Artykuł opisuje metodologię produkcji bezkomórkowej macierzy z jelita szczura. Wyprowadzenie rusztowań jelitowych jest ważne dla przyszłych zastosowań w inżynierii tkankowej, biologii komórek macierzystych i testowaniu leków.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Artykuł opisuje metodologię produkcji bezkomórkowej macierzy z jelita szczura. Wyprowadzenie rusztowań jelitowych jest ważne dla przyszłych zastosowań w inżynierii tkankowej, biologii komórek macierzystych i testowaniu leków.
Skuteczna inżynieria tkankowa polega na połączeniu rusztowań z odpowiednimi komórkami in vitro lub in vivo. Rusztowania mogą być syntetyczne, pochodzenia naturalnego lub pochodzące z tkanek/narządów. Te ostatnie uzyskuje się za pomocą techniki zwanej decelularyzacją. Decelularyzacja może obejmować połączenie metod fizycznych, chemicznych i enzymatycznych. Celem tej techniki jest usunięcie wszystkich śladów komórkowych przy jednoczesnym zachowaniu makro- i mikroarchitektury pierwotnej tkanki.
Inżynieria tkankowa jelit do tej pory używała stosunkowo prostych rusztowań, które nie odtwarzają skomplikowanej architektury rodzimego organu. Celem tego artykułu jest opisanie skutecznej techniki decelularyzacji jelita cienkiego szczura. Opisano izolację jelita cienkiego w celu zapewnienia utrzymania połączenia naczyniowego. Przedstawiono również kombinację roztworów chemicznych i enzymatycznych w celu usunięcia komórek przy jednoczesnym zachowaniu osi kosmek-krypta w aspekcie świetlnym rusztowania. Na koniec omówiono ocenę produkowanych rusztowań pod kątem odpowiednich charakterystyk.
Inżynieria tkankowa (TE) stanowi terapeutyczną alternatywę dla transplantacji narządów, omijając problemy immunosupresji i niedoboru narządów. TE ma ostatnio udane zastosowania w klinice, z wymianą narządów, takich jak pęcherzmoczowy 1, cewka moczowa2 i tchawica, zarówno u dorosłych3,4, jak i dzieci5.
Budowa organu inżynierii tkankowej wymaga połączenia rusztowania z odpowiednimi komórkami. Rusztowanie można przygotować przy użyciu składników pochodzenia naturalnego (np. kolagen) i syntetycznych (np. kwas poli-L-glikolowy; PLGA) lub być otrzymywane przez decelularyzację natywnych narządów i tkanek. Rusztowania, które do tej pory były stosowane w leczeniu TE w jelitach, były głównie pozbawione komórek (błona podśluzowa jelita cienkiego) lub syntetyczne (kwas poli-L-glikolowy i kwas polimlekowy)6-13. Te biomateriały są bardzo proste zarówno pod względem makro, jak i mikroarchitektury, co może nie być idealne, jeśli jelito modyfikowane tkankowo ma być klinicznie translowane. Optymalny biomateriał dla jelita powinien mieć wrodzone drzewo naczyniowe, które można podłączyć do dopływu krwi gospodarza, wielopoziomową ścianę rurkową o różnych właściwościach, które odbijają warstwy ściany jelita oraz oś kosmka-krypta po stronie światła, aby pomóc w ponownym zasiedleniu przez nabłonkowe komórki macierzyste.
Decelularyzacja to nowatorska metodologia, która tworzy rusztowania poprzez usuwanie komórek z całych narządów, zachowując ich oryginalną architekturę14. Jest to lepsze niż już istniejące rusztowania, ponieważ nie tylko replikują strukturę narządu, ale także zawierają sygnały chemiczne osadzone w macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), które wspomagają proliferację i różnicowanie komórek. W 2008 r. tchawica zwłok została pozbawiona komórek14, obsiana własnymi komórkami pacjenta i przeszczepiona w celu zastąpienia głównego lewego oskrzela u młodego mężczyzny3. Od tego czasu wiele grup zgłosiło produkcję bezkomórkowych rusztowań dla serca15, wątroby16,17 i płuc18-20 u małych i dużych zwierząt.
Dostosowaliśmy również tę samą metodologię do produkcji rusztowania bezkomórkowego dla jelita cienkiego21. Celem opisanej w niniejszym dokumencie metody jest wytworzenie bezkomórkowych matryc jelitowych, które zachowują makroskopowe cechy oryginalnej tkanki, takie jak ukrwienie, a także mikroskopijną architekturę osi kosmek-krypta w świetle jelita. Uważamy, że ta metodologia może ostatecznie zostać zastosowana w innych narządach w celu poprawy skuteczności decelularyzacji.
1. Izolacja jelita szczura
2. Metodologia decelularyzacji
Po udanej decelularyzacji (Rysunek 1), rusztowanie powinno mieć makroskopowy wygląd podobny do tego z jelita rodzimego, ale z półprzezroczystymi ściankami (Rysunek 2A). Zachowanie makroarchitektury powinno być również widoczne w drożności drzewa naczyniowego. Gdy barwnik jest wstrzykiwany przez kaniulę SMA, powinien równomiernie rozprowadzić się po rusztowaniu i dotrzeć do drzewa kapilarnego (ryc. 2B). Rusztowanie powinno być wolne od materiału jądrowego i cytoplazmatycznego, co można ocenić za pomocą zestawu do kwantyfikacji DNA i prostej analizy histologicznej. Barwienie hematoksyliną i eozyną (H&E) powinno wykazać brak materiału jądrowego i cytoplazmatycznego przy jednoczesnym zachowaniu warstw jelita cienkiego (ryc. 3A). W szczególności utrzymanie kosmków i krypt po stronie światła powinno być widoczne po skaningowej mikroskopii elektronowej (ryc. 4). Należy również spodziewać się zachowania składników macierzy zewnątrzkomórkowej, takich jak kolagen, elastyna i glikozaminoglikany. Na przykład barwienie trichromowe Massona pokazuje nienaruszoną tkankę łączną w rusztowaniu (ryc. 3B).

Rysunek 1. Plan eksperymentalny. Kalendarium procedury decelularyzacji; PBS/AA: sól fizjologiczna buforowana fosforanami z antybiotykiem-antybiotykiem, NaDeoxy: deoksycholan sodu, RT: temperatura pokojowa, DNAse-I: dezoksyrybonukleaza-I. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.

Rysunek 2. Charakterystyka makroskopowa rusztowania. Makroskopowy obraz jelita cienkiego szczura po udanej decelularyzacji (A). Wstrzyknięcie barwnika Rosso Ponceau przez SMA wykazuje nienaruszoną sieć naczyniową (B) ; SMA: tętnica krezkowa górna Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.

Rysunek 3. Histologia. Zabarwienie H&E (A) i MT (B) wskazuje na brak materiału komórkowego przy zachowaniu architektury tkanki łącznej; H&E: hematoksylina i eozyna, MT: trichrom Massona. Podziałka skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.

Rysunek 4. Mikroskopia elektronowa. Skaningowa mikroskopia elektronowa wskazuje na zachowaną architekturę kosmków-krypt w świetle rusztowania; Podziałka skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.
Najtrudniejsze kroki w przygotowaniu tego eksperymentu obejmują kaniulację SMA oraz ustanowienie i utrzymanie sterylności. Kaniulacja SMA u gryzoni bez pęknięcia ściany może być dość trudna ze względu na rozmiar i położenie naczynia. Alternatywnie, szew może być założony wokół bliższej aorty przed powstaniem SMA, a następnie kaniulacja samej aorty dystalnie, kierując plastikową kaniulę do SMA. Podczas decelularyzacji połączenie złego ułożenia kaniuli i wysokich prędkości przepływu może spowodować utratę dostępu naczyniowego. Bezpłodność jest poważnym problemem ze względu na ilość flory bakteryjnej obecnej w jelicie cienkim. Mycie PBS/AA po zbiorach jest bardzo ważne, a wszelkie ślady kału lub zanieczyszczeń należy usunąć ze światła. Umieszczenie części rusztowania w probówce sokoła z DMEM w inkubatorze po sterylizacji UV powinno być wskaźnikiem, czy osiągnięto sterylność. W przypadku kolonizacji bakteryjnej pożywka zmieni pH, a jego kolor zmieni się z czerwonego na żółty. Aby sobie z tym poradzić, zaleca się dalsze cykle UV, a także mycie PBS zawierającym wysokie stężenie antybiotyku/antybiotyku.
Możliwą modyfikacją w celu uzyskania rusztowania z dostępem zarówno naczyniowym, jak i żylnym byłaby kanniulacja żyły głównej dolnej (IVC), a także SMA. Decelularyzacja od strony żylnej i naczyniowej powinna być podejmowana z przerwami dla wszystkich trzech roztworów. Ciągła decelularyzacja może spowodować pęknięcie naczyń włosowatych poprzez dodatnie ciśnienie po obu stronach.
Na przestrzeni lat podjęto szereg wysiłków w zakresie TE jelitowego przy użyciu różnych kombinacji komórek i rusztowań in vitro i in vivo6,9,12. Większość prac została wykonana przy użyciu rusztowań z włókniny rurkowej 95% PGA-5% PLGA pokrytych kolagenem typu I6,7,13,22. Po wysianiu za pomocą nabłonkowych jednostek organoidowych nabłonka jelitowego (OU) i okresie implantacji w sieci myszy, tworzą torbiele z mięśniami na zewnątrz i nabłonkiem wewnątrz, które można następnie zrurkować. Jednak porowatość i prostota konstrukcji tych rusztowań nie pozwala na wytwarzanie dużych fragmentów sztucznego jelita w środowisku in vitro , takim jak bioreaktor. Dodatkowo, brak wrodzonej sieci naczyniowej, którą można połączyć z biorcą, dodatkowo ogranicza użycie tego rusztowania do tłumaczenia klinicznego. Oprócz eksperymentów z rusztowaniami PGA-PLGA, inne grupy używały rusztowań kolagenowych lub SIS, które nie odtwarzają złożoności przewodu pokarmowego. W szczególności SIS jest jedyną wcześniej opublikowaną metodologią inżynierii tkanki jelitowej i była stosowana w ponad 150 środowiskach medycznych, wykazując zdolność rusztowań bezkomórkowych do zapewniania stabilności mechanicznej i promowania wzrostu komórek, jednocześnie prowadząc do braku odpowiedzi immunogennej. Jednak brak odpowiedniej makro- i mikroarchitektury doprowadził do słabych wyników w jego stosowaniu do celów jelitowych TE9-11,23.
Korzyści płynące z opisanej przez nas metodologii decelularyzacji obejmują zachowanie cech mikroskopowych, takich jak architektura kosmków krypty świetlnej, które reprezentują odpowiednie środowisko do ponownego zasiedlenia przez niszę jelitowych komórek macierzystych. W aspekcie makroskopowym obecność hierarchicznej sieci naczyniowej umożliwi przywiązanie do biorcy, umożliwiając dostarczanie składników odżywczych i tlenu do wszystkich warstw jelita TE21. Co więcej, utrzymanie składników ECM, takich jak kolagen, elastyna i gliokozaminoglikany, odgrywa ważną rolę nie tylko dla właściwości mechanicznych, ale także dla kierowania proliferacją i różnicowaniem komórek. Co najważniejsze, zdolność metodologii decelularyzacji do skalowania do większych tkanek przy zachowaniu tych samych cech jest ważną cechą dla klinicznego translacji TE.
Opracowanie naturalnej macierzy jelitowej z siecią naczyniową pozwala na tworzenie większych segmentów sztucznego jelita, które można połączyć z gospodarzem.
Nie stwierdzono konfliktu interesów.
Autorzy dziękują Instytutowi Medycyny Regeneracyjnej Wake Forest za pomoc w opracowaniu tego protokołu. Dziękujemy za wsparcie w postaci dotacji od organizacji charytatywnej Great Ormond Street Hospital, Fundacji Eugenio Litta (Genewa, Szwajcaria), Rady Badań Medycznych, Królewskiego Kolegium Chirurgów Anglii, Sparks Children's Medical Charity, brytyjskiego Ministerstwa Spraw Zagranicznych na rzecz brytyjsko-amerykańskiej współpracy w dziedzinie komórek macierzystych oraz Mittal Research Fund. Dziękujemy również Royal Society/ Wolfson Foundation za uzyskany grant na remont laboratorium inżynierii tkankowej dla Oddziału Chirurgii Dziecięcej w Instytucie Zdrowia Dziecka. PDC i SE są wspierane przez Great Ormond Street Hospital Children's Charity.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Roztwór etanolu, 70% w H20 | Sigma | 02877 | |
| Tabletki soli fizjologicznej buforowane fosforanami | Sigma | 79382 | |
| Antybiotykowy roztwór przeciwgrzybiczy (100x) | Sigma | A5955 | |
| Deoksycholan sodu | Sigma | D6750 | Działa drażniąco na jamy ustne i oczy; ochrona użytkowania |
| Chlorek | |||
| Deoksyrybonukleaza I z trzustki bydła | Sigma | D5025 |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie