提供することです。また、SEP処理などの外部刺激の影響下で共培養細胞のクロストークを視覚化する方法も実証します。この共培養システムを利用したさらなる研究は、共培養における異なる細胞間の相互作用を促進する分泌細胞成分を決定し、新しい治療法のハイスループットスクリーニングのためのこの共培養モデルの有用性をテストするために必要です。さらに、腸粘膜環境の生理学的状態を達成するには、この共培養システムにさらなる変更が必要になります。たとえば、好気性哺乳類細胞を嫌気性細菌と共培養するには、他の場所で報告されているように、これらの細菌を酸素を除去する嫌気性培地で別々に培養するか、酸素の侵入を防ぐ液体パラフィンで重ねる必要があります。この共培養システムのこのような高度な有用性と応用は、さらなる調査を正当化するでしょう。
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1. 3D フリップウェルエンジニアリング
2. コラーゲンコーティング前の漏れのテスト
3. フリップウェルメンブレンのコラーゲンコーティング
4. 細菌培養のための細菌インサート構造
5. 針の構造
6. 結腸上皮Caco-2:HT29-MTX-E12細胞株の播種
7. THP-1細胞の播種準備として3Dフリップウェルを反転させる
8. 気泡の除去
9. THP-1播種とPMA処理
10. SEPおよび細菌インサートのセカンドフリップウェルフリップと気泡除去
11.細菌培養の開始(オプション)
12. フリップウェルへのバクテリアインサートの追加(オプション)
13. 走査型電子顕微鏡(SEM)のためにフリップウェルを分解する
注:SEP/細菌処理後の結腸上皮細胞およびマクロファージの形態学的変化を調べるために、膜を固定バッファーに固定し、走査型電子顕微鏡(SEM)用にフリップウェルを分解しました。PFAは固定剤として使用されました。ただし、グルタルアルデヒドも使用できます。顕微鏡コアの好みの固定バッファー、特定の脱水ステップ、および初期固定バッファーの濃度について相談することが重要です。保管が必要な場合は、膜を固定バッファーに保管できます。作業はBSCの外で行うことができます。イメージングコアがメンブレンを接着する場合は、メンブレンを半分にカットして、両面を別々にイメージングするように配置できます。
14. 共焦点顕微鏡検査のためにフリップウェルを分解するための大きな液滴法
注:メンブレンを染色して画像化するための新しい方法が作成されました。共培養インサートスタックは、50 mLのコニカルチューブ内で最初の固定、透過処理、およびブロッキングステップを行い、無傷に保ちました。免疫蛍光標識と共焦点顕微鏡を使用して、膜の両面を画像化しました。一晩のインキュベーションステップには新しく呼ばれた12ウェルプレート法が使用され、分解されたインサートの底面を染色するために大きな液滴法が使用されました。共焦点Zスタックを使用して、メンブレンの両側をイメージングしました。染色された膜は2つの円形のガラスカバーガラスの間に挟まれ、挟まれたアセンブリは、市販の丸いチャンバーの2つの金属リングの間の中央に配置されて画像化されました。多光子レーザー走査型共焦点顕微鏡は、市販のイメージングソフトウェアとともに使用されました。
15. 免疫蛍光(IF)染色
注:染色は、12ウェルプレート法を使用して一晩、または大きな液滴法を使用してベンチで行われます。
16:共焦点イメージングの準備
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腸内細菌、結腸上皮、およびマクロファージのフリップウェル共培養の生物学的関連性を判断するために、アルギニン代謝の調節剤であるセピアプテリン(SEP)で共培養物を処理し、対照DMSOと比較して一酸化窒素9,10,11の産生を促進しました。免疫蛍光(IF)顕微鏡と走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、共培養の各成分に対するSEP処理の効果を測定しました。染色では、上皮マーカータンパク質CK20および粘膜タンパク質MUC2の増加が示すように、SEP処理後の腸上皮コンパートメントにおける粘液分泌の劇的な増加が示されました(図1)。また、SEP治療により、M1マクロファージマーカーCD80のレベルが上昇し、M2マクロファージマーカーCD163がダウンモジュレートされ、M1の分極を示すこともわかりました(
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腸粘膜構造を in vitroで再現するために、腸内細菌、粘液産生結腸上皮細胞、マクロファージの層状層からなるシンプルな共培養システムを設計しました。このマルチ共培養システムにより、細菌のセクレトーム、腸上皮、マクロファージ間のクロストークが免疫原性リプログラミングと粘膜防御機構の誘導に及ぼす影響を研究することができました。
3D フリップウェルを作成する際の重要な注意点の 1 つは、アセンブリを無菌環境で行い、その後細胞を播種する前に数日間 UV 滅菌する必要があることです。機能的なUVライトを備えたBSL2キャビネットを利用して、滅菌プロセスを完了しました。最初の滅菌ステップでは、滅菌されたツールと 70% エタノールが概説どおりに使用されました。構築段階では、数回の試行後に一貫したシリコーン接着ビーズが達成され、再現性の向上につながります。このテクニックを実践し、追加のインサートスタックを準備することが有益な場合があります。インサートアセンブリを反転させた後に気泡を除去するには、15G 強制...
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著者は利益相反を宣言しません。著者は、明示的か黙示的かを問わず、法律で認められる最大限の範囲で、すべての保証を否認します。いかなる状況においても、著者は、法令、契約、不法行為、またはその他の法理論に基づくかにかかわらず、フリップウェルの構築におけるツールの使用、BSL試薬の使用、細胞株、細菌培養、嫌気性チャンバー内の嫌気性環境下でのフリップウェルシステムの使用に起因または関連する特別、偶発的、間接的、懲罰的、多重、または結果的な損害について責任を負わないものとします。この責任の制限には、本書に明示的に記載されていない不特定のFlipwellの使用方法が含まれますが、これらに限定されません。
主著者は、古田沙織先生の優れたメンターシップスキル、長距離にわたる継続的な指導とサポート、そして素晴らしい学習機会を育む巧みで継続的なプロジェクト設計に心から感謝の意を表します。著者らはまた、微生物学の専門知識と指導を提供してくれたVandana Sharma博士と、THP-1マクロファージの調製についてVeani R. Fernando博士に感謝します。 さらに、著者らは、電子顕微鏡施設のアンドリュー・クラインヘンツ博士とウィリアム・T・ガニング博士、トレド大学計装センターのカサンドラ・サモラ博士とクリスティン・キルシュバウム博士に、EMイメージングに関する建設的な提案をしてくれたことに感謝しています。この研究は、トレド大学健康科学キャンパス、医学生命科学部、がん生物学部からSFへのスタートアップファンドによって支援されました。SF へのオハイオ州がん再検索助成金 (プロジェクト #: 5017)。医学研究協会(トレド財団、#206298)SFへの賞。SF への米国癌協会研究奨学生助成金 (RSG-18-238-01-CSM)。SFへの国立がん研究所研究助成金(R01CA248304)。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.4%PFA(試薬および溶液のレシピ参照) | 本文で説明されています | ||
| 10ml血清学ピペット | コーニング | 4488 | |
| 12井TCプレート、および共演者 | コーニング | 3513 | |
| 15ml円錐管、SpectraTube | アルカリ・サイエンティフィック | C2715 | |
| 200 & マイクロ;l tips | USAサイエンティフィック | 1111-1700 | |
| 24ウェルインサート - 24ウェルプレート、PET 0.4およびマイクロ用の培養インサート;m | ブランドテック・サイエンティフィック | 782710 | |
| 3Dフリップウェルは既製でUV滅菌処理済みです。 | ラボで作る | ||
| 4%PFA(試薬と溶液のレシピを参照) | 本文で説明されています | ||
| 50 mMセピアプテリンストック(SEP、試薬および溶液のレシピを参照) | 経歴 河南化工有限公司 | CAS#: 17094-01-8 | |
| 50ml円錐管 | グライナー・バイオ・ワン | 227261 | |
| 5ml血清学ピペット | コーニング | 4487 | |
| エタノール(エチルアルコール)70〜95% | デコン・ラボ | 04-355-151 | |
| アルミホイル | フィッシャー・サイエンティフィック | 01-213-100 | |
| 動物用餌針、20ゲージ 1.5インチ長さ、単回使用 | フィッシャー・サイエンティフィック | 01-208-87 | |
| 抗体希釈バッファー(試薬および溶液のレシピ参照) | 本文で説明されています | ||
| アットフルア細胞室 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A7816 | |
| オートクレーブテープ | フィッシャー・サイエンティフィック | 15-901-111 | |
| グリセロールストック中のバチルス・サブティリス(3A1T)株() | バチルス遺伝ストックセンター(https:// bgsc. org/ | ||
| BioGrip ピンク ニトリルパウダーフリーのラテックスフリー手袋 | 最高品質の製造 | P2810 | |
| ブロッキングバッファー(レシピ「Reagents and Solutions」参照 - PBSの10%通常のヤギ血清) | 本文で説明されています | ||
| ブロッキングバッファ(試薬と溶液のレシピを参照) | 本文で説明されています | ||
| ブライトフィールド顕微鏡(ニコンまたは同等の機器)エクリプスTs2 | ニコン | TS2 | |
| カコ-2細胞 | ATCC | HTB-37 | |
| 細胞培養インキュベーター、37°C、5% CO2(Eppendorf CellXpert) | エッペンドルフ | 6734010015 | |
| 遠心分離機(エッペンドルフ、遠心分離機5804/5804 Rまたは同等品) | エッペンドルフ | 22622501 | |
| 遠心分離機管 50 ml SpectraTube | アルカリ・サイエンティフィック | C2750 | |
| 12ウェルプレート、PET、0.4およびマイクロの培養インサート;M、不妊 | ブランドテック・サイエンティフィック、BRAND Insert 2in1、BIO-CERT | 782730 | |
| DAPI VectaShieldマウントメディア | ベクター研究所 | H-1000 | |
| 深いペトリ皿の底、100 x 25 mmの深層ポリスチレン積み式ペトリ皿、無菌 | USAサイエンティフィック | 8609-0625 | |
| ドラモンド・ピペット・エイドXP | Drummondとnbsp; | 4-000-101 | |
| エッペンドルフ5804 スイングバケットローター付き遠心分離機(50ml円錐管用) | エッペンドルフ | 22622501 | |
| 鉗子、ステンレススチール、滅菌高圧滅菌、2セット | VWR | 82027-438 | |
| 鉗子、ステンレス製、滅菌高壓滅菌器、2セット、標本鉗子 | VWR | 82027-438 | |
| ガラスフラスコ 500ml | コーニング | 4980-500 | |
| ヘマサイトメーター(カバースリップ付きノイバウアー) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 50-312-90 | |
| HT-29-MTX-E12細胞 | ミリポール・シグマ | 12040401 | |
| ImmunoPen(任意) | フィッシャー・サイエンティフィック | 4021761EA | |
| ケブラー製またはその他の耐切り手袋(オプション) | ホームセンターかAmazon | ||
| ラボテープまたは出荷用テープ | フィッシャー・サイエンティフィック | 159015R | |
| 層流フード 1300シリーズ A2 BSC クラスII | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 1375 | |
| UVライト付き層流フード SterilGARD | ベイカー・カンパニー | SG403A-HE | |
| マーカーの溶剤耐性 | VWR | 52877-310 または 95042-566 | |
| Caco-2細胞用培地(DMEM高グルコースベース、試薬および溶液のレシピを参照) | 説明は以下に記載されています。テキスト | ||
| HT-29細胞用培地(DMEM高グルコース、試薬および溶液のレシピ参照) | 本文で説明されています | ||
| THP-1細胞用培地(RPMI、試薬および溶液のレシピを参照) | 本文で説明されています | ||
| マイクロ遠心分離機チューブ、1.7 ml、無菌・nbsp; | アルカリ・サイエンティフィック | C3017-ST | |
| マイクロ遠心分離機チューブ | サーモ・フィッシャー | 3451 | |
| ミラーLBメディア(試薬と溶液のレシピを参照) | シグマ・オルドリッチ | L3522 | |
| ニードルノーズプライヤー、2セット | ホームセンターかAmazon | ||
| ニトリルパウダーフリーラテックスフリー手袋 オーレリア アメイジング | 中等科学 | 92885 | |
| ペトリ皿の蓋、無菌ファルコンペトリ皿 無菌100x15mmスタイル | コーニング社 | 351029 | |
| フォボルミリステート酢酸(PMA)(100 ng/μl、試薬と溶液のレシピを参照) | インビボジェン | TLRL-pma | |
| ピペットチップ(10 & micro;l、200 & micro;l、1000 & micro;l) PurePointまたは同等のもの | アルカリ科学 | ST1010-CS、ST1200-CS、ST1000-CS | |
| ラップ | 乾物屋 | ||
| 純粋化作業コラーゲナーゼ溶液(100 & micro;g/mL) | 高度なバイオマトリックス | 5005-100ML | |
| 丸いカバースリップ #1 1オンス(コーニングフロートグラスまたはフィッシャーブランド) | コーニングまたはフィッシャーブランド | 50143822または12-546-2 25CIR-2 | |
| メス刃、無菌、使い捨てなど; | モペックかフェザー #10 | AJ136または2975#10 | |
| セピアプテリン(SEP、100および微量;M、試薬と溶液のレシピを参照してください) | 経歴 河南化工有限公司 | CAS#: 17094-01-8 | |
| 振動インキュベーターは220rpm、37度、C | エッペンドルフ・ニューブランズウィック・サイエンティフィック | M12990080 | |
| シリコーン接着剤 ロクタイトクリア シリコーンIDHまたは3Mマリングレードシリコーンシーラント ノーズチップ付きクリア | ロックタイトまたは3M | 1745658かPN08019 | |
| シングルチャネルピペット Eppendorf Research Plus、200 & micro;l | エッペンドルフ | ||
| シングルチャネルピペット(10およびマイクロ;l、200 & micro;l、1000 & micro;l) | エッペンドルフ | 2231001122 | |
| 分光光度計 NanoDropOneC | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 13-400-519 | |
| 滅菌脱イオン水 | |||
| カルシウムやマグネシウムを含まない無菌リン酸塩緩衝セリン(PBS) | フィッシャー・サイエンティフィック | BSS-PBS-1X6 | |
| 注射器 3mlまたは5ml、Luer-Lokチップ付き | BD | 309585か309603 | |
| THP-1細胞 | ATCC | TIB-202 | |
| トランスファーピペット、滅菌 | フィッシャーブランド | 13-711-20 | |
| トライトン X-100 | ミリポール・シグマ | X100 | |
| トリパンブルー溶液 | VWR | 97063-702 | |
| トリプシン-EDTA 0.25% | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 25200-056 | |
| Kimwipes ProfessionalをLintGuard Anti-Stat Polyshieldで拭く | キンバリー・クラーク | 34120 | |
| <強力>一次抗体: | |||
| 反人間CD163 | アブカム | 156769 | |
| 反人間CD68 | ノバス・バイオロジカルズ | NB100-683-0.1 mg | |
| 反ヒトCD80、E3Q9V | 細胞シグナル伝達技術 | 15416 | |
| 反ヒューマンCK20 | ライフ・テクノロジーズ | PA5-82875 | |
| 反ヒトMUC2(996/1) | サーモフィッシャー | MA5-12345 | |
| <強い>二次抗体: | |||
| Alexa Fluor 488 ヤギ抗ウサギIgG(CD80およびCK20用) | サーモフィッシャー | A11008 | |
| Alexa Fluor 594 ヤギ抗マウスIgG(MUC2およびCD68またはCD163用) | サーモフィッシャー | A11005 | |
| <強力>試薬および溶液: | |||
| <ストロング>カコ-2 ミディアム: | |||
| 高グルコース(4.5g/L)および1%(v:v)GlutaMax を含むDMEM; | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 35050061 | |
| FBS 10%(v:v)熱不活性化 | シグマ | F2242-500ML | |
| 非必須アミノ酸はCaco-2培地に1% | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 11140076 | |
| ペン溶連菌 1%(v:v) | シグマ | F2242-500ML | |
| <ストロング>HT-29-MTX中 | |||
| 高グルコース(4.5g/L)および1%(v:v)GlutaMax を含むDMEM; | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 35050061 | |
| FBS 10%(v:v)熱不活性化 | シグマ | F2242-500ML | |
| HEPES(最終濃度10 mM) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 15630080 | |
| ペン溶連菌 1%(v:v) | シグマ | F2242-500ML | |
| <ストロング>THP-1 ミディアム: | |||
| FBS(10% v:v)熱不活化胎児用牛血清 | シグマ | F2242-500ML | |
| グルコース(最終濃度4.5 g/L) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A249001 | |
| グルタマックス 1% (v:v) 最終濃度2 mM | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 35050061 | |
| HEPES(最終濃度10 mM) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 15630080 | |
| ペン溶連菌 1%(v:v) | シグマ | F2242-500ML | |
| ロズウェル・パーク記念研究所(RPMI)-1640中型 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 11875119 | |
| ピルビン酸ナトリウム(最終濃度1 mM) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 11360070 | |
| <ストロング>純酸の作動コラーゲナーゼ溶液(希釈して1:30 100 & micro;g/ml): | |||
| ピュアコール3mg/ml、1:30から100mg、マイクロ量;g/ml | 高度なバイオマトリックス | 5005-100ML | |
| 無菌脱イオン水 | |||
| <強力>L-セピアプテリンストック溶液(50 mM): | |||
| L-セピアプテリン(SEP) | 経歴 河南化工有限公司 | CAS#: 17094-01-8 | |
| <ストロング>フォボルミリステート酢酸ストック溶液(PMA、5 mg/mL)<ストロング> | インビボジェン | TLRL-pma | |
| BSA 1% 牛血清アルブミン | シグマ・オルドリッチ | 5470 | |
| DMSO | シグマ | D2650 | |
| ミラーLB | シグマ・オルドリッチ | L3522 | |
| 二次抗体と同じ種の正常な血清 | シグマ | NS02L-1ML | |
| パラホルムアルデヒド | シグマ・オルドリッチ | 441244 |
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