Name: 脱細胞化肺スライスから調製された人工肺組織 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-21T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: 学ぶ脱細胞化肺スライスを用いた人工肺組織の作製法。肺胞上皮2型細胞、線維芽細胞、血管内皮細胞を再播種し、再生医療のための三次元培養基質として利用可能です。

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著者らは、このプロトコルで使用される組織培養カセットデザインを開発したLorenzo SewananとJorge Nunez、ビブラートームの使用のためのKaminski研究室、肺スライスの支援のためのMaurizio ChioccioliとJessica Nouws、最初のパイロット実験の支援のためのAllie LaRocco、およびプロトコルの注意深い読書のためのHong Qianに感謝したい。この研究は、NIH助成金F30HL143880(K.L.L.)、医学科学者トレーニングプログラムトレーニンググラントT32GM136651(K.L.L.)、およびU01HL145567(L.E.N.)によって支援されました。Humacyte Inc.(L.E.N.)からの無制限の研究ギフトによって。

L.E.N.は、再生医療企業であるHumacyte, Inc.の創設者兼株主です。Humacyteは、血管手術のために同種異系平滑筋細胞から操作された血管を産生する。L.E.N.の配偶者はHumacyteの株式を保有しており、L.E.N.はHumacyteの取締役会のメンバーです。L.E.N.は、Humacyteにライセンス供与され、L.E.N.のロイヤリティを生み出す特許の発明者であり、エール大学の彼女の研究室での研究を支援するための無制限の研究ギフトを受け取りました。Humacyteは、この報告書の調査結果の行動、説明、または解釈に影響を与えなかった。

この論文では、多系統肺胞様構造を含むインビトロで操作された肺組織を生成するためのプラットフォームとして、脱細胞化精密切断肺スライスの使用について説明する。全肺工学22,31用の高忠実度無細胞ECM肺足場を再移入するために以前に開発した戦略と、小規模で操作された心臓組織30を培養するための堅牢なシステムを組み合わせることにより、このプロトコルは、生理学的に関連する肺ECMを組織培養基質として、反復可能かつ中程度のスループットの方法で使用することができます。
ここで提示された方法は、ラット肺からのELT足場調製を詳述し、容易に達成可能であり、アガロース膨張のために無傷の気道に直接アクセスして 一括 して抽出することができ、マウス肺よりも大きいサイズである。しかしながら、アガロースで膨張させ、長さが少なくとも9mmのスライスを生じることができる任意の肺組織を、このシステム内で使用することができる。組織源に関係なく、アガロースによる肺組織の均一な膨張は、下流組織スライス、クリッピング、および組織処理を確実に成功させるための最も重要なステップです。膨らみすぎた肺組織はきれいにスライスされない傾向がありますが、膨らみすぎた組織はクリッピング中に裂けることがあります。アガロースゲル化に続いて、適切に膨張した組織領域はしっかりしているが、鉗子で穏やかに押すと少し与える。無傷のラット肺の場合、抽出した肺を空気で数回事前に膨張させ、抽出後できるだけ早くアガロースインフレーションを行うと、最良のスライス結果と結果として得られる組織足場の最高の品質が得られることを見出した。アガロースの適切な量は経験的に最適化する必要があります。ラットの肺の場合、肺を総肺容量まで膨らませるのに必要な体積は約30mL/kgの動物質量(例えば、350gラットの肺の場合は10.5mLアガロース)である。気道アクセスがあまり単純ではないより大きな切除肺組織(ヒトドナーからのものなど)の場合、気管支32を介して組織を膨らませるために、いくつかの追加のトラブルシューティングが必要となり得る。その後の肺スライスの間、プランジャー上の組織の選択および配向は、1)スライスが組織培養カセットにクリップすることができる組織ストリップを生成するのに十分な大きさであることを確認し、2)大きな気道または血管を除く実質(肺胞)組織面積を最大化するためのもう1つの重要なステップである。
PCLSを組織培養カセットにクリッピングすることは、最初は困難なステップになる可能性がありますが、カセットは脱細胞化および播種中の組織ハンドリングを大幅に簡素化します。起こり得る2つの潜在的な問題は、組織の引き裂き(クリッピングのプロセス中、または脱細胞化の間のいずれか)、または下流の播種が不十分になるクリップ内の組織位置決め(例えば、播種なし、または端部のみの播種)である。引き裂きは、アガロースのオーバーインフレーション、タブ挿入時の組織のオーバーストレッチ、またはタブを挿入するときに適切な組織グリップを提供するにはオーバーハングが少なすぎる結果である可能性があります。片方のクリップの端で裂けたスライスは正常に播種され得るが、組織が平坦ではないため、培養中に顕微鏡下で視覚化することは困難である。貧弱な組織播種( 図6Cのような)は、スライスが2つのクリップの間に平らに横たわっていないため、逆さまにひっくり返したときに播種浴の基部との接触が良好に悪くなるためである可能性が高い。別の考えられる原因は、播種浴の底部にカセットをうまく不適切に装着することである。クリッピングに関しては、2番目のクリップを配置するときに組織に少しだけ張力を加えて、平らに横たわるようにします。いくつかのスライスはわずかに凹みを持っています。このような場合は、凸面を上にしてスライスをクリップします。練習では、通常、スライスの2%未満でシードに失敗します。
このプロトコルの1つの制限は、ELT準備の初期材料を生成するために、レーザーカッターと3Dプリンタなどの特殊な機器の要件です。しかし、組織培養カセットおよび播種浴が作成されると、追加の特別な材料は必要ありません。ELT足場調製物の肺スライスおよび脱細胞化ステップは、適度に時間がかかる。しかしながら、これらのステップは、事前に、または同時に複数の実験の準備をするのに十分な数で実行してもよい。多くのPCLS(実質領域用に最適化する場合は>100)は、単一の肺から切断し、後で使用するためにスナップ凍結することができます。単一の凍結融解サイクルがECM46に軽微な超構造的損傷を引き起こす可能性があるが、複数の凍結融解サイクルでさえ、ECM23、47において有意な損失を引き起こさないことが実証されている。PCLSはまた、実験に先立ってクリッピングおよび脱細胞化され、1ヶ月以内に使用されるようにしてもよい。(注目すべきことに、記載された脱細胞化プロトコルは、約6時間で達成することができ、これは、1日以上を必要とする前述の方法に対する有意な利点を表す27、28。足場が準備されると、細胞播種プロセスは簡単で高速であり、ELTの培養は特別な技術を必要としない。
記載されたELT法の警告は、領域特異的な播種の欠如、すなわち、血管空間へのAEC2s特異的な送達、または血管空間への内皮細胞特異的な送達である。それにもかかわらず、細胞は単に組織足場の上に播種されるが、再細胞化のパターンは非ランダムであり、上皮リングを含む肺胞様組織のいくつかの類似性を有する。我々は、細胞間相互作用、ならびにECM組成および幾何学的形状20,21の局所的な差異が、観察された再細胞化パターンに寄与している可能性が高いと疑っている。この仮説を支持するために、線維芽細胞を脱細胞化肺スライスに非特異的に播種した以前に発表された研究は、組織再集団化および関連する細胞表現型のパターンが、顕微鏡組織領域およびECM足場源(例えば、健康なか罹患したか)によって有意に異なることを実証した27。線維芽細胞はまた、間質−それらが天然の肺組織に存在する場所1、27に侵入することが観察された。真に地域特異的な方法で肺スライス上の細胞を培養することが想像できる主要な代替方法は、気道31、48および血管区画49、50を介して無傷の脱細胞化肺を播種し、次いで再細胞化組織をスライスすることを含むであろう。ただし、この代替案 1) は、コスト、時間、およびリソースを大量に消費します。2)はスループットが低い。3)動物の数を増やす必要があります。4)は、肺培養全体およびその後の播種された肺のスライスの課題による汚染のリスクの増加と関連している。ELTプラットフォームは、天然の細胞組織のすべての側面を要約するわけではありませんが、生理学的に関連するECM基板上で、より多くのラボがアクセスできる方法で肺細胞培養を可能にします。
ELTシステムの柔軟性は、このプラットフォームの主な利点であり、任意の数の組織足場、細胞、または関心のある培養培地を用いた小規模の肺組織培養を可能にするべきである。罹患組織または傷害モデルに由来する足場の使用は、疾患改変ECM 27,29,51の設定における細胞間相互作用または細胞−マトリックス相互作用の研究を可能にし得る。しかしながら、脱細胞化プロトコルは、種52間のマトリックスの違いを説明するために適合させる必要があるかもしれないことに留意されたい。記載された播種戦略は、任意の細胞タイプに使用でき、培養タイムラインは研究者のニーズに合うように適合した。出発点として、足場あたり1 x106細胞は培養後7日以内に高度に細胞組織を生成するはずであるが、1 x105の総細胞は細胞性不良をもたらす。タイムラインの任意の適応において、組織培養カセットは、最後の組織播種後24時間後に播種浴から除去されるべきである。ここでは、肺胞の細胞の複雑さの一部をモデル化することを目的として、肺胞様構造における高分化新生児AEC2の維持を少なくとも7日間サポートする三培養再細胞化戦略について説明する。我々の結果はまた、ELTにおける線維芽細胞および内皮細胞の両方の生着の成功を実証し、培養基材の広範な適用性および共培養研究への適合性を強調している。成体細胞をELTに播種すると、より静止した肺胞構造のモデリングが容易になるかもしれないが、遺伝子組み換えを含むヒトPSC由来AEC2sを播種すると、ヒト疾患の翻訳研究が容易になる可能性がある13,53。一般に、ELTプラットフォームによって可能になるボトムアップアプローチは、AEC2増殖や分化状態など、関心のある読み出しに対する特定の細胞タイプの寄与を調査する機会を提供します。
要約すると、このプロトコルは、無細胞ECM肺スライス足場内のAEC2s、線維芽細胞、および内皮細胞の共培養研究のために操作された肺組織を生成するための堅牢なシステムを概説する。ELTは、初代AEC2の新規な3D培養戦略であり、今日まで、十分に分化した表現型を維持するために、生理学的でないゲル型マトリックスに典型的に依存してきた6、11、12。現在のプラットフォームは、脱細胞化肺スライス24,25,26,27,28,29の再集団化における以前の研究に基づいているが、いくつかの利点を提供する:1)脱細胞化、播種、および培養中のELT取り扱いを容易にする組織培養カセットシステム。2)各スライス足場に既知の数の細胞を正確に播種するためのカスタマイズされた播種浴;3)上皮細胞、間葉系細胞、および内皮細胞による肺胞組織再増殖を可能にする三培養再播種戦略。したがって、ELTは、天然の肺胞およびAEC2幹細胞ニッチの細胞および基質の複雑さを捕捉する再現性のあるin vitroモデルの作成に向けた重要な一歩である。

肺胞は遠位肺の機能単位であり、肺胞上皮1型細胞(AEC1)および2型細胞(AEC2s)によって裏打ちされたガス交換空域の網目を含む。上皮の根底にあるのは、毛細血管の緻密なネットワークと支持する間葉であり、これらはすべて、これらの繊細な気嚢1に強度と柔軟性の両方を提供する細胞外マトリックス(ECM)足場によって支えられている。肺胞はまた、特発性肺線維症2、急性呼吸窮迫症候群3、および重度のコロナウイルス疾患-19(COVID-19)4を含む多数の肺病理における傷害部位でもある。過去10年間の研究により、肺上皮内の顕著な可塑性が明らかになりましたが、一部の環境では遠位肺修復を可能にし、他の環境では修復を妨げるメカニズムは、依然として激しい調査の領域です5。肺胞をモデル化するための改良された in vitro プラットフォームの開発は、肺胞生物学、再生、および治療の研究を容易にするであろう。
AEC2sは自己再生してAEC1に分化し、したがって遠位肺6、7、8の初代幹細胞と考えられている。しかしながら、これらの細胞は、表現型9を失うことなく初代AEC2sを培養することに関連する困難さを考えると、in vitro研究に特に課題を提起する。従来の2次元(2D)培養では、AEC2sはAEC1様細胞10の平坦化およびいくつかの特徴を採用する。対照的に、3D培養戦略(最も一般的にはオルガノイド)は、初代AEC2s6、11、12の分化特徴の維持を支持し、多能性幹細胞(PSC)由来AEC2s 13、14の長期培養を可能にする。オルガノイドは、遠位肺発生15、ウイルス感染11、15、およびAEC2関連遺伝病13、16、17をモデル化するために使用されており、AEC2の生物学および再生に関する重要な洞察を可能にしている。しかしながら、これらの培養モデルは、典型的には、1つまたは2つの細胞系譜のみを含み、天然肺胞のアーキテクチャまたはECM基質のいずれかを反復することができないゲル型マトリックスに細胞を埋め込む。
ECMは、分子的、トポロジカル、および機械的手がかりを介して細胞表現型および挙動の重要な調節因子である。幹細胞の運命を調節する組織特異的ニッチの重要な構成要素を含む;局所的に分泌される成長因子18、19、20、21の利用可能性を調節する貯水池として機能する。したがって、天然ECM上で細胞を培養することは、インビボ組織の生物学をモデル化するためのインビトロシステムの予測能力を増加させる可能性がある。脱細胞化は、洗剤、酵素、または物理的もしくは他の方法を介して組織から細胞材料を除去するプロセスであり、慎重に実施すれば、天然器官のECM足場の大部分を保存することができる22,23。このような足場は、3D生体模倣培養のために細胞を再移入することができる。しかしながら、脱細胞化足場は組織工学用途に広く使用されているが、日常的な細胞培養のためのそれらの使用は限られていた。いくつかの以前の研究は、肺スライスまたは小さな肺組織セグメントの脱細胞化および再細胞化を報告している。概念実証研究24,25,26に加えて、再移入肺スライスは、線維芽細胞-マトリックス接着27,28を研究し、線維芽細胞表現型に対する罹患肺マトリックスの影響を調査するために使用されている27,29。精密に切断された組織スライスを生成するために利用可能な改良された技術により、脱細胞化肺スライスは、肺胞、気道、および血管部分構造を維持しながら、細胞を培養するための便利で小規模のプラットフォームを提供することができる。複数の細胞タイプを組み込むことで、生理学的に関連する3D環境内での細胞間相互作用の研究が可能になります。しかし、培養プロセス全体を通して組織の取り扱いを容易にし、既知の数の細胞で組織を制御および再現性のある播種を確実にするために、改善された戦略が必要である。
ここでは、脱細胞化精密切断肺スライス(PCLS)に一次内皮細胞、AEC2s、および線維芽細胞を再移入することによって、人工肺組織(ELT)を生成するためのプロトコルを提示する。先に述べた人工心臓組織システム30および肺全体の脱細胞化-再細胞化戦略22,31の適応において、我々は、ラット肺からPCLSを切断し、下流の操作を簡素化および標準化する再利用可能な組織培養カセットにスライスをクリップする手順を説明する。クリッピングされたスライスは、非細胞ECM足場を形成するために脱細胞化され、カスタマイズされた播種浴に再移入される。肺スライス足場は、重要なECMコンポーネントとアーキテクチャを保存し、少なくとも7日間、多系統肺胞様構造内のAEC2の成長をサポートします。ELTは、生理学的に関連する3Dマトリックス内の新しい肺胞共培養システムであり、AEC2sおよび肺胞の基本的な生物学的研究を促進しながら、肺組織工学戦略の開発をサポートするはずである。

<table><tbody><tr><td>3Dプリンタ: Form 2</td><td>Formlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3-Isobutyl-1-methylxanthine (IBMX)</td><td>Sigma</td><td>I5879</td><td></td></tr><tr><td>8-Bromo cAMP</td><td>Sigma</td><td>B7880</td><td></td></tr><tr><td>Agarose, UltraPure LMP</td><td>Invitrogen</td><td>15517-014</td><td></td></tr><tr><td>Amphotericin B</td><td>Sigma</td><td>A2942</td><td></td></tr><tr><td>Barbed Reducer fitting, 3/8 inch x 1/4 inch</td><td>McMaster-Carr</td><td>5121K271</td><td></td></tr>ベン<tr><td>ゾナーゼヌクレアーゼ</td><td>シグマ</td><td>E1014</td><td></td></tr><tr><td>ウシ血清アルブミン(BSA)フラクションV</td><td>ジェミニ</td><td>700-104PAEC2</td><td>成長培地ウ</td></tr><tr><td>シ血清アルブミン(BSA)、標準グレードの</td><td>ジェミニ</td><td>700-100P</td><td>ベンゾナーゼ緩衝</td></tr><tr><td>液チェックバルブ、ポリプロピレン、1/8インチホースバーブ</td><td>コールパー</td><td>マーSK-98553-10</td><td></td></tr><tr><td>CHIR99021</td><td>PeproTech</td><td>2520691</td><td></td></tr><tr><td>Clear Resin, 1 L</td><td>Formlabs</td><td>RS-F2-GPCL-04</td><td></td></tr><tr><td>シアノアクリレート接着剤、Krazy Maximum Bond 永久接着剤など</td><td>ハードウェア、クラフト、ドラッグストア</td><td>KG483 または類似の</td><td></td></tr><tr><td>デキサメタゾン</td><td></td><td>Sigma D4902</td><td></td></tr><tr><td>DMEM (低グルコース)</td><td>Gibco</td><td>11885-084</td><td></td></tr><tr><td>DMEM(高グルコース)</td><td>Gibco</td><td>11965-092</td><td></td></tr><tr><td>DNA assay (Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit)</td><td>Invitrogen</td><td>P7589</td><td></td></tr><tr><td>EDTA、0.5 M、pH 8.0</td><td>AmericanBio</td><td>AB00502-01000</td><td></td></tr><tr><td>EdU キット (Click-iT EdU Cell Proliferation Kit for Imaging, Alexa Fluor 647)</td><td>Invitrogen</td><td>C10340</td><td>製造元の指示に従って使用</td></tr><tr><td>エルボーフィッティング、3/8 インチ</td><td>McMaster-Carr</td><td>5121K907</td><td></td></tr><tr><td>F12</td><td>Gibco</td><td>11765-054</td><td></td></tr><tr><td>ウシ胎児血清 (FBS)、特性評価</td><td>ハイクロン</td><td>SH30071.03</td><td></td></tr><tr><td>ゲンタマイシン硫酸塩</td><td>Gemini</td><td>400-100P</td><td>50 mg/mL のストック溶液の diH2O で再構成</td></tr><tr><td>バリカン</td><td>Wahl</td><td>MiniArco</td><td></td></tr><tr><td>Hank's balanced salt solution (HBSS), Phenol Red Free</td><td>Gibco</td><td>14175-095</td><td></td></tr><tr><td>ヘパリンナトリウム注射、USP、1000 U/mL</td><td>Sagent</td><td>NDC: 25021-400-30</td><td>腹腔内および心臓内注射用</td></tr><tr><td>ヘパリンナトリウム塩</td><td>Sigma</td><td>H4784</td><td>肺動脈灌流用; PBS</td></tr><tr><td>HEPES バッファー</td><td>Corning</td><td>25-060-Cl</td><td></td></tr><tr><td>インライン ティーフィッティング、3/8 インチ x 1/8 インチ</td><td>McMaster-Carr</td><td>5121K851</td><td></td></tr>接<tr><td>種ループ、使い捨て</td><td>フィッシャーブランド</td><td>22-363-600</td><td></td></tr><tr><td>ウシ膵臓からのインスリン</td><td>シグマ</td><td>I6634</td><td></td></tr><tr><td>ケタミン注射、100 mg / mL</td><td>コベトラス(バトラーアニマルヘルス)</td><td>010177</td><td></td></tr><tr><td>KGF、組換えヒト</td><td>PeproTech</td><td>100-19</td><td></td></tr><tr><td>レーザーカッター、VLS 3.50 30ワット</td><td>Universal Laser Systems</td><td></td><td></td></tr><tr><td>L-グルタミン</td><td>Gibco</td><td>25030-081</td><td></td></tr><tr><td>ルアーロック、メス、3/32 インチ</td><td>コールパーマー</td><td>45508-02</td><td></td></tr><tr><td>ルアーロック、オス、1/8 インチ</td><td>コールパーマー</td><td>30800-24</td><td></td></tr><tr><td>ルアーロック、オス、1/4 インチ</td><td>マクマスターカー</td><td>51525K146</td><td></td></tr><tr><td>MCDB-131 血清</td><td>VEC テクノロジー</td>なし<td>MCDB-131 WOFBS</td><td></td></tr><tr><td>塩化マグネシウム (MgCl2)、1 M</td><td>AmericanBio</td><td>AB09006-00100</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>American Bioananalytical</td><td>AB01915</td><td></td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水 (PBS)、Ca2+ および Mg2+ なし、10X</td><td>Sigma</td><td>D1408</td><td>DiH2O</td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水 (PBS)、Ca2+ および Mg2+</td><td>Gibco</td><td>21300-058</td><td></td></tr> <tr><td>で 1X に再構成PDMS - SYLGARD 184 シリコーン エラストマー キット</td><td>ダウ コーニング</td><td>コーポレーション 4019862</td><td></td></tr><tr><td>ペニシリン/ストレプトマイシン (10,000 U/mL ペニシリン/10,000 &mu;g/mL streptomycin)</td><td>Gibco</td><td>15140-122</td><td></td></tr><tr><td>シャーレ、150 mm</td><td>Falcon</td><td>351058</td><td></td></tr><tr><td>プラスチックフィルム (パラフィルム)</td><td>Bemis</td><td>PM-996</td><td></td></tr><tr><td>Pharmed BPT チューブ、LS 16</td><td>Masterflex</td><td>06508-16</td><td></td></tr><tr><td>Pharmed BPT チューブ、LS 17</td><td>Masterflex</td><td>06508-17</td><td></td></tr><tr><td>プラチナ硬化シリコンチューブ、LS 14</td><td>Masterflex</td><td>96420-14</td><td></td></tr>プラチナ<tr><td>硬化シリコーンチューブ、LS 16</td><td>Masterflex</td><td>96420-16</td><td></td></tr>プラチナ<tr><td>硬化シリコーンチューブ、LS 36</td><td>Masterflex</td><td>96410-36</td><td></td></tr><tr><td>Poloxamer 407(プルロニックF-127)</td><td>Sigma</td><td>P2443</td><td></td></tr><tr><td>ポビドン/ヨウ素準備パッド、10%</td><td>Dynarex Corporation</td><td>1108</td><td></td></tr><tr><td>PTFEシート、厚さ0.060インチ(1/16インチ)</td><td>ePlastics</td><td>PTFENAT0.060X12X12</td><td>組織培養カセットタブ用</td></tr><tr><td>PTFEシート、厚さ0.093インチ(3/32インチ)</td><td>ePlastics</td><td>PTFENAT0.093X12X12</td><td>組織培養カセットフレームおよびクリップ用</td></tr><tr><td>蠕動ポンプ駆動:Masterflex L/S 可変速デジタルドライブ</td><td>コールパーマー</td><td>ZM-07528-30</td><td></td></tr><tr><td>蠕動ポンプヘッド:Masterflex L/S Easy-Load II ポンプヘッド</td><td>コールパーマー</td><td>EW-77202-60</td><td></td></tr><tr><td>ラット、スプレイグドーリー</td><td>チャールズリバー</td><td>ひずみコード:400</td><td></td></tr><tr><td>カミソリブレード</td><td>任意のハードウェアまたは工芸品店</td><td>ペルソナ94-120-71または同様の</td><td></td></tr><tr><td>レチノイン酸</td><td>シグマ</td><td>R2625</td><td></td></tr><tr><td>ロータリーブレード、28 mm</td><td>オムニグリッド</td><td>2046</td><td></td></tr><tr><td>ロータリーカッター、28 mm</td><td>オルファ</td><td>モデル9551</td><td></td></tr><tr><td>デオキシコール酸ナトリウム (SDC)</td><td>Sigma</td><td>D6750</td><td></td></tr><tr><td>ニトロルシドナトリウム (SNP)</td><td>Sigma</td><td>71778</td><td></td></tr><tr><td>ストップコック、4 ウェイ</td><td>Edwards</td><td>594WSC</td><td></td></tr><tr><td>縫合糸、4-0 モノフィラメント ポリプロピレン</td><td>Covidien</td><td>VP-557-X</td><td></td></tr><tr><td>シリンジ、10 mL</td><td>BD</td><td>302995</td><td></td></tr><tr><td>シリンジ、50 mL</td><td>BD</td><td>309653</td><td></td></tr><tr><td>組織培養皿、35 mm</td><td>Falcon</td><td>353001</td><td></td></tr><tr><td>組織培養皿、100 mm</td><td>Corning</td><td>430167</td><td></td></tr><tr><td>組織培養プレート、6 ウェル</td><td>Falcon</td><td>353046</td><td></td></tr><tr><td>組織培養プレート 12 ウェル</td><td>Falcon</td><td>353043</td><td></td></tr><tr><td>Transferrin ヒト</td><td>Sigma</td><td>T8158</td><td></td></tr><tr><td>Tris、1 M 溶液、pH 8.0</td><td>AmericanBio</td><td>AB14043-01000</td><td></td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>American Bioanalytical</td><td>AB02025-00500</td><td></td></tr><tr><td>ビブレータ、圧縮 VF-300-0Z</td><td>Precisionary Instruments LLC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>キシラジン、100 mg/mL</td><td>ヘンリー シャイン</td><td>NDC: 11695-4022-1</td><td></td></tr><tr><td>Y コネクタ、1/16 インチ バーブ</td><td>コール パーマー</td><td>30614-43</td><td></td></tr></tbody></table>

脱細胞化肺スライスから調製された人工肺組織

Engineered Lung Tissues Prepared from Decellularized Lung Slices

エクスビボでの天然肺胞の建築的および細胞的複雑さを再現する改良された3次元(3D)肺モデルが必要である。最近開発されたオルガノイドモデルは、インビトロでの肺上皮前駆細胞の拡大および研究を促進したが、これらのプラットフォームは、典型的には、マウス腫瘍由来マトリックスおよび/または血清に依存し、1つまたは2つの細胞系譜のみを組み込んでいる。ここでは、脱細胞化精密切断肺スライス(PCLS)の多系統再細胞化に基づいて人工肺組織(ELT)を生成するためのプロトコルについて説明する。ELTは、天然の肺によく似た細胞外マトリックス(ECM)基質内に、肺胞上皮、間葉、および内皮を含む肺胞様構造を含む。組織を生成するために、ラット肺をアガロースで膨張させ、厚さ450μmのスライスにスライスし、ストリップに切断し、脱細胞化する。得られた無細胞ECM足場を、次いで、初代内皮細胞、線維芽細胞、および肺胞上皮2型細胞(AEC2s)で再播種する。AEC2sは、無血清の化学的に定義された増殖培地を用いてELT培養で少なくとも7日間維持することができる。組織調製および培養プロセス全体を通して、スライスはカセットシステムにクリップされ、複数のELTの取り扱いおよび標準化された細胞播種を並行して容易にする。これらのELTは、肺胞内の細胞間および細胞-マトリックス相互作用、ならびにAEC2sおよびそのニッチを調節する生化学的シグナルの調査を容易にする有機型培養プラットフォームを表す。

ELTを生成するプロセス(肺スライス、スライスクリッピングおよび脱細胞化、および足場再集団化を含む)の概要を図3に示す。ここで提示されたELTsを、初代ラット肺微小血管内皮細胞(材料の表を参照のこと)、新生児ラットAEC2s、およびリポ線維芽細胞富化新生児ラット肺線維芽細胞36を用いて培養した。AEC2sは、前述のように磁気ビーズベースの選別によって新たに単離された37;代替の分離プロトコルは、他の場所で詳細および議論されている38、39、40。単離されたラットAEC2sの純度は、ラット特異的AEC2表面マーカーRTII-7041のフローサイトメトリー、またはRTII-70またはプロサーファクタントプロテインC(pSPC)の細胞遠心細胞サンプルの染色によって評価することができる。ラット肺線維芽細胞を、公表されたプロトコル42の適応に従って生後7〜9日目のラット仔から単離し、継代1〜2で使用した。代替の分離プロトコルは、他の箇所で説明されている43、44。単離された線維芽細胞の純度は、間葉系マーカービメンチンについての培養細胞または細胞遠心分離細胞の染色を介して評価することができ、リポ線維芽細胞濃縮は、オイルレッドO45に対する染色を介して評価することができる。
肺組織をアガロースで均一に膨張させ、組織片を戦略的に選択し、総実質組織面積を最大化するようにスライスするように配向させると、1匹のラット肺が&gt;100個の肺胞ELTのための組織を生じ得る。PCLSのストリップは、引き裂きの事例がほとんどない(&lt;5%)組織カセットにクリップするのに十分な機械的完全性を示す(図3B)。
肺スライスを脱細胞化するためのプロトコルは、以前に発表された肺全細胞化プロトコルに密接に基づいており、定量的プロテオミクスによって、多くのECM成分を天然の肺のものと有意に異ならないレベルで保存することが実証された22。脱細胞化スライス足場は、ヘマトキシリンおよびエオジン(H&amp;E)染色(図4A、B)および位相差顕微鏡(図4C)によって見られるように、肺胞の天然構造を保存する。我々は通常、大きな気道または血管(図4D)または涙を含む足場を除外するが、研究者にとって関心のある場合は前者を含めることができる。脱細胞化は、二本鎖DNAのアッセイによって測定される組織DNA含量の96%の減少をもたらす(材料表を参照;天然組織対脱細胞化組織では、それぞれ0.073μg/mg対0.018μg/mg±0.018μg/mg±0.0035μg/mg、SEM±平均)(図5Aを参照)、ヘマトキシリン染色によってDNAが見えない(図4B)。脱細胞化足場の組織学的および免疫蛍光染色は、天然肺切片と同様の構造および量を有するECMタンパク質コラーゲン、エラスチン、コラーゲンIV、およびラミニンの維持を明らかにする(図5B-E)。天然組織の核は、三丁目(コラーゲン用)とEVG(エラスチン用)の汚れで青/黒く染まることに注意してください。免疫蛍光染色は、組織37を染色するための標準的な方法を用いて、前述のように実施した。使用した抗体およびそれらのそれぞれの濃度を表4に列挙する。
足場の再移植が成功すると、7日後に高度に細胞化されたELTが得られ、肺胞様の再増殖パターンが光学顕微鏡で可視となった(図6A-C)。場合によっては、非常に高い細胞性で、オルガノイド型構造が見えることがあります(図6A、B)。播種に失敗した組織は、培養中の位相差顕微鏡によって視覚化することができる(図6C)。AEC2s、線維芽細胞、および内皮細胞で組織足場を培養した後、ELTは、3つの細胞系譜すべてを含む肺胞様構造で密集して再移入される(図6D、E)。7日目または8日目に、AEC2は直方体形態を維持し、AEC1sへの有意な分化の証拠なしに、界面活性剤タンパク質B(SPB)および層状体タンパク質ABCA3を発現する(図6E、F)。AEC2はELTにおいて非常に増殖性があり、10μMで2時間パルスした後の5-エチニル-2'-デオキシウリジン(EdU)の取り込みによって実証されています(図6G)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63151/63151fig01.jpg"> 図1:肺の抽出およびクリアリングのための灌流システムの概略 。 (A)灌流システムは、流れの下での肺動脈の初期カニューレに使用される重力駆動肢を含む。ポンプ駆動の四肢は、最初のカニューレ後に肺を効率的にクリアするために使用されます。ポンプラインには、ポンプによって引き起こされる圧力のスパイクを減衰させる「パルスダンパー」が含まれています。気管および肺動脈カニューレの設計は、左に詳述されている。SNP = ニトロプルシドナトリウム。(B)パルスダンパーアセンブリの詳細。BPTとシリコーンはチューブの種類を指します。(c)肺摘出時に置かれた気管および肺動脈カニューレの位置。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/63151fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63151/63151fig02.jpg"> 図2:三系統再細胞化のための培養タイムライン。 二相播種のタイミングを含む三系統ELT播種および培養のための提案されたタイムライン。各相の培地と播種するための細胞番号が示される。表3の培養培地の詳細を参照 されたい。AEC2 = 肺胞上皮2型細胞。EC = 内皮細胞。FB = 線維芽細胞。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/63151fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63151/63151fig03.jpg"> 図3:操作された肺組織調製の概略図。 (A)天然の肺組織は、ビブラートームを用いてスライスに切断される。(B)精密に切断された肺スライスを標準化された幅3mmのストリップに切断し、ポリテトラフルオルエチレン(PTFE)組織培養カセットにクリップし、洗剤脱細胞化して無細胞細胞外マトリックススキャフォールドを得る。(C)足場は、播種領域を組織の領域に限定する特殊な播種浴に再播種され、次いで標準的なウェルプレートで培養される。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/63151fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63151/63151fig04.jpg"> 図4:脱細胞化肺足場の構造 天然(A)および脱細胞化(B)肺スライスのH&amp;E染色は、脱細胞化後の肺胞構造の保存を示す。(C、D)位相差顕微鏡によって5倍の倍率で見た脱細胞化ECM足場の例は、主に肺胞組織(C)を含むか、または大きな分岐気道および血管(D、黒および赤の矢印)を含む。スケールバー、50μm(A、B);500 μm (C、D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/63151fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63151/63151fig05.jpg"> (A)天然および脱細胞化肺切片におけるDNAの定量(SEM±平均、n=5)。ウェルチのt検定、**P&lt;0.01です。デセル = デセル化。(B,C)コラーゲン(B)およびエラスチン(C)に対する天然および脱細胞化肺スライスの組織学的染色。矢じりは、エラスチンが脱細胞化組織の肺胞入口リングに保存される。(D,E)コラーゲンIV(D)およびラミニン(E)に対する天然および脱細胞化肺スライスの免疫蛍光染色。スケールバー、50μm。すべてのパネルで、点線のボックスは、各パネルで右に拡大された画像領域の輪郭を描きます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/63151fig05large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63151/63151fig06.jpg"> 図6:操作された肺組織の細胞再集団化。 (A-C)培養7日目の再細胞化ELTの例を、位相差顕微鏡によって培養中に可視化するようにする。再細胞化パターンは、組織の肺胞構造を反映している。細胞性の高いいくつかの領域では、オルガノイド様構造(矢じり)が形成され得る。(A)および(B)は細胞再集団化の成功を表し、一方(C)は培養7日後の再細胞化の貧弱なレベルを表す。(D-G)培養7日目または8日目の再細胞化ELTの染色。(d)肺胞中隔の細胞再集団化を示すH&amp;E染色。(e)免疫蛍光染色標識は、proCollagenIα1+線維芽細胞、ABCA3+ AEC2s、およびCD31+内皮細胞に生着した。(F)組織にはSPB+AEC2が豊富に含まれているが、これらの条件下ではRTI-40(ポドプラニン)+AEC1はほとんど含まれていない。(G)多くのAEC2は、EdUの取り込みによって測定されるように、ELTにおいて増殖している。スケールバー、500μm(A-C);25 μm (D-G).<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/63151fig06large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
表 1: 脱細胞化ソリューション 脱細胞化溶液の調製の詳細。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Table%201%20-%20Decellularization%20solutions_Revised.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
表 2: 脱細胞化プロトコル。 肺スライスを脱細胞化するためのプロトコルの詳細。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Table%202%20-%20Decellularization%20protocol.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
表3:培養培地。 内皮およびAEC2増殖培地についての調製の詳細。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Table%203%20-%20Culture%20media.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
表4:免疫染色に用いた抗体。免疫染色に用いた抗体とその濃度の詳細。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Table%204%20-%20Antibodies%20used%20for%20immunostaining.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル1: 組織培養カセットフレームをレーザー切断するための設計。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Supplementary%20File%201.zip" target="_blank">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。</a>
補足ファイル2: 組織培養カセットクリップをレーザー切断するための設計。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Supplementary%20File%202.zip" target="_blank">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。</a>
補足ファイル3: 組織培養カセットタブをレーザー切断するための設計。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Supplementary%20File%203.zip" target="_blank">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。</a>
補足ファイル4: バスモールドベースを播種するためのCADファイル。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Supplementary%20File%204.zip" target="_blank">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。</a>
補足ファイル5: バスモールドリングを播種するためのCADファイル。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63151/Supplementary%20File%205.zip" target="_blank">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。</a>

このプロトコールは、脱細胞化された精密切断肺スライスに肺胞上皮2型細胞、線維芽細胞、および内皮細胞を再移入することによって、再現性のある小規模の操作された肺組織を生成する方法を記載している。

There is a need for improved 3-dimensional (3D) lung models that recapitulate the architectural and cellular complexity of the native lung alveolus ex ...

このプロトコルは、三次元組織培養基質および適度なスループットとしての無傷の肺細胞外マトリックスの反復可能な使用を可能にする。操作された肺組織システムの主な利点は、プラットフォームの柔軟性です。ELTは、関心のある様々な組織足場、細胞、または培養培地を使用するように適合させることができる。肺が抽出されたら、10ミリリットルのシリンジにフェノールレッドを含まないアガロースとHBSSを充填します。気管カニューレを介して約10ミリリットルの空気で肺を膨らませ、肺葉の最も遠位先端が膨張するまで、直ちに気管カニューレを介して調製されたアガロースを注入する。4方向活栓から気管カニューレの女性のルアーロックに白いキャップを取り付けて気管をキャップします。肺を氷の上の150ミリメートルのペトリ皿に入れて、アガロースが固まるようにします。原稿のプロトコルに従って肺スライスを準備し、100ミリメートルのペトリ皿に1/3容量のPBSを充填する。カセットとタブを鉗子を使用して皿に移す。スライスが凍結している場合は、室温のPBSに注いで一度に1皿ずつ解凍します。次に、解凍したスライスを150ミリメートルのペトリ皿に移す。細かい鉗子または止血剤を使用してスライスを静かに広げ、組織の周囲から余分なPBSを慎重に吸引します。次に、カミソリの刃の全長を皿にしっかりと押し付け、それを左右にわずかに揺らすことによって、スライスから幅3ミリメートル、少なくとも9ミリメートルの長さのストリップを切り取ります。ティッシュストリップをカセットにクリップで留めるには、カセットの上に浮かべ、両端のクリップの穴を越えて伸びるように慎重に中央に配置します。タブを細い鉗子で片方の端の穴に部分的に入れ、組織を静かにまっすぐにして、2番目のタブをセットします。最後に、鉗子を使用して各タブを完全に押し込み、組織を固定します。すべての側面をクリッピングした後、カセットを入れた100ミリメートルの皿を層流フードに移します。第1の脱細胞化溶液を含む6ウェルプレートにカセットを移し、湾曲した止血剤を用いて、切り欠きのある側面を把持した。次いで、6ウェルプレートを30RPMのオービタルシェーカー上に10分間置く。各ウェルから流体を吸引し、次いでそれをウェル当たり3ミリリットルの第2の脱細胞化溶液と交換する。プレートを30RPMのオービタルシェーカーの上に置き、5分間インキュベートする。原稿の脱細胞化プロトコルに概説されているように、各溶液でこのプロセスを繰り返します。PBSで最終すすぎを行った後、組織を抗生物質および抗真菌剤を含む新鮮なPBSを含む滅菌6ウェルプレートに移し、摂氏37度で48時間インキュベートする。抗生物質および抗真菌剤で滅菌した後、肺組織足場を直ちに播種するか、摂氏4度で最大30日間保存することができる。培養に利用する前に、摂氏4度で保存した足場を、新鮮なPBSおよび抗生物質および抗真菌薬と共に、追加の滅菌ステップとして摂氏37度で一晩インキュベートする。次いで、足場を滅菌PBSですすぎ、1ウェルあたり5ミリリットル、3回、それぞれ5分間すすいだ。位相差顕微鏡下で足場を倍率5倍で調べ、播種する組織を選択する。内皮細胞懸濁液を内皮培地中に500万細胞/ミリリットルで調製し、スライスあたり500,000個の内皮細胞を播種するのに十分な細胞を有する。オートクレーブ処理された播種浴を100ミリメートルのペトリ皿に入れ、すすぎ足場を逆さまに慎重に播種浴に移します。調製した細胞懸濁液を穏やかに旋回させて混合する。次いで、ウェルの基部にある各組織の上に100マイクロリットルの細胞を直接慎重にピペットし、ピペットチップで組織を損傷しないように注意する。播種した組織を細胞培養インキュベーターに移す。内皮細胞播種から24時間後、手動ピペットを用いて予め加温した培養培地900マイクロリットルを各ウェルに加え、次いでプレートをインキュベーターに戻した。細胞播種24時間後、培地を除去し、1ウェルあたり1ミリリットルの新鮮な内皮培地を交換する。内皮細胞を播種してから72時間後に、AEC2s、又は肺胞上皮II型細胞、及び線維芽細胞を血球計数器を用いて計数し、AEC2増殖培地中の1:1細胞懸濁液を1ミリリットル当たり500万細胞で調製した。各播種浴から培地をよくピペットでピペットし、調製した細胞懸濁液を穏やかに旋回させた。ウェルの基部にある各組織の上に100マイクロリットルの細胞を直接ピペットする。播種した組織を細胞培養インキュベーターに移す。2時間後、予め加温したAEC2増殖培地900マイクロリットルを各ウェルに加え、次いでプレートをインキュベーターに戻した。AEC2sおよび線維芽細胞を用いて24時間培養した後、1ウェルあたり、カセットあたり1ミリリットルの予め加温されたAEC2増殖培地を含む12ウェルプレートを作製する。播種浴の各ウェルから800マイクロリットルの培地をピペットし、次いで、播種浴からカセットを取り出し、それらを右側から調製した12ウェルプレートまで移し、1ウェルにつき1つのカセットを移す。ガラス製パスツールピペットを使用して、所望の培養期間の間、1日おきに培地を慎重に交換する。培養期間を通して5倍の倍率で位相差顕微鏡を介して組織再集団化の程度をモニターする。組織足場のHおよびE染色は、目に見える細胞核を有さずに脱細胞化後に保存された肺胞構造を示した。脱細胞化した細胞外マトリックス足場材を位相差顕微鏡により倍率5倍で観察したときに肺胞組織を観察した。大きな枝分かれした気道と血管もいくつかのスライスで見えました。培養7日目に、位相差顕微鏡は、操作された肺組織における再細胞化のパターンが、再集団化が成功した場合の組織肺胞構造をエミュレートすることを示した。貧弱な再細胞化も目に見えた。7日目または8日目のHおよびE染色は、肺胞中隔の再定常性を示した。免疫蛍光静置により、プロコラーゲンI型α1陽性線維芽細胞、ABCA3陽性AEC2s、CD31陽性内皮細胞、SPB陽性AEC2sが豊富に存在することが明らかになった。さらに、チミジンアッセイは、多くの増殖AEC2を示した。この技術は、肺組織工学のための戦略の開発を容易にし、肺胞内のII型細胞の増殖および分化を支持するキューの調査を可能にした。

engineered-lung-tissues-prepared-from-decellularized-lung-slices

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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脱細胞化肺スライスから調製された人工肺組織

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