이 프로토콜은 세포외 기질 하이드로겔 스캐폴드 위에서 A549 치포 상피세포와 MRC-5 폐 섬유아세포로부터 오가노이드를 생성한 후, 3D 콜라겐 겔에 삽입하고 세포 신장 바이오리액터를 이용한 기계적 변형에 노출되어 폐포 기계생물학을 연구하는 과정을 설명합니다.
방법 논문
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이 프로토콜은 세포외 기질 하이드로겔 스캐폴드 위에서 A549 치포 상피세포와 MRC-5 폐 섬유아세포로부터 오가노이드를 생성한 후, 3D 콜라겐 겔에 삽입하고 세포 신장 바이오리액터를 이용한 기계적 변형에 노출되어 폐포 기계생물학을 연구하는 과정을 설명합니다.
호흡 역학과 기계적 긴장이 폐포 생물학에서 중요한 역할을 하지만, 호흡기 질환의 발병 기전에는 종종 간과됩니다. 이 격차를 해소하기 위해, 우리는 폐포 상피세포-섬유아세포 오가노이드에 세포 신장 바이오반응기를 이용해 제어된 기계적 변형을 가하는 오르가노이드 모델을 개발했습니다. 이 플랫폼은 치포 조직의 공간적 조직과 다세포 복잡성을 재현하며, 세포-세포 간 소통과 기계전형성이 건강과 질병에서 조직 구조와 기능에 어떤 영향을 미치는지 연구할 수 있게 합니다. 이 프로토콜에서는 기저막 세포외기질 하이드로겔에서 A549 폐포상피세포주와 MRC-5 폐섬유아세포 세포주를 이용해 상피-섬유아세포 오가노이드를 생성하고 배양하는 방법을 설명합니다. 오가노이드는 비효소적으로 분리되어 바이오리액터의 특수 플레이트에 3D 콜라겐 젤에 삽입됩니다. 호흡 악화에서 관찰되는 병리적 호흡 패턴을 모방하기 위해 등축 변형을 적용하는 절차를 개략적으로 설명합니다. 마지막으로, 세포 특이적 마커에 대한 면역염색과 면역 매개체 방출을 프로파일링하는 면역분석법을 포함한 표준 특성화 워크플로우를 제시합니다. 이러한 분석들은 오르가노이드 구조와 기능 평가를 지원합니다. 이 프로토콜은 기계적 스트레스 하에서 폐포 생물학을 연구하기 위한 사용자 친화적이고 재현 가능하며 유연한 플랫폼을 제공하며, 다양한 실험 목표를 달성하고 폐질환 기전 연구를 진전시키기 위해 쉽게 수정 가능한 매개변수를 제공합니다.
폐포는 호흡기계의 말단주머니로, 가스 교환의 주요 부위 역할을 합니다. 이들은 주로 가스 교환, 면역 기능, 구조적 완전성 유지를 담당하는 폐포형 I형 및 II형 상피세포와 세포 내 섬유아세포로 구성되어 세포외기질 항상성1을 유지합니다. 이들 및 기타 거주 세포들은 호흡 중 주기적 신장 및 전단 스트레스에 지속적으로 노출됩니다2. 이러한 기계적 신호는 세포 구조, 분화 및 의사소통에 영향을 미치는 생화학적 신호로 변환됩니다.
병리학적 기계적 긴장은 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 같은 폐 질환에서 관찰됩니다. COPD는 실질이 파괴되고 만성 염증이 있으며, 작은 기도의 좁아짐이 특징인 진행성 질환입니다. 이 질환에서는 폐포벽 파괴, 엘라스틴 손실, 섬유화로 인한 세포외기질(ECM) 재형성, 만성 염증이 복합적으로 폐의 구조적 손상 능력을 저해합니다 5,6. 이로 인해 호흡 중 이질적이고 비정상적인 폐포 변형이 발생하며, 질병 재발 7,8 시 더욱 악화됩니다.
폐포 생물학을 연구하기 위해 여러 시험관 내 접근법이 사용되었지만, 각각은 주목할 만한 한계가 있습니다. 2차원 공동 배양 시스템은 세포 간 상호작용 연구를 용이하게 하지만, 조직 구조나 세포외 기질 역학을 포착하지 못해 생리학적 중요성을 줄여줍니다. 정적인 3D 배양은 구조적 조직과 매트릭스 상호작용을 더 잘 보존하지만, 생체 내에 존재하는 역동적 기계적 단서는 포함하지 않습니다. 마이크로플루이딕 및 오르간 온-칩 플랫폼은 유체 흐름과 기계적 변형을 모방하여 높은 생리학적 충실도를 제공하지만, 기술적으로 복잡하고 처리량이 적으며비용이 많이 듭니다. 반면, 여기서 제시된 3D 기계적 변형 오가노이드 모델은 구조적 복잡성, 세포 이질성, 그리고 기존 모델에서 종종 간과되는 측면인 제어된 기계적 자극을 재현 가능하고 확장 가능한 플랫폼 내에서 결합하여 생리학적 관련성과 실험적 접근성의 균형을 제공합니다10,11.
COPD와 같은 질병에 기여하는 복잡한 메커니즘을 이해하고 치료 표적을 발견하기 위해 질병 모델이 구축되었습니다. 기계적 긴장은 중요함에도 불구하고, COPD와 같은 폐 질환의 기전과 병인기를 연구하는 시험관 내 폐포 모델에서는 종종 간과됩니다. 이 격차를 해결하기 위해, 우리는 기저 매트릭스에서 폐포 상피세포-섬유아세포 오가노이드를 배양하고, 이를 3D 콜라겐 겔에 채취 및 삽입하며, 세포 신장 바이오리액터를 이용한 주기적 기계적 변형을 가하고, 주요 구조적 및 기능적 결과를 평가하는 방법을 제시합니다. 이 3D 기계적 오가노이드 모델은 세포 상호작용과 인간 치포 지위의 미세환경을 더 잘 포착하여 상피-간엽 교차 대화 연구를 가능하게 합니다.
생물반응기는 조정 가능한 매개변수로 정축 변형을 가하여 최대 30% 신장과 최대 5Hz 주파수를 가능하게 하여 생리적 및 병리학적 조건을 모두 모델링합니다. 본 연구에서는 0.4Hz에서 18% 변형을 24시간 동안 가해 병리적 호흡을 모방하는 콜라겐-I 하이드로겔에 내장된 오르가노이드 모델을 생성했습니다. 우리는 세포 특이 마커에 대한 면역염색과 기계적 변형 후 면역 매개체 방출을 정량화하는 면역분석법을 포함하는 표준화된 특성화 워크플로우를 구축했습니다. 본 연구의 목표는 기계적 스트레스 하에서 폐포 생물학을 연구할 수 있도록 생리학적으로 관련성 있고 사용자 친화적이며 적응력 있는 플랫폼을 제공하는 것입니다.
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모든 단계는 무균 기법, 멸균 재료, 시약을 필요로 하며, 인원의 생물유해 물질 노출과 배양 오염을 줄이기 위해 생물안전 캐비닛 내에서 수행됩니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 세포 배양 및 세포 재고 형성
2. 3차원 폐포 상피세포-섬유아세포 오가노이드 모델의 성숙 확립 및 특성 분석
참고: 지하실 매트릭스는 하룻밤 얼음 위에 해동하고 이 과정 동안 얼음 위에 보관해야 합니다. 더 높은 온도는 매트릭스의 굳어짐을 유발할 수 있습니다.
3. 3차원 폐포 상피세포 섬유아세포 오가노이드 채취
참고: 오가노이드 채취 모든 단계는 얼음 위에서 수행해야 합니다.
4. 3D 콜라겐 내재 폐포섬유아세포 오가노이드 및 기계적 변형 적용
참고: 세포 신장 바이오반응기와 호환되는 폼 앵커가 장착된 원형 폼 배양판을 사용하세요. 이 프로토콜에 사용된 배양 플레이트의 성장 면적은 ~6.6 cm²입니다.
5. 세포 신장 생물반응기 설치 및 기계적 변형 노출
6. 면역형광 을 통한 오가노이드의 형태학적 특성
7. ELISA 및 락테이트 탈수소효소(LDH) 세포독성 분석법을 통한 오가노이드의 기능적 특성 규명
8. 선택사항: RNA 또는 단백질 분석을 위한 샘플 분리
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세포주 유래 폐포-섬유아세포 오가노이드를 구축하고 21일 이상 배양하였습니다. 이 기간 동안 형태학적 변화가 관찰되었으며, 3일, 9일, 21일에 오가노이드 수, 면적, 직경을 평가하여 성장과 발달을 모니터링하였다. 우물당 평균 오가노이드 수는 3일차에 비해 9일차와 21일차에 유의하게 감소했습니다(그림 2A). 반면, 평균 오가노이드 면적과 직경은 9일차와 21일차에 크게 증가하여 지속적인 성장과 확장을 나타냈다(그림 2B,C)10.
그림 3A,B는 각각 정적(비긴장) 및 긴장 상태에서 치포상피-섬유아세포 오가노이드 모델의 대표적인 공초점 이미지를 보여주며,...
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3차원(3D) 폐포 상피세포-섬유아세포 오가노이드는 기계적 스트레스 하에서 폐 구조와 기능을 모델링하는 데 생리학적으로 매우 중요한 플랫폼을 제공합니다. 2D 또는 3D 공동 배양 시스템과 달리, 오가노이드는 공간적 조직, 상피-간엽 교차 반응, 세포외기질(ECM) 상호작용 등 생체 내 폐 미세환경의 중요한 특징을 보존합니다14. 기계적 긴장은 천식, COPD, 인공호흡기 유발 폐 손상과 같은 질환에서 기도 재형성에 중심적인 역할을 하며, 반복적인 기관지 수축이나 주기적 과팽창으로 인해 상피세포와 기질 세포가 비정상적인 인장력에 노출되는 경우가 있습니다15. 이전 연구10에서는 0.4Hz의 18% 평축 변형을 24시간 동안 폐포 상피-섬유아세포 오가노이드에 적용하여, 상피 밀접합 완전성 상실(ZO-1 발현 감소), 세포골격 재...
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저자들은 이 연구가 잠재적인 이해 충돌로 해석될 수 있는 상업적 또는 금융적 관계가 전혀 없는 상태에서 수행되었다고 주장합니다.
저자들은 이 원고 완성을 가능하게 한 프로비던스 헬스 케어 내 프로비던스 항공 센터의 지원에 감사드립니다. 이 연구는 MITACS(ID IT27789)의 지원을 받아 프로비던스 헬스케어(PHC) 내 프로비던스 항공로 센터(PAC), 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회(NSERC)(ID: AWD-024378 및 AWD-024440)와 협력하여 진행되었습니다.
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| 16% 파라포름알데히드 | 써모피셔 사이언티브 | 28908 | |
| 2-머캅토에탄올 | 밀리포어 시그마 | M3148 | |
| 50 mL 원뿔관 | 피셔 사이언티브 | 14-432-22 | |
| 6웰(유연한 멤브레인) 티슈 트레인 원형 폼 플레이트 | 플렉셀 인터내셔널 | TTCF-5001 | |
| A549 셀 | 미국 유형 문화 컬렉션(ATCC) | CCL-171 | |
| 공기 압축기 | 캘리포니아 에어 툴즈 | 10020DSPCAD | |
| 소 혈청 알부민 | 밀리포어 시그마 | A9418 | |
| 버퍼 RLT | 치아겐 | 79216 | |
| CO2 인큐베이터 | PHCBI | MCO-170AICUVL-PA | |
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이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청
허가 요청This corrects the article 10.3791/69447
