RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Marco Bardenbacher1, Barbara Ruder2, Natalie Britzen-Laurent1, Elisabeth Naschberger1, Christoph Becker2, Ralph Palmisano3, Michael Stürzl*1, Philipp Tripal*1,3
1Division of Molecular and Experimental Surgery, Department of Surgery, Translational Research Center,Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg and Universitätsklinikum Erlangen, 2Department of Medicine 1,Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg and Universitätsklinikum Erlangen, 3Optical Imaging Centre Erlangen (OICE),Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Tutaj opisujemy technikę ilościowego określania integralności bariery organoidów jelita cienkiego. Fakt, że metoda opiera się na żywych organoidach, umożliwia sekwencyjne badanie różnych substancji modulujących integralność bariery lub ich kombinacji w sposób rozdzielczy w czasie.
Organoidy i trójwymiarowe (3D) hodowle komórkowe pozwalają na badanie złożonych mechanizmów biologicznych i regulacji in vitro, co wcześniej nie było możliwe w klasycznych monowarstwach hodowli komórkowych. Co więcej, jednowarstwowe hodowle komórkowe są dobrymi systemami modelowymi in vitro, ale nie reprezentują złożonych procesów i funkcji różnicowania komórkowego, które opierają się na strukturze 3D. Do tej pory było to możliwe tylko w eksperymentach na zwierzętach, które są pracochłonne, czasochłonne i trudne do oceny za pomocą technik optycznych. W tym miejscu opisujemy test do ilościowego określenia integralności bariery w czasie w żywych organoidach myszy z jelita cienkiego. Aby zweryfikować nasz model, zastosowaliśmy interferon gamma (IFN-γ) jako pozytywną kontrolę niszczenia bariery i organoidy pochodzące z receptora IFN-γ 2 nokautującego myszy jako kontrolę negatywną. Test pozwolił nam określić wpływ IFN-γ na integralność bariery jelitowej i indukowaną przez IFN-γ degradację białek połączeń ścisłych klaudyny-2, -7 i -15. Test ten może być również wykorzystany do zbadania wpływu związków chemicznych, białek, toksyn, bakterii lub sond pochodzących od pacjentów na integralność bariery jelitowej.
Integralność bariery nabłonkowej jest utrzymywana przez kompleks połączeń wierzchołkowych (AJC), który składa się z białek złącza ścisłego (TJ) i połączenia adherencji (AJ)1. Spolaryzowana struktura AJC ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji in vivo. Rozregulowanie AJC występuje w różnych chorobach i podejrzewa się, że jest ważnym czynnikiem wyzwalającym patogenezę nieswoistych zapaleń jelit. Utrata funkcji bariery jelitowej stanowi zdarzenie inicjujące chorobę. Następujące translokacje bakterii komensalnych i reakcje zapalne są bolesnymi konsekwencjami2.
Różne modele in vitro i in vivo zostały opracowane w celu zbadania regulacji AJC. Test Transwell opiera się na dwuwymiarowych (2D) monowarstwach komórek, które pochodzą z linii komórek nowotworowych. Systemy te są dobre do oceny metodami optycznymi i biochemicznymi i umożliwiają analizę wielu próbek w tym samym czasie, ale brakuje im wielu cech komórek pierwotnych i procesów różnicowania zachodzących in vivo. Badanie integralności bariery jest również możliwe w modelach zwierzęcych. W eksperymentach terminalnych można określić ilościowo wpływ określonych zabiegów in vivo na przepuszczalność całego jelita. Modele te wymagają jednak dużej liczby zwierząt i nie pozwalają na szczegółową wizualizację leżących u ich podstaw procesów molekularnych. Obecnie dostępne są ulepszone modele 3D in vitro, które dokładnie podsumowują procesy różnicowania komórek, polaryzację komórek i reprezentują strukturę krypty i kosmków jelita3. Zastosowanie organoidów jelitowych 3D do analiz funkcjonalnych wymaga adaptacji dostępnych metod z modeli 2D. W tym miejscu opisujemy model do badania integralności bariery jelitowej w żywych organoidach myszy z jelita cienkiego. Test został opracowany w celu zbadania wpływu IFN-γ na integralność bariery i odpowiednie białka połączeń ścisłych8.
W przeciwieństwie do techniki stosowanej przez Leslie4, Zietek5, lub Pearce6, która mierzy fluorescencję po usunięciu żółcieni lucyferowej (LY) z podłoża, nasze podejście pozwala na ilościowe określenie absorpcji światła przez fluorofor w czasie. W związku z tym wynik reprezentuje kinetykę wychwytu dynamicznego, a nasz test umożliwia zastosowanie dodatkowych bodźców lub inhibitorów w trakcie trwania eksperymentu. Fakt, że oba testy mierzą wychwyt od zewnętrznej strony podstawno-bocznej do wewnętrznej powierzchni wierzchołkowej, wyraźnie kontrastuje z sytuacją in vivo. W modelu opisanym przez Hilla i wsp.7, temat ten został zgłębiony. Po mikrowstrzyknięciu fluoroforu do światła organoidu, fluorescencję określono ilościowo. Kierunek dyfuzji reprezentuje kierunek obecny in vivo. Wysiłek techniczny związany z mikroiniekcją wyraźnie zmniejsza przepustowość tej metody. W przeciwieństwie do opisywanego tu modelu, metoda mikroiniekcji umożliwia pomiar efektów wymagających aktywacji biologicznej na powierzchni nabłonka wierzchołkowego.
Prezentowany tutaj model integralności bariery organoidowej opiera się na mikroskopii żywych komórek i umożliwia analizę dynamicznych zmian w regulacji AJC w czasie. Zestaw może być stosowany do badania farmakologicznego wpływu substancji indukujących i hamujących integralność bariery jelitowej. Co więcej, modele oparte na organoidach pomagają zmniejszyć liczbę zwierząt wykorzystywanych do badań farmakologicznych.
Wszystkie kroki zostały wykonane zgodnie ze wszystkimi odpowiednimi wytycznymi regulacyjnymi i instytucjonalnymi dotyczącymi opieki nad zwierzętami.
1. Poszycie organoidów
2. Test przepuszczalności organoidu
3. Analiza danych
Aby zweryfikować zastosowanie 3D organoidów myszy z jelita cienkiego jako modelu do ilościowego określenia wpływu związków regulujących integralność bariery jelitowej, zastosowaliśmy IFN-γ. Aby to zrobić, wyizolowaliśmy i wyhodowaliśmy organoidy pochodzące od myszy reagujących na IFN-γ typu dzikiego i IFN-γ-receptor-2, które nie reagują na IFN-γ8. Po leczeniu przez 48 godzin IFN-γ lub PBS (kontrola), wszystkie organoidy wystawiono na działanie LY i zobrazowano za pomocą konfokalnej mikroskopii żywych komórek z wirującym dyskiem w odstępach 5-minutowych przez okres 70 minut. Funkcjonalna integralność bariery jelitowej w tym modelu skutkowała wykluczeniem LY ze światła organoidu, podczas gdy wewnątrzświetlne nagromadzenie LY oznaczało zniszczenie TJ. Reprezentatywne obrazy mikroskopowe fluorescencji po 70 minutach inkubacji z LY wyraźnie pokazują, że wewnątrzświetlna fluorescencja LY była widoczna tylko w organoidach od zwierząt typu dzikiego traktowanych IFN-γ. W niestymulowanych (PBS) kontrolach ani w organoidach pochodzących od zwierząt nokautujących (IFN-γR2ΔIEC, Rysunek 1), po 70 minutach nie stwierdzono wewnątrzświetlnej fluorescencji LY.
Dodanie EGTA powoduje niespecyficzne załamanie integralności bariery jelitowej poprzez sekwestrację kofaktorów TJ. Ta kontrola była zawsze wykorzystywana pod koniec eksperymentu, aby zademonstrować zdolność odpowiedniego organoidu do przyjmowania LY (Rysunek 1). Jeśli po leczeniu EGTA nie wykryto wewnątrzświetlnej fluorescencji LY, organoid został wykluczony z eksperymentu.
Dla ilościowej oceny wyników mikroskopowych, zmierzono fluorescencję LY w świetle organoidu i poza nim. Obliczono względne wartości intensywności (fluorescencja wewnątrz/ fluorescencja na zewnątrz + wewnątrz) i są one wyświetlane dla każdego zobrazowanego punktu czasowego. Zaleca się unikanie obrazowania organoidów o różnych rozmiarach. Zdecydowaliśmy się skupić na organoidach o średnicy 80 ± 30 μm (Rysunek 2). Schemat protokołu z reprezentatywnymi obrazami jest pokazany w Rysunek 3. Niektóre główne problemy i techniki rozwiązywania problemów są pokazane i omówione w Rysunek 4.

Rycina 1: Integralność bariery jelitowej można analizować w organoidach myszy. Organoidy jelitowe z IFN-γR2WT i IFN-γR2ΔIEC hodowano w obecności IFN-γ przez 48 godzin lub pozostawiono bez leczenia. Aby zbadać integralność bariery jelitowej, dodano LY (457 Da) i wykonano konfokalne obrazy fluorescencyjne w odstępach 5-minutowych, w sumie przez 70 minut. Pokazane są reprezentatywne obrazy w punkcie czasowym 0 min, 70 min i po dodaniu EGTA (zielony = Lucyfer żółty; Podziałka = 20 μm). Ten rysunek został zmodyfikowany z Bardenbacher et al.8. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Model integralności bariery organoidowej jelita cienkiego dostarcza wyników ilościowych. (A) Fluorescencję LY określono wewnątrz i na zewnątrz organoidu. Obliczono względne wartości intensywności (wewnątrz/fluorescencja na zewnątrz + wewnątrz) w stosunku do początkowej intensywności względnej + SEM i są one wyświetlane dla każdego punktu czasowego. (B) Rozkład wielkości analizowanych organoidów. Aby zmniejszyć odchylenie standardowe i błędy wynikające ze zmian stosunku powierzchni do objętości, analizowaliśmy tylko organoidy o średnicy 80 ± 30 μm. Średnie wartości odpowiednich średnic organoidów są pokazane + SD (IFN-γR2WT, n = 20; IFN-γR2ΔIEC, n = 18). Średnie wartości średnicy nie różniły się istotnie między różnymi grupami (jednoczynnikowa ANOVA). (C) Przepuszczalność organoidów określono 70 minut po dodaniu LY. Określono go, dzieląc natężenia fluorescencji wewnątrzświetlnej po 70 minutach przez minimalne względne natężenia fluorescencji zmierzone w okresie obserwacji. Każdy słupek reprezentuje wartości średnie + SD, mierzone w 10 organoidach pochodzących z dwóch niezależnych eksperymentów (IFN-γR2WT, n = 20; IFN-γR2ΔIEC, n = 18). IFN-γ istotnie zwiększał wychwyt LY tylko w organoidachWT IFN-γR2. Wartość p <0,001 w teście t-Studenta. Ten rysunek został zmodyfikowany z Bardenbacher et al.8. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Schematyczny protokół z reprezentatywnymi obrazami. (A) Schematyczny opis głównych kroków protokołu. (B) Reprezentatywne zdjęcia głównych etapów protokołu. (B1) Obraz mikroskopowy DIC centralnego wycinka przez odpowiedni organoid, który został wybrany do analizy przepuszczalności. Linia przerywana reprezentuje szerokość 89 μm. (B2) Obraz z mikroskopii fluorescencyjnej tego samego organoidu w (B1) przed dodaniem LY. Obraz przedstawia autofluorescencję organoidu. (B3) Organoid 70 minut po dodaniu LY. Przedstawiony organoid nie wykazuje wychwytu LY, a zatem nienaruszoną funkcję barierową. Linie przerywane pokazują zwrot z inwestycji do dalszej analizy. Zaznaczone jest wewnętrzne światło organoidu i trzy reprezentatywne obszary wokół organoidu. (B4) Organoid po dodaniu EGTA. Organoid nadaje się do dalszej analizy, ponieważ wykazuje wychwyt LY po leczeniu EGTA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Rozwiązywanie typowych problemów. (A) Tabela z typowymi problemami i rozwiązaniami. (B) Przykładowe zdjęcia. (B1) Obraz DIC dużego wielogałęziowego organoidu, który nie nadaje się do tego testu. (B2). Konfokalny obraz organoidu wykazującego wysoką autofluorescencję przed dodaniem LY do pożywki. Organoid został wyłączony z oceny ilościowej. (B3) Konfokalny obraz organoidu wykazującego niską autofluorescencję przed dodaniem LY do pożywki. W tym przypadku fluorescencję określono ilościowo. (B4) Organoid niewykazujący wychwytu LY z pożywki 30 minut po dodaniu EGTA i w związku z tym wyłączony z oznaczania ilościowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Tutaj opisujemy technikę ilościowego określania integralności bariery organoidów jelita cienkiego. Fakt, że metoda opiera się na żywych organoidach, umożliwia sekwencyjne badanie różnych substancji modulujących integralność bariery lub ich kombinacji w sposób rozdzielczy w czasie.
Ta praca była wspierana przez granty z Niemieckiej Fundacji Badawczej (DFG) [KFO257, projekt 4 dla M.S. i projekt 1 dla C.B.; FOR2438, projekt 2 na rzecz M.S. i E.N. oraz projekt 5 na rzecz C.B.; SFB1181 projekt C05 do C.B.; TRR241, projekt A06 do N.B.L. i M.S., projekt A03 do C.B., BR5196/2-1 do N.B.L. i BE3686/2 do C.B.]; Interdyscyplinarne Centrum Badań Klinicznych (IZKF) Centrum Klinicznego w Erlangen (do M.S., E.N. i M.B.), W. Lutz Stiftung (do M.S.) oraz Forschungsstiftung Medizin Centrum Klinicznego Erlangen (do M.S.). Niniejsza praca została wykonana w ramach (częściowego) spełnienia wymagań wymaganych do uzyskania stopnia doktora medycyny Marco Bardenbachera.
| Szkiełka 8-dołkowe 48-dołkowe | Thermo Fisher Scientific | #150687 | |
| Ibidi | #80826 | ||
| 96-dołkowa płytka hodowlana | Greiner Bio-One | #655101 | |
| Axio Observer.Z1 - wirujący dysk | Laser wzbudzającyZeiss | 488 nm / filtr emisyjny 525/25 | |
| Albumina surowicy bydlęcej | Sigma-Aldrich | A3059-100G | |
| Sitko do komórek | Falcon | 352350 | |
| Probówka wirówkowa 15 ml | Thermo Fisher Scientific | 11507411 | |
| Probówka wirówkowa 50 ml | Thermo Fisher Scientific | 10788561 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | 431788-25g | |
| EGTA | Sigma-Aldrich | 431788 | |
| Lucyfer Żółta sól dilitowa CH | Sigma-Aldrich | L0259 | |
| Matrigel, zredukowany czynnik wzrostu, wolny od czerwieni fenolowej | Corning | 356231 | Roztwór macierzy komórkowej |
| Myszy | Laboratorium Jacksona | M. musculus C57/Bl6 | |
| Szkiełko | nakrywkowe | mikroskopu 24 mm x 60 mm | |
| Organoid Growth Medium mysie | technologie | komórek macierzystych#06005 | |
| Solanka buforowana fosforanem | Biochrom | L182-05 | |
| Rekombinowana mysia IFN-γ | Kot Biolegend | #575304 |