CF wordt veroorzaakt door mutaties in het cystische fibrose transmembraan conductantie regulator (CFTR) gen dat een epitheliale anion kanaal codeert. CF treft ongeveer 85.000 mensen wereldwijd 1. Meer dan 2.000 CFTR mutaties geïdentificeerd ( www.genet.sickkids.on.ca ). Deze verscheidenheid verklaart deels een breed spectrum van de ziekte waargenomen fenotypes ( www.CFTR2.org ) 2, 3. Zes klassen van CFTR mutaties worden gedefinieerd op basis van hun effect op CFTR proteïne expressie en functie: (I) geen synthese, (II) verminderde handel, (III) defect kanaal gating, (IV) veranderde geleidbaarheid, (V) verlaagde gewoonlijk functionerend CFTR en (VI) verminderde celoppervlak stabiliteit 4. Hoewel het gemeenschappelijk CFTR mutaties goed bestudeerd, CFTR-functie en de relatie met de klinische status blijven poorly onderzocht op het niveau van het individu, met name voor de grote groep van zeldzame "orphan" mutaties ( www.CFTR2.org ) 1, 3.
Recent zijn medicijnen ontwikkeld die het CFTR-eiwit een mutatie-specifieke wijze te richten. Twee klassen van CFTR-eiwit gericht geneesmiddelen zijn klinisch gebruikt en hebben verschillende werkingsmechanismen. Potentiatoren, zoals VX-770, verbetering van de open waarschijnlijkheid van apicaal-gelokaliseerde mutant CFTR en direct werken op hun toevoeging aan cellen 5. Correctors, zoals VX-809, het herstel van de handel in endoplasmatisch reticulum-gelokaliseerde misfolded CFTR en vereisen pre-incubatie met cellen voor de effecten worden waargenomen 6. Het CFTR potentiator, VX-770, is geregistreerd bij patiënten met de G551D mutatie 7, 8, en acht andereCFTR gating mutaties, waaronder S1251N 9; samen worden deze mutaties gedragen door 5% van alle CF patiënten. Andere klinische studies hebben aangetoond dat VX-770, in combinatie met de corrector VX-809, nog aanzienlijk beperkte longfunctie en veroorzaakt een verlaging van exacerbaties bij personen die homozygoot zijn voor de mutatie F508del met 45-50% van de patiënten 10 uitgevoerd, 11.
Conventioneel klinisch onderzoek naar geneesmiddelen reagerende patiënten binnen de resterende 50% van CF-patiënten te identificeren zijn kostbaar en tijdrovend en niet haalbaar voor individuen met zeer zeldzame CFTR genotypen. Novel, kosteneffectieve, gepersonaliseerde methoden zijn van cruciaal belang voor het toenemende aantal CFTR modulators om individuen die elk type CFTR mutatie passen. Tot nu toe heeft het proces opnemen van patiëntengroepen dragen specifieke CFTR mutaties leiden door studies met behulp van mutante CFTR-gen transfectie in heterologous celsystemen, gevolgd door elektrofysiologische studies in Ussing kamers 5, 6, 12. Vanwege een gebrek aan adequate CF diermodellen geneesmiddelefficiëntie studies lucht-vloeistof-interface gedifferentieerde bronchiale epitheelcellen afkomstig van CF long explantaat materialen gebruikt voor de ontwikkeling van geneesmiddelen 13, 14, 15. Echter, de beperkte beschikbaarheid van long- explantaat weefsels en de invasieve procedures om bronchiale cellen van patiënten zonder end-stadium van de ziekte te verkrijgen belemmeren de analyse van de minder voorkomende CFTR mutaties en het voorkomen van drugstests op een persoonlijke manier. Om deze beperkingen, "easy access" weefsels, zoals colorectale organoids, nasale luchtwegen cellen en luchtwegen cellen afkomstig van geïnduceerde pluripotente stamcellen te overwinnen, worden momenteel onderzocht voor gepersonaliseerde behandelingen met geneesmiddelen.
Eerder stelden we protocollen cultuur epitheliale stamcellen vanuit gastrointestinale orgaan in de vorm van 3D organoids 16, 17. Voor het colon / rectum, omvatten de kweekomstandigheden gedefinieerde groeifactoren (Epithelial Growth Factor (EGF), gastrine, Wnt-3A, R-spondin 3 (Rspo3) en Noggin) in combinatie met kleine moleculen (nicotinamide, A83-01, en SB202190) in een basaal membraan matrix. Onder deze omstandigheden enkele stamcellen of kleine weefselfragmenten uitgroeien tot gesloten, blaas, 3D structuren gevormd door hoog-gepolariseerde epitheel met basale zijde naar buiten gericht. Alle celtypen verschijnen meestal in hun normale verhoudingen en posities. Organoids kan worden uitgebreid over lange periodes door middel van wekelijkse mechanische ontwrichting en re-plating. Zij genetisch en fenotypisch stabiel en kunnen worden opgeslagen, zodat langdurige expansie en biobanking 17. Ze zijn vatbaar vooralle standaard celbiologische / genetische manipulaties en analytische technieken ontwikkeld voor 2D-cellijnen 18.
We hebben onlangs aangetoond dat CFTR-functie gemakkelijk kan worden gemeten colorectale organoids in een forskoline-geïnduceerde zwelling (FIS) assay 19, 20. Bij blootstelling aan forskoline (FSK) of, subsidiair, choleratoxine, organoids snel toenemen hun cyclisch adenosine monofosfaat (cAMP) niveaus, wat weer resulteert in de opening van het CFTR kanaal 19. Organoids van gezonde individuen of van patiënten met CFTR mutaties geassocieerd met restfunctie, zullen vervolgens opzwellen als gevolg van ionen en water transport naar de organoïde lumen, de in vitro equivalent van secretorische diarree. FIS reactie van colorectale organoids bleek eerder CFTR volledig afhankelijk te zijn, zoals aangegeven door organoids afgeleid van CFTR-null individuen eennd door het gebruik van specifieke farmacologische remmers CFTR 19. Grote vakspecifieke datasets kunnen worden afgeleid binnen enkele weken na het nemen van een biopsie.
Voor de FIS-test hier in detail beschreven, organoids gekweekt uit rectale biopsies die kan worden verkregen op elke leeftijd en met slechts beperkte hinder 21. Organoids worden gepasseerd wekelijks door mechanische verbreking in enkele crypten die gemakkelijk opnieuw te verzegelen en vormen nieuwe organoids. Voor het uitvoeren van de assay FIS, ~ 30-80 van deze verstoorde kleine organoids uitgeplaat in elk putje van een 96-wells plaat 19. Op de dag van de assay worden de organoids gekleurd met calceïne groene, een fluorescerende cel-permeabel kleurstof die wordt vastgehouden binnen levende cellen, vergemakkelijkt levende imaging. Vervolgens, FSK, die intracellulaire cAMP verhoogt en daardoor activeert CFTR, wordt toegevoegd om organoïde zwelling stimuleren. Versterkers die inwerken op apicale CFTR gelijktijdig toegevoegd wet de forskoline, terwijl correctoren dat CFTR mensenhandel te herstellen worden toegevoegd 24 uur vóór de toevoeging van FSK. De organoïde zwelling wordt gekwantificeerd door een geautomatiseerde beeldanalyse dat de relatieve toename van het totale oppervlak van alle fluorescerende objecten voor elk tijdstip na forskoline toevoeging berekent.
3D organoïde zwelling biedt voor- en nadelen ten opzichte van bestaande elektrofysiologische CFTR uitlezingen in 2D cellen gekweekt luchtwegen in Ussing kamers. Een belangrijk voordeel is de doorvoer van de zwelling assay. Cellen worden gekweekt en onderzocht met behulp van een enkel type kweekmedium, en een ervaren technicus kan cultuur tot 25 organoïde monsters op een wekelijkse basis met de kwantificering ongeveer 1200 datapunten per week in 12 patiëntenmonsters. We conventioneel typt u een enkele experimentele conditie door twee- of drievoud metingen per plaat en herhaal dergelijke metingen bij drie onafhankelijke incubatietijd punten. In totaal zijn ongeveer 300-500 single organoïde structuren worden dan gemeten per experimentele conditie, waardoor zeer precieze metingen van CFTR-functie met beperkte technische variabiliteit. Dit precisie laat ons toe om duidelijke verschillen in de resterende functie en de reactie op CFTR modulators definiëren en stelt ons in staat om gemakkelijk te halen genetische achtergrond-effecten tussen patiënten dragen identieke CFTR mutaties 19, 22, 23, 24, 25. kwaliteit gegevens kunnen eenvoudig worden beoordeeld vanuit microscoop beelden. Terwijl FIS volledig CFTR-afhankelijke, is een indirecte maat resultaat voor CFTR functie, zijn uitgelezen door de koppeling van ionentransport om vloeistoftransport. Dit in tegenstelling tot directe CFTR-functie metingen in Ussing kabinet, transepitheliaal ion stromingen 26 te meten. Ussing Chambers kan de select stimulatie van apicale of basolaterale compartments (die de organoïde assay niet mogelijk); door permeabilisatie basolaterale membranen, kan de apicale CFTR-afhankelijke anion secretie selectief worden gemeten 27.