本プロトコルは、制御された三次元培養システムにおいて乳腺形態形成の重要な特徴を再再現するヒト乳房オルガノイドを生成する定義されたハイドロゲルを用いた方法を記述しています。
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本プロトコルは、制御された三次元培養システムにおいて乳腺形態形成の重要な特徴を再再現するヒト乳房オルガノイドを生成する定義されたハイドロゲルを用いた方法を記述しています。
組織構造や細胞状態動態を再現する生理学的に関連性の高いヒトモデルシステムの開発は、乳房の発生や発がん初期の出来事を研究する上で依然として大きな課題です。従来の二次元培養や多くの三次元システムは、人間の乳腺を定義する構造的組織や微小環境の手がかりを捉えきれていません。ここでは、タイプIコラーゲン、ラミニン、フィブロネクチン、ヒアルロン酸からなる定義されたハイドロゲルマトリックス内に埋め込まれた一次上皮細胞から、三次元ヒト乳房オルガノイドを生成する再現可能な方法を説明します。このシステムは、前駆細胞の拡大、上皮パターン形成、末端管小葉単位状構造の形成、さらに間葉質区画の出現を含む乳腺形態形成の重要な段階を経て、21日間の培養期間で単一細胞の進行をサポートします。ハイドロゲルの調製、細胞シーディング、培養条件に関するステップバイステップのプロトコルを提供します。この手法は、高含有量イメージングおよびオルガノイド数、サイズ分布、構造的複雑度の定量解析と互換性があります。このプラットフォームは、上皮の可塑性や環境的摂動の機構的研究を可能にし、乳がんリスクに関連する早期組織レベルの変化を調査するための拡張可能かつ生物学的に関連性の高いシステムを提供します。
ヒト乳腺の発生や悪性変質化の素因となる初期の出来事を理解するには、組織構造、細胞階層、微小環境シグナル伝達を忠実に再現する実験システムが必要です。二次元上皮培養は重要な機構的洞察を提供してきましたが、上皮組織や形態形成をモデル化するために必要な構造的文脈を欠いています。基底膜抽出物に基づく既存の三次元培養システムはこの分野を前進させましたが、組成の変動、細胞外マトリックス成分の不完全な制御、高次組織構造の不整合なサポートにより制約が残っています1。さらに、基底膜抽出物に基づく多くのオルガノイドシステムは、組織様組織1の出現を一貫してサポートできないために制約を受けています。特に、多くのシステムは支持的な微小環境の内因性発達を可能にせず、外因性間質成分に依存しているため、組織発生や疾患に中心的な上皮・間葉系相互作用をモデル化する能力が制限されています。これらの制限は、発生過程、上皮可塑性、環境や分子の乱れが組織組織に与える影響の再現性研究を制限しています。
これらの制約に対処するため、一次上皮細胞が定義された細胞外マトリックス2,3,4,5,8内で組織化された構造を生成することを可能にする、定義されたハイドロゲルベースの三次元ヒト乳房オルガノイドモデルを開発しました。ハイドロゲルはタイプIコラーゲン、ラミニン、フィブロネクチン、ヒアルロン酸で構成されており、乳腺の発生や上皮形態形成における役割に基づいて選定されています。これらの細胞外マトリックス分子は、インテグリン、ディスコイジンドメイン受容体、CD44、RHAMMなどの異なる細胞受容体に関与し、上皮極性、分岐形態形成、幹細胞の維持、機械伝達、乳腺の組織組織の調節が知られています。6,7。このハイドロゲルシステムを記述した先行研究では、これらの細胞外マトリックス成分の組み込みが、コラーゲン単独またはマトリゲルベースの条件と比べて導管小葉形成および上皮成熟を著しく改善することが示されました3,8。さらに、このハイドロゲル製剤の物理的特性は原子間力顕微鏡で既に解析されており、複合型細胞外マトリックスハイドロゲルがコラーゲンのみのゲルに比べて剛性が低く膨張が増加することが示されました(ヤング率:256.7 ± 20.0 Pa 対 559.2 ± 204.0 Pa)。これは、より柔らかく水和されたマトリックス環境と一致しています8。
重要なのは、このモデルが上皮構造に隣接して生じる間葉質状の区画の出現を支持し、内因性の構造およびシグナル支援を提供し、より自然な組織組織を反映していることです。このハイドロゲルシステムの生理学的関連性は、形態学的およびトランスクリプトム解析の両方を用いて、従来のマトリゲル基ロガノイド培養との直接比較によって評価されています。以前の研究では、ハイドロゲル培養がマトリゲル系培養よりも組織化された管-小葉組織形成と多系統分化を支援しつつ、ホルモン応答性も維持することが示されました8。最近では、ハイドロゲル由来オルガノイド、マトリジェル培養オルガノイド、一次ヒト乳腺組織を比較した統合単細胞RNAシーケンシング解析により、ハイドロゲル培養オルガノイドが上皮層構造、細胞多様性、上皮-間葉系相互作用をより忠実に再現することが示されました3.対照的に、マトリゲル培養オルガノイドは増殖性雑種基底状態に富集され、ストロマル様集団を欠いており、これは上皮の自己組織化と一致し、指向性有機形成とは一致しなかった。
ここで説明するプロトコルは、一次ヒト組織からオルガノイドを生成する再現可能かつ拡張可能な方法を提供し、線維芽細胞の枯渇や単一細胞への解離のオプションステップも含めます。このプラットフォームはライブイメージング、高濃度イメージング、定量形態計測解析、細胞追跡、遺伝的撹乱研究と互換性があるため、オルガノイドの数、サイズ、構造、成長動態を評価する下流アプローチと統合可能です。したがって、このプラットフォームは人間の乳房発生、上皮可塑性、上皮と微小環境の相互作用、発生、分子、環境の摂動に対する組織レベルの応答を研究するための生物学的に関連性の高いシステムを提供します。
組織処理、ハイドロゲル調製、オルガノイド培養、発生進行、下流解析を含むワークフローの概要は 図1に示されており、このプラットフォームを用いて生成された代表的なオルガノイド形態は 図2に示されています。

図1。ハイドロゲルベースのオルガノイド生成ワークフローの概要。 (A) プロトコルのワークフローをまとめたフローチャートで、組織採取、組織処理、凍結保存、回収および任意の細胞準備、ハイドロゲル調製、オルガノイド培養、オルガノイド発生、および下流の分析応用を含む。(B) ハイドロゲルベースのオルガノイド生成プロトコルの主要段階を示す視覚的な概略図(組織処理と準備、回収および任意の細胞準備、ハイドロゲル準備およびオルガノイドシーディングを含む)。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図2。定義されたハイドロゲル系で生成される代表的なオルガノイド形態。 定義されたハイドロゲルマトリックス内で培養された異なるヒト組織から得られたオルガノイドの代表的な明視野画像。乳形成術由来の単一上皮細胞から生成された乳オルガノイドは培養21日目に画像化されました。腫瘍断片から生成された患者由来の異種移植片オルガノイドは培養16日目に画像化されました。上皮断片から生成された唾液腺オルガノイドは培養3日目に画像化されました。上皮断片から生成された腎臓オルガノイドは培養17日目に画像化されました。スケールバー=50μm。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。
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手術後に医療廃棄物として廃棄されるはずだった一次組織は、メイン医療センターおよびタフツ医療センターの機関審査委員会が承認したプロトコルを用いて、関連法律に準拠して取得されました。すべての組織は移植前に匿名化されており、特定の患者に特定できませんでした。このため、本研究はマサチューセッツ工科大学およびタフツ大学健康科学部の実験対象者としての人間利用委員会(IRB #13521)から免除資格を与えられました。本研究に登録されたすべての患者は、研究への参加および結果の公表に同意するインフォームドコンセントフォームに署名しました。
1. 組織処理と調製
注意:ヒト組織を含むすべての処置は、機関のバイオセーフティおよび倫理ガイドラインに従って行ってください。手順開始前に、プロトコルステップやオルガノイド準備のワークフローを視覚的に把握するために、図1Aおよび1Bに示されたワークフローの回路図を参照してください。
2. 回収と任意の細胞調製
3. ハイドロゲルの調製とオルガノイドシーディング


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このプロトコルの成功裏の実行により、組織化された上皮形態や組織特異的構造特徴を示す三次元オルガノイド構造が形成されます。オルガノイドは種まき後3〜7日以内に形成され始め、培養期間を通じて発育を続けます。このハイドロゲルオルガノイドシステムの以前の特性評価では、複数の独立した一次ヒトドナー間で再現可能なオルガノイド形成が示されました3。その研究では、12人の疾患のない縮小乳房形成ドナーから単離された一次上皮細胞が評価され、12サンプル中11サンプルが該当する培養条件下でオルガノイドを成功裏に生成しました。ドナー全体で、シード細胞100個あたり形成されるオルガノイド構造の中央値数は1.775(95%信頼区間:0.45–4.10)でした。オルガノイド形成効率や成長動態においてドナー間で大きなばらつきが観察されたものの、複雑な管-小葉およびアシナル形態はドナー間で再現性に生成されました。
単一上皮細胞由来の乳房オルガノイドは進行的な形態形成を示し、培養21日目までに分岐構造を...
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ここで説明するプロトコルは、乳腺形態形成の主要な特徴を支える定義されたハイドロゲルマイクロ環境内で、三次元のヒト乳房オルガノイドの再現可能生成を可能にします。この方法の成功にはいくつかのステップが重要です。まず、組織処理と酵素解離を慎重に制御し、上皮の生存能力を維持しつつ、過剰消化が細胞収量を低下させ、その後の形態形成を妨げる要因を最小限に抑えなければなりません。特に、短時間かつ連続的な酵素治療と穏やかな機械的解離の組み合わせは、機能的な上皮集団を維持するために不可欠です。次に、ハイドロゲルの調製にはコラーゲン濃度、pH、タイミングの正確な制御が必要です。コラーゲンの中和は重合を開始します。したがって、水酸化ナトリウム添加後のすべての工程は、均一なゲル形成を確保するために迅速かつ氷上で行う必要があります。不完全または遅延した重合は、オルガノイドの発生を支えない構造化や崩壊したハイドロゲルを引き起こすことがあります。最後に、ドナー...
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C.K.はNaverisの共同創設者でありコンサルタントです。
タフツ大学生物医学リポジトリのカーラ・ムルガ、ダニエラ・レケナ、メーガン・マロニーの組織支援に感謝いたします。この研究は、Find The Cause乳がん財団およびタフツ大学CTSI NIH臨床・トランスレーショナル科学賞(UM1TR0043, G.R.)の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 mL コニカルチューブ | VWR | 89039-664 | 組織処理と遠心分離用無菌チューブ |
| 40 μm セルストレーナー | VWR | 732-2757 | 単一細胞懸濁液調製用濾過装置 |
| 低容量用40 μm セルストレーナー | Bel-Art | 136800040 | 単一細胞懸濁液調製用濾過装置 |
| 自動細胞カウンター | Bio-Rad | 1450102 | 細胞数を数え、生存率を決定するために使用する装置 |
| ウシ下垂体エキス | Thermo Scientific | 13028014 | 上皮細胞培地の補充剤 |
| 細胞計数用スライド | Bio-Rad | 145-0011 | 細胞計数に使用するデュアルチャンバースライド |
| 遠心機 | N/A | N/A | ベンチトップ遠心機/sは少なくとも500 x gの速度能力と15 mLおよび1.5 mLチューブの収容が必要です。 |
| コラーゲンI | Millipore Sigma | 08-115 | ハイドロゲル形成に使用する細胞外マトリックスタンパク質 |
| コラゲナーゼA | Sigma-Aldrich | 11088793001 | 組織解離に使用する酵素 |
| クリオバイアル | Corning | 976171 | サンプルの凍結保存用無菌バイアル |
| 培養容器(例:チャンバースライド、マルチウェルプレート) | Corning | 354104 354108 3603 | ハイドロゲル沈着とオルガノイド培養のためのプラットフォーム。 |
| ジメチルスルホキシド | Millipore Sigma | 317275 | 凍結培地に使用する凍結保護剤 |
| Dispase II | Roche | 4942078001 | 二次組織解離に使用する酵素 |
| DNase I | Roche | 10104159001 | 細胞解離中に使用する酵素。 |
| ウシ胎児血清 | Gibco | 10437 | 洗浄および中和培地に使用する血清補充剤 |
| フィブロネクチン | Sigma-Aldrich | F2006 | 細胞外マトリックスタンパク質成分 |
| GlutaMAX | Thermo Scientific | 35050061 | 上皮細胞培地の補充剤 |
| ヒト上皮成長因子 | Sigma-Aldrich | E9644 | 上皮細胞培地の補充剤 |
| ヒドロコルチゾン | Sigma-Aldrich | H0888 | 上皮細胞培地の補充剤 |
| ヒアルロン酸 | Millipore Sigma | 385908 | ハイドロゲル配合のための細胞外マトリックス成分 |
| ヒアルロニダーゼ | Sigma-Aldrich | H3506 | 組織解離に使用する酵素 |
| インキュベーター | Thermo Scientific | 3598 | 組織培養インキュベーションに使用する装置 |
| インスリン | Sigma-Aldrich | I9278 | 上皮細胞培地の補充剤 |
| ラミニン | Gibco | 23017-015 | 細胞外マトリックスタンパク質成分 |
| 乳腺上皮基底培地 | Thermo Scientific | M171500 | 上皮細胞用成長培地 |
| マイクロ遠心管(1.5 mL) | Thermo Scientific | 3451 | 小容量反応に使用するチューブ |
| 軌道ローテーター | Thermo Scientific | 400110 | 酵素分解による組織分散用ローテーター |
| P1000ピペット | Gilson | P1000 | 最大1,000 μLの体積を混合および移動するために使用する装置 |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | Thermo Scientific | 15140122 | 上皮細胞培地の抗生物質補充剤 |
| リン酸緩衝生理食塩水 | Gibco | 20012-027 | 洗浄およびすすぎに使用するバッファー溶液 |
| 精密バランス | Mettler Toledo | ML303E | 組織の重量測定に使用するバランス |
| 精密ピペット | Nunc | 170356N | 非接着性上皮細胞の収穫に使用するピペット |
| 水酸化ナトリウム(1 N) | Fisher Chemical | SS261 | コラーゲン中和に使用する試薬 |
| 無菌メス | Bard-Parker | 372615 | 機械的組織ミンチングに使用する工具 |
| トライパンブルー溶液 | Gibco | 15250061 | 細胞生存率評価に使用する染色剤 |
| トライプシン(0.25%) | Gibco | 25200056 | 細胞解離に使用する酵素製剤 |
| 水浴(37 ℃) | VWR | 10LA | サンプルの制御融解に使用する装置 |
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