既知のサイズの蛍光タグ付き糖の転座速度が組織由来のヒト腸コロノイドの透過性を反映する腸バリアの完全性を測定する技術について説明します。
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既知のサイズの蛍光タグ付き糖の転座速度が組織由来のヒト腸コロノイドの透過性を反映する腸バリアの完全性を測定する技術について説明します。
腸バリアは管腔抗原と宿主免疫系の間の調節の重要な部位であり、その調節不全は複数の胃腸疾患に関与しています。腸管オルガノイドは、腸のバリアの完全性の違いを理解し、モデル化するための有用なツールとなり得ます。ここでは、ヒトコロノイドを使用して、オルガノイド単層を横切る蛍光トレーサーのフラックスを測定することにより、機能的な腸バリアの違いを定量化するプロトコルについて説明します。単層を合流まで成長させた後、FITC-デキストランなどの蛍光トレーサーを頂端チャンバーに追加し、経時的に基底外側チャンバーへの転座を検出します。蛍光トレーサーの転座の増加は、より透過性、またはより弱い上皮バリアを反映しています。このプロトコルは、複数の条件にわたる機能的な腸バリアの違いを並行して評価できる適応可能なプラットフォームです。このプロトコルのバリエーションを使用して、さまざまなサイズ、形状、および化学構造の分子に対する経上皮透過性、および上皮細胞の頂端または基底外側の孤立した処理または微小環境の変化の文脈での透過性の違いを評価できます。これにより、疾患状態におけるバリア破壊のメカニズムと治療法をより深く理解できるようになります。
腸粘膜は、腸管腔内の代謝産物、抗原、微生物と免疫系および腸循環との接触を調節する上で重要な役割を果たす複雑な構造です。腸上皮細胞はこのシステムの重要な構成要素であり、健康な状態では高度に選択的なバリアを形成します。上皮を横切る輸送は、複数のメカニズムを通じて発生する可能性があります:経細胞能動的または受動的輸送、タイトジャンクションおよび接着ジャンクションによって調節される傍細胞細孔またはリーク経路。これらの経路のいずれかが分子によって上皮を横切って移動するために使用できるかどうかは、疎水性、サイズ、および化学構造によって決まります。上皮を横切ると、これらの分子は粘膜免疫細胞とより容易に相互作用し、腸の血液またはリンパ循環に入ることができます 1,2腸のバリアの破壊は、炎症性腸疾患やセリアック病などのいくつかの炎症性胃腸疾患の特徴です 1,3,4,5,6,7.この弱体化した腸バリアは、病原性抗原の転座調節不全を通じて、これらの疾患プロセスの病態生理学に役割を果たし、局所的または全身的な炎症反応を引き起こす可能性があります。
腸のバリアを測定するためのいくつかの確立されたプロトコルがあります。in vitro研究では、伝統的にT84やCaco-2細胞などのがん細胞株を使用して、経上皮電気抵抗(TEER)を測定し、タイトジャンクションおよび接着ジャンクション成分を定量化します8。ex vivo では、生検または切除された腸サンプルの Ussing チャンバーを使用して経上皮電流を測定できます9。in vivo 研究では、通常、不活性トレーサーを経口投与し、これらのトレーサーの血液または尿の吸収を測定します10,11。これらの技術は腸バリアの研究に有用であることが証明されていますが、いくつかの制限があります:形質転換された不死細胞株は、本質的に代謝および細胞骨格の変化を持ち、腸バリアに不十分に定義された方法で影響を与えます。患者、患者サンプル、またはモデル生物へのアクセスは制限される可能性があります。in vivo 研究では、交絡因子を制御したり、分子レベルで結論を出したりすることが困難です。したがって、このバリア破壊の証拠は複数の疾患モデルで報告されていますが、これらの腸バリア欠損のメカニズムの理解は依然として限られており、胃腸疾患のこの側面をターゲットにして治療する能力はとらえどころのないままです。
ヒト腸管オルガノイドは、腸管バリア欠損の原因と治療法を解明するユニークでエキサイティングな機能を提供します。組織由来のヒト腸オルガノイドは、腸陰窩の基部に位置する成体幹細胞に由来する初代細胞培養物である12。これらの細胞は、生検または手術標本から分離され、培養して、それらが由来する患者に見られる遺伝的およびエピジェネティックな変化を維持することができます13,14,15。それらは、癌細胞株の代謝変化を持たず、成熟腸上皮に存在するさまざまな細胞型に分化できるため、従来の不死細胞株よりも生理学的に関連するモデルとして機能します16,17,18。さらに、それらはin vitroで増殖できるため、さまざまな治療と成長条件の並行しての細胞効果の制御研究によりアクセスしやすく、有用です。腸管オルガノイドモデルにも固有の制限があり、特に他の非上皮細胞型の欠如と全身系のコンテキストがありますが、ヒト腸オルガノイドは胃腸疾患の複数の側面に対して信頼できるモデルを提供することが示されています13。
これらの中で、腸オルガノイドは腸のバリア欠損を厳密にモデル化することが示されており、バリア傷害の設定におけるタイトジャンクション組織とTEERの予想される変化を示しています19,20,21。ここでは、オルガノイド単層を横切る蛍光タグ付き分子のフラックスが検出されるヒトコロノイドのバリア完全性を評価する1つの手法を採用します22。このプロトコルでは、オルガノイドは半透膜上で増殖し、分極した二次元単層に成熟します。このアッセイでは、上皮単層の頂端表面に蛍光トレーサーを添加し、反対側のその存在を時間の経過とともに定量化します。トレーサーのフラックスの増加は、より漏れやすい、またはより透過性の高い上皮を反映しています。このアッセイは機能的なバリアの読み出しを提供し、タイト接合部と付着接合部の構造の評価に付加することができます。さらに、TEER測定はバリア完全性の基本的な評価を提供するためによく使用されますが、ここで説明するフラックスアッセイは、さまざまなクラス、電荷、およびサイズの分子の透過性を検出するように適応させることができ、それによってバリアをより詳細に特徴付けることができます。この目的のために、いくつかの市販の蛍光トレーサーを使用できます。さらに、重複しない蛍光スペクトルを使用することにより、複数のトレーサーに対する透過性を同時に評価できます。さらに、このアッセイの単層構成により、細胞の頂端または基底外側表面にのみ特異的に適用された増殖条件に対するバリア応答の評価が可能になります。これにより、治療薬の効果、微小環境の変化、および共培養条件の制御された評価が可能になります。
腸のバリア欠損は、いくつかの胃腸疾患の発症において重要な病原性の役割を果たすことが知られていますが、「リーキーガット」という用語は、精度のない一般的なメディアでますます使用されており23、欠陥のある腸バリアを標的とする取り組みは成功に限られています。これは、腸の関門を評価および特徴付けるための改良モデルの必要性を浮き彫りにしています。記載されているシステムは、生理学的ヒト組織由来の腸管オルガノイド単層を使用して、制御された条件下での機能的バリアの完全性を評価します。
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すべてのサンプルは、コロラド大学治験審査委員会 (IRB) によって承認されたプロトコル (プロトコル番号 14-2012) に従って取得および使用されました。
注:ステップ1〜3のすべての手順は、無菌技術で無菌バイオセーフティキャビネットで行う必要があります。プロトコルの概略図を 図1に示します。
1. 凍結培養物からのヒトコロノイドの確立
注:解凍したオルガノイドの凍結培地への曝露を最小限に抑えるために、細胞を解凍する前に、すべての材料がバイオセーフティキャビネットで準備されていることを確認してください。プロトコルは、凍結保存された組織由来のヒトコロノイドから始まります。ヒトコロノイドを誘導し、凍結保存するためのプロトコルは、以前に説明されています24。
2. ヒトコロノイドの継代と拡張
3. ヒトコロノイド単層の生成
4. 経上皮電気抵抗(TEER)と単層成熟の測定
5. FITC-デキストランフラックスアッセイ
注:このプロトコルは、FITC-デキストラン4 kDa(ストークス半径14 Å)を使用します。ただし、実験のニーズに応じて、異なるサイズ、電荷、および蛍光色素の蛍光トレーサーを使用できます22。複数のトレーサーを同時に使用する場合もありますが、その場合は、励起スペクトルと発光蛍光スペクトルが重複していないことを確認する必要があります。ステップ5.1〜5.3は、37°Cに設定された加温キャビネット(非加湿、非CO2 インキュベーター)で実行することをお勧めします。 これが利用できない場合は、使用前に試薬を37°Cに温め、細胞、バッファー、および採取したサンプルは、インキュベーション期間中は37°Cに保つ必要があります。
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このプロトコルを使用して、炎症シグナル伝達の存在下および非在時における健康なヒトコロノイドの透過性を分析しました。IFNγ、TNFα、およびIL-1β(それぞれ10 ng / ml)を含むサイトミックスと呼ばれる炎症性サイトカインの混合物の添加は、腸上皮細胞モデル20,27でTEERによって測定された腸バリア機能障害を誘発することが以前に示されています。このバリア機能障害が、記載されている FITC-デキストラン フラックス アッセイを使用して再現できるかどうかを判断することを目的としました。
単一のドナーからの健康なヒトコロノイドを増殖させ(図2A)、説明されているように単層にプレーティングしました(n = 6)。分化培地中でプラトーTEERに達した後(ステップ4; 図2B)、サイトミックス(IFNγ、TNFα、およびIL-1β、それぞれ10 n...
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これは、ヒトコロノイド単層の生理学的に代表的なモデルにおける腸バリアを評価するためのプロトコルです。ここで説明する蛍光トレーサーフラックスアッセイは、TEER、Ussingチャンバー測定、タイトジャンクションタンパク質発現の評価など、他のタイプのバリアアッセイで収集できるものを超えて、バリアの機能的完全性に関する情報を提供します。さらに、患者由来の腸オルガノイドモデルを使用することは、形質転換されていない細胞代謝やコロノイドが得られる腸の領域に特異的な変化など、不死の細胞株よりも複雑なヒト生理学13,19を再現する利点をもたらし、in vivo研究よりも制御性、アクセス性、容易さを備えています。
プロトコルには、その原則を特定の目的に合わせて調整するために使用できるいくつかの適応があります。さまざまな電荷、サイズ、または構造を持つ複数の蛍光トレーサー、および重複しない励起/発光スペ...
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開示や利益相反はありません。
ショーン・コルガン博士は、NIH 助成金 DK1047893、DK50189、DK095491、DK103639、および VA メリット BX002182 から資金提供を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 mLコニカル遠心分離管 | セルトリート | 229411 | |
| 2 mLめねじ極低温バイアル | コーニング | 430488 | |
| 50 mLコニカル遠心分離管 | セルトリート | 229421 | |
| 6ウェルプレート, 組織培養処理 | セルトリート | 229106 | |
| 70 & ムー;M細胞ストレーナー | 隼 | 352350 | |
| 96ウェルブラック/クリア底板 | サーモサイエンティフィック | 165305 | |
| A83-01 | R&D | 2939 | |
| BioTek Synergyプレートリーダー | アジレント | シナジーH1 | |
| セロメーターオートT4明視野セルカウンター | ネクセルコム | CMT-AT4P | |
| セルメーターセル計数チャンバー | ネクセルコム | NC1531583 | |
| CHIR99021 | シグマ・アルドリッチ | SML1046-5MG | |
| コラーゲンコーティング液 | セルアプリケーション | 125-50 | |
| DMEM/F-12 | ギブコ | 11330057 | |
| DMSOの | シグマ・アルドリッチ | D2650-100MLの | |
| エタノール100% | フィッシャーサイエンティフィック | A4094 | |
| EVOM2 ボルトオームメーター、Stx2電極付き | 世界の精密機器 | NC9792051 | |
| ウシ胎児血清 (FBS) | サイトバ | SH30396.03こんにちは | |
| フィルターピペットチップ | フィッシャーサイエンティフィック | 02-707-000, 02-707-002, 02-707-006, 02-707-008 | |
| フルオレセインイソチオシアネート(FITC)-デキストラン、4kDa | シグマ・アルドリッチ | 46944 | |
| ガストリンI(人間) | R&D | 3006 | |
| グルタMAX | フィッシャーサイエンティフィック | 35050061 | 200 mM L-アラニル-L-グルタミンジペプチド |
| ハンクス緩衝生理食塩水 10x | サーモサイエンティフィック | 14065056 | |
| ヘペス 1M | サーモサイエンティフィック | 15630080 | |
| インターフェロンガンマ組換えヒト | バイオレジェンド | 575308 | |
| インターロイキン1ベータ組換えヒト | サーモサイエンティフィック | 200-01B-500UG | |
| IntestiCult 腸管オルガノイド増殖培地 (ヒト) | STEMCELLテクノロジー | 06010 | 市販の腸管オルガノイド培地 |
| ライブ倒立顕微鏡 | オリンポス | IX85 | |
| マトリゲル | コーニング | 354234 | 細胞外マトリックス(ECM) |
| 微生物学的培養器 | フィッシャーサイエンティフィック | 151030515 | |
| 懸濁培養用マルチウェルプレート、24ウェル | グライナーバイオワン | 662102 | |
| ニコチンアミド | R&D | 4106 | |
| パラフィルム | ミリポアシグマ | HS234526B | シーリングフィルム |
| パスツールピペット(ホウケイ酸ガラス) | フィッシャーサイエンティフィック | 〒13-678-20B | |
| PBS | ギブコ | 10010-023 | |
| ペニシリンストレプトマイシン(10,000 U / mL) | ギブコ | 15140122 | |
| 組換えウーズ上皮成長因子 | R&D | 2028-EG | |
| 冷蔵遠心分離機 | ベックマン・コールター | BE-AX15R型 | |
| SB202190 | R&D | 1264 | |
| チアゾビビン | R&D | 3845 | |
| ThinCert細胞培養インサート、24ウェルプレート用、0.4&μ。m | グライナーバイオワン | 662641 | |
| トリプシン-EDTA(0.25%) | フィッシャーサイエンティフィック | 25200114 | |
| 腫瘍壊死因子α組換えヒト | R&D | 10291-TA-100 | |
| Y-27632 二塩酸塩 | トクリス | TB1254-GMP |
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