이 프로토콜은 인간 만능 줄기세포를 사용하여 혈관 오가노이드를 생성하는 방법을 제시합니다.
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방법 논문
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이 프로토콜은 인간 만능 줄기세포를 사용하여 혈관 오가노이드를 생성하는 방법을 제시합니다.
인간 유도 만능 줄기 세포(hiPSC)에서 유래한 혈관 오가노이드는 인간 혈관 네트워크의 세포 유형 다양성과 복잡한 구조를 요약합니다. 이 3차원(3D) 모델은 혈관 병리학 모델링 및 체외 약물 스크리닝에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 최근의 발전에도 불구하고 일관된 품질의 오가노이드를 재현성 있게 생성하는 것이 주요 기술적 과제로 남아 있으며, 이는 다운스트림 분석 및 응용 분야에 매우 중요합니다. 여기에서는 혈관 오가노이드 생성의 균질성과 재현성을 모두 향상시키는 수정된 프로토콜이 제시됩니다. 수정된 프로토콜은 배아체 형성 및 세포 생존을 개선하기 위해 마이크로웰과 CEPT 칵테일(크로만 1, 엠리카산, 폴리아민 및 통합 스트레스 반응 억제제, 트랜스-ISRIB)의 사용을 통합합니다. 이 프로토콜을 사용하여 생성된 분화되고 성숙한 혈관 오가노이드는 전체 장착 3D 면역형광 현미경으로 특성화되어 형태 및 복잡한 혈관 구조를 분석합니다. 이 프로토콜은 확장 가능한 방식으로 고품질 혈관 오가노이드를 생산할 수 있도록 하여 잠재적으로 질병 모델링 및 약물 스크리닝 응용 분야에서 사용을 용이하게 할 수 있습니다.
지난 10년 동안 오가노이드(organoid) 및 티슈온칩(tissue-on-a-chip) 시스템을 포함한 체외 미세생리학적 모델이 등장했습니다 1,2,3. 이러한 3차원(3D) 인간 세포 유래 시스템은 생리적 미세환경에 많은 구성 요소가 부족하고 종 간 유전적 차이와 같은 기존 2차원(2D) 세포 배양 및 동물 모델의 한계를 각각 해결합니다. 기존 모델보다 더 많은 생리학적 통찰력을 제공하고 질병 모델링 및 약물 스크리닝에 더 적합합니다. 미세생리학적 모델 중 인간 유도 만능 줄기 세포(hiPSC)에서 유래한 오가노이드는 천연 인간 조직의 구조적 특징을 효과적으로 재현하는 것으로 입증되었으며 뇌 4,5, 신장6, 간 7,8 및 망막9를 포함한 다양한 인간 장기를 모방하도록 개발되었습니다. 여기에서는 특히 hiPSC에서 혈관 오가노이드 생성에 중점을 두고 서로 다른 오가노이드 샘플과 배치 간의 변동을 최소화하여 전반적인 재현성을 개선하는 것을 목표로 하는 간소화된 프로토콜을 간략하게 설명합니다.
혈관은 모든 인체 장기에서 생리적 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 혈관 형성은 혈관 형성 및 혈관 형성 과정을 포함하며, 내피 세포와 벽화 (예 : pericyte 및 vascular smooth muscle cells) 세포 간의 상호 작용을 통해 조정되고 다양한 자극의 영향을받습니다10. Penninger, Wimmer 및 동료들은 이 두 가지 과정을 모방한 최초의 혈관 오가노이드 생성 방법11,12을 개발했습니다. 이 방법에서 생성된 오가노이드를 통해 그룹12 및 us13,14는 질병의 혈관 기능 장애를 모델링하기 위한 혈관 오가노이드의 잠재력을 입증했습니다. 예를 들어, 우리의 최근 연구13,14에서는 질병을 모방하는 혈관 오가노이드와 야생형 오가노이드 간에 혈관 발아 및 벽화 세포 구성 변화와 같은 뚜렷한 표현형이 관찰되었습니다. 이러한 예는 혈관 오가노이드 모델이 질병 관련 혈관 기능 장애를 모방하여 약물 스크리닝을 위한 플랫폼 역할을 할 수 있음을 강조합니다.
초기 혈관 오가노이드 생성 작업11,12를 기반으로 구축된 수정된 프로토콜은 동일한 오가노이드 생성 배치 내에서 종종 볼 수 있는 변동을 최소화하는 데 중요한 요소인 균질한 배아체(EB) 형성을 촉진하기 위한 마이크로웰의 사용을 포함하는 것으로 제시됩니다. 또한 크로만 1, 엠리카산, 폴리아민 및 통합 스트레스 반응 억제제(trans-ISRIB)15의 조합인 CEPT 칵테일은 EB 형성 과정에서 hiPSC 및 분화된 세포의 생존력을 향상시키는 데 사용됩니다. 이 수정은 주로 서로 다른 오가노이드 샘플과 배치 간의 변동을 줄이기 위한 것입니다. 이 약 2주간의 프로토콜로 균일한 혈관 오가노이드를 생산할 수 있으며, 여기서 혈관 형성을 유도하여 1일차에 내피가 원시 세관 네트워크로 조직화되도록 돕고, 5일차에 혈관 신생 유도를 통해 오가노이드에서 복잡한 혈관 네트워크를 발달시킵니다. 12-15일째에 생성된 오가노이드는 내피 세포와 벽화 세포로 구성된 성숙한 혈관 네트워크를 보여야 합니다.
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그림 1 은 이 프로토콜과 관련된 단계의 개요를 보여줍니다. 이 프로토콜에 사용되는 시약 및 재료에 대한 자세한 정보는 재료 표에 나와 있습니다. 달리 명시되지 않는 한 모든 매체는 사용하기 전에 37°C에서 예열하는 것이 좋습니다. 모든 세포 배양 물질 및 공급품은 고압멸균 또는 멸균 상태여야 하며, 세포 취급은 생물안전 작업대에서 이루어져야 합니다. 또한 콜라겐 I 혼합물의 pH 값은 가능한 응고 문제를 피하기 위해 pH 7.3으로 신중하게 조정해야 합니다.
1. 인체 iPSC 유지 관리
2. EB 형성 (Day 0)
3. 혈관 분화(Day 1 - 5)
4. 하이드로겔 임베딩(5일차)
5. 3D Immunofluorescent assay (면역형광 분석)
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그림 1A는 각 단계에서 사용되는 주요 구성 요소를 포함하여 이 프로토콜의 체계를 보여줍니다. 분화는 EB 형성으로 시작하여 중배엽 유도 및 혈관 계통 사양이 뒤따랐습니다(그림 1B-D). 응집체는 시간이 지남에 따라 더 커지고 구형이 줄어들었습니다. 오가노이드는 5일째에 거친 가장자리를 보이기 시작했습니다. 콜라겐 I-기저막 매트릭스 혼합물에 매립된 후 혈관 내피 세포와 주위 세포가 싹을 틔우고 성장하여 빠르면 7일째에 복잡한 혈관 네트워크를 형성했습니다(그림 1E). 이 수정된 방법의 주요 목적은 서로 다른 세대 배치 간의 변동을 최소화하는 것이므로 두 개의 독립적인 배치에서 EB 크기를 측정했으며 크기 측정과 통계 분석 모두 이 방법과의 일관성과 균일성을 확인했습니다(...
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설명된 프로토콜에는 고품질 혈관 오가노이드의 균질하고 재현 가능한 생성을 위한 두 가지 주요 수정 사항이 포함되어 있습니다. 첫 번째 수정은 EB 균일성을 더 잘 제어할 수 있도록 마이크로웰 플레이트를 사용하는 것입니다. 혈관 분화의 시작점으로서 EB의 크기는 줄기세포의 운명과 다른 계통에 대한 분화 효능을 조절하기 때문에 매우 중요합니다. EB 크기의 변화는 일반적으로 일관되지 않은 구조와 조직을 가진 이질적인 오가노이드로 이어집니다16,17. hiPSC 콜로니(11,12)를 들어올리는 종래의 EB 생성 방법은 개별 EB에 대한 세포 수를 제어하는 것을 어렵게 만들고 일반적으로 불균일한 EB 형성을 초래합니다. 이 프로토콜에서, hiPSC는 단일세포 현탁액으로...
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저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없음을 선언합니다.
NIH Center Grant(P30CA013696)를 통해 부분적으로 자금을 지원받은 Columbia University의 Herbert Irving Comprehensive Cancer Center의 Confocal and Specialized Microscopy Shared Resource의 기술 지원에 감사드립니다. 이 연구는 NIH(R21NS133635, Y.-H.L.; UH3TR002151, K. W. L.). 그림 1A는 BioRender를 사용하여 생성되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2-메르캅토에탄올 (1000x) | Gibco | 21985023 | |
| Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 711-546-152 | 0.25 mL 50% 글리세롤로 재구성, -20°C에서 보관; C 최대 1년, 사용을 위한 희석 비율: 1:1000 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 705-606-147 | 은 0.25 mL 50% 글리세롤로 재구성하고, -20°C에서 보관; C 최대 1 년, 사용을위한 희석 비율 : 1 : 1000 |
| B27 보충제에서 비타민 A를 뺀 (50x) | Gibco | 12587010 | 4 °C에서 해동; C, 부분 표본 및 -20 °에 저장; C, 동결-해동 주기 |
| BMP4 | ProSpec | CYT-081 | 100ng/µ의 농도에서 멸균 ddH2O로 재구성하지 않습니다. L, 부분 표본 및 -20 °에 저장; C |
| CD31 항체 | abcam | ab28364 | 희석 비율: 1:400 |
| 원심분리기 | Eppendorf | 022626001 | |
| CHIR99021 | Tocris Bioscience | 4423/10 | DMSO로 12mM에서 원액을 만들고 -20°C에서 보관합니다. C는 최대 1 년. |
| Chroman 1 | Tocris | 7163/10 | 100 µ에서 원액을 만듭니다. M을 DMSO로 설정하고 -20°C로 저장합니다. C는 최대 1 년. |
| 콜라겐 I | 코닝 | 40236 | |
| 컨포칼 현미경 | 니콘 | AXRMP/Ti2 | |
| 코닝 엘플라시아 플레이트 | 코닝 | 4441 | |
| 백작 II FL 자동 세포 계수기 | Thermo Fisher | AMQAF1000 | |
| DMEM/F-12, GlutaMAX 보충제 | Gibco | 10565018 | |
| DMEM/F-12, 분말 | Gibco | 12500062 | 바이오 그레이드 ddH2O로 10x 스톡 용액을 만들고 0.2 µ로 멸균합니다. M 필터. 4 °C에 보관하십시오. |
| Edi042A | Cedars Sinai | ||
| Emricasan | Medchemexpress LLC | 는 | DMSO로 1mM에서 재고 솔루션을 만들고 -20°C에서 저장할 HY1039610MG 있습니다. C는 최대 1 년. |
| ERG 항체 | Cell Singali Technology | 97249 | 희석 비율: 1:400 |
| 소 태아 혈청 - 프리미엄 | 애틀랜타 생물학 | S11150 | 4°C에서 해동; 씨 및 분취, 상점 -20 > C 최대 5 년 동안 또는 4 °에 저장; 최대 한 달 동안 |
| FGF2 | ProSpec | CYT557 | 100ng/µ의 농도에서 멸균 ddH2O로 재구성합니다. L, 부분 표본 및 -20 °에 저장; C |
| Fluorodish 세포 배양 접시 | 세계 정밀 기기 | FD35-100 | |
| Forskolin | Tocris Bioscience | 1099 | 12 mM의 농도에서 DMSO로 재구성하고 -20 °C에서 분취 및 저장합니다. C |
| 겐타마이신(50mg/mL) | Gibco | 15710064 | |
| GlutaMAX 보충제(100개) | Gibco | 35050061 | |
| 헤파린, 100kU | MilliporeSigma | 375095100KU | 의 농도에서 멸균 ddH2O로 재구성 |
| Gibco | 15630080 | ||
| 인큐베이터 | Thermo Scientific | 13998123 | |
| Knockout Serum Replacement | Gibco | 10828028 | 4°C에서 해동; C, 부분 표본 및 -20°C에 보관; C, 동결-해동 주기 |
| Matrigel, GFR Basement Membrane Matrix | Corning | 356230 | 4°C에서 해동을 피하십시오. C, 부분 표본 및 -80°C에 저장; C, 동결-해동 주기 |
| MEM 비필수 아미노산 용액(NEAA, 100x) | Gibco | 11140050 | |
| 분자 생물학 등급 물 | Corning | 46000CV | |
| mTeSR 플러스 키트 | STEMCELL Technologies | 1001130 | 4°°에서 해동; C, 부분 표본 및 -20°C에 보관; C, 동결 - 해동 주기 |
| N2 보충 (100x) | Gibco | 17502048 | 4°C에서 해동을 피하십시오. C, 부분 표본 및 -20°C에 보관; C, 동결-해동 주기 NaOH |
| 용액 (1M) | 을 피하십시오. HyClone | SH31088.01 | |
| NeuroBasal 배지 | Gibco | 21103049 | |
| NIS-Elements, ver 5.42 | Nikon | ||
| Normal Donkey Serum | Jackson Immuno Research Labs | 17000121 | 10mL 멸균 ddH2O로 재구성, 4°C에서 보관; 최대 2주 동안 |
| C 파라포름알데히드, 20% | Electron Microscopy Sciences | 15713S | PBST로 희석 |
| , 20x | Thermofisher | 28352 | |
| PDGFRβ 항체 | R& D | AF385 | 희석 비율: 1:400 |
| 폴리아민 보충제(1000x) | Sigma-Aldrich | P8483 | |
| Rapiclear 투명화 시약, 1.49 | SUNJIN LAB | RC149001 | |
| 중탄산나트륨(7.5%) | Gibco | 25080094 | |
| 데옥시콜레이트 나트륨 일수화물 | Thermofisher | J6228822 | 1%(wt/v) 원액에 대해 ddH2O로 용해 |
| TBST, 20x | Thermofisher | 28360 | |
| trans-ISRIB | Tocris Bioscience | 5284/10 | 은 DMSO로 1 mM에서 재고 용액을 만들고 -20°C에서 보관합니다. C는 최대 1 년. |
| Tritin X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
| Trypan Blue Stain (0.4%) | Thermo Fisher | 15250061 | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949-100ML | |
| VEGF-A | ProSpec | CYT-116 | 100ng/µ의 농도에서 멸균 ddH2O로 재구성합니다. L, 부분 표본 및 -20°C에 저장; 씨 |
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