Tutaj prezentujemy niegenetyczną metodę generowania ludzkich autologicznych sferoid wątroby przy użyciu komórek jednojądrzastych wyizolowanych z krwi obwodowej w stanie ustalonym.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy niegenetyczną metodę generowania ludzkich autologicznych sferoid wątroby przy użyciu komórek jednojądrzastych wyizolowanych z krwi obwodowej w stanie ustalonym.
Ludzkie komórki wątroby mogą tworzyć trójwymiarową (3D) strukturę zdolną do wzrostu w kulturze przez kilka tygodni, zachowując swoją funkcjonalną zdolność. Ze względu na ich naturę grupowania się w szalkach hodowlanych o niskiej lub zerowej przyczepności, tworzą agregaty wielu komórek wątroby, które nazywane są sferoidami ludzkiej wątroby. Tworzenie sferoid wątroby 3D opiera się na naturalnej tendencji komórek wątroby do agregacji przy braku podłoża adhezyjnego. Te struktury 3D mają lepsze reakcje fizjologiczne niż komórki, które są bliższe środowisku in vivo. Korzystanie z hodowli hepatocytów 3D ma wiele zalet w porównaniu z klasycznymi hodowlami dwuwymiarowymi (2D), w tym bardziej istotne biologicznie mikrośrodowisko, morfologię architektoniczną, która ponownie składa naturalne narządy, a także lepsze przewidywanie stanu chorobowego i reakcji in vivo na leki. Do generowania sferoid można wykorzystać różne źródła, takie jak pierwotna tkanka wątroby lub unieśmiertelnione linie komórkowe. Tkanka wątroby 3D może być również modyfikowana przy użyciu ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (hESC) lub indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (hiPSC) do pozyskiwania hepatocytów. Uzyskaliśmy sferoidy ludzkiej wątroby przy użyciu pluripotencjalnych komórek macierzystych pochodzenia krwi (BD-PSC) generowanych z niemanipulowanej krwi obwodowej przez aktywację ludzkiego białka połączonego z błoną GPI i różnicowanych do ludzkich hepatocytów. Ludzkie komórki wątroby i sferoidy ludzkiej wątroby pochodzące z BD-PSC analizowano za pomocą mikroskopii świetlnej i immunofenotypowania przy użyciu ludzkich markerów hepatocytów.
W ostatnich latach trójwymiarowe (3D) systemy hodowli sferoidów stały się ważnym narzędziem do badania różnych obszarów badań nad rakiem, odkrywania leków i toksykologii. Takie hodowle cieszą się dużym zainteresowaniem, ponieważ wypełniają lukę między dwuwymiarowymi (2D) monowarstwami hodowli komórkowych a złożonymi narządami1.
W przypadku braku powierzchni adhezyjnej, w porównaniu do hodowli komórkowej 2D, tworzenie sferoid opiera się na naturalnym powinowactwie tych komórek do grupowania w formie 3D. Komórki te organizują się w grupy składające się z jednego lub więcej typów dojrzałych komórek. Wolne od ciał obcych komórki oddziałują ze sobą tak, jak w swoim pierwotnym mikrośrodowisku. Komórki w hodowli 3D są znacznie bliżej siebie i mają odpowiednią orientację względem siebie, z wyższą produkcją macierzy zewnątrzkomórkowej niż hodowle 2D i stanowią środowisko bliskie naturalnemu 2.
Modele zwierzęce są używane od dawna do badania ludzkiej biologii i chorób3. Pod tym względem istnieją wewnętrzne różnice między ludźmi a zwierzętami, co sprawia, że modele te nie do końca nadają się do badań ekstrapolacyjnych. Sferoidy i organoidy z hodowli 3D stanowią obiecujące narzędzie do badania tkankowej architektury, interakcji i przesłuchów między różnymi typami komórek, które występują in vivo i mogą przyczynić się do zmniejszenia lub nawet zastąpienia modeli zwierzęcych. Są one szczególnie interesujące dla badań nad patogenezą chorób wątroby, a także platform badań przesiewowych leków4.
3D hodowla sferoidalna ma szczególne znaczenie dla badań nad rakiem, ponieważ może wyeliminować nieciągłość między komórkami a ich środowiskiem, zmniejszając potrzebę trypsynizacji lub leczenia kolagenazą potrzebną do przygotowania monowarstw komórek nowotworowych do hodowli 2D. Sferoidy nowotworowe umożliwiają badanie, w jaki sposób normalne i złośliwe komórki odbierają i reagują na sygnały z otoczenia5 i są ważną częścią badań nad biologią nowotworów.
W porównaniu do monowarstwy, kultury 3D składające się z różnych typów komórek przypominają tkanki nowotworowe pod względem właściwości strukturalnych i funkcjonalnych, dlatego nadają się do badania przerzutów i inwazji komórek nowotworowych. Właśnie dlatego takie modele sferoidalne przyczyniają się do przyspieszenia badań nad rakiem6.
Sferoidy również pomagają rozwijać technologię tworzenia ludzkich organoidów, ponieważ biologia tkanek i organów jest bardzo trudna do zbadania, szczególnie u ludzi. Postęp w hodowli komórek macierzystych umożliwia rozwój kultur 3D, takich jak organoidy składające się z komórek macierzystych i komórek progenitorowych tkanek, a także różnych typów dojrzałych komórek (tkankowych) z narządu o pewnych cechach funkcjonalnych, takich jak prawdziwy narząd, który można wykorzystać do modelowania rozwoju narządów, chorób, ale można je również uznać za przydatne w medycynie regeneracyjnej7.
Podstawowe ludzkie hepatocyty są zwykle używane do badania in vitro biologii ludzkich hepatocytów, funkcji wątroby i toksyczności wywołanej przez leki. Hodowle ludzkich hepatocytów mają dwie główne wady, po pierwsze, ograniczoną dostępność tkanek pierwotnych, takich jak ludzkie hepatocyty, a po drugie, tendencję hepatocytów do szybkiego deróżnicowania w hodowli 2D, tracąc w ten sposób swoją specyficzną funkcję hepatocytów8. Hodowle wątroby 3D są lepsze pod tym względem i zostały ostatnio wykonane ze zróżnicowanych ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (hESC) lub indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (hiPSC)9. Bioinżynieryjne sferoidy wątrobowe 3D są szczególnie interesujące dla badań nad rozwojem, toksycznością, genetycznymi i zakaźnymi chorobami wątroby, a także w odkrywaniu leków do leczenia chorób wątroby10. Wreszcie, mają one również potencjał do wykorzystania klinicznego, wiedząc, że ostra choroba wątroby ma śmiertelność prawie 80%, biosztuczne sferoidy wątroby i/lub wątroby mogą potencjalnie uratować tych pacjentów, zapewniając częściową czynność wątroby do czasu znalezienia odpowiedniego dawcy11.
Ustaliliśmy protokół generowania ludzkich sferoidów wątrobowych przy użyciu pluripotencjalnych komórek macierzystych pochodzących z krwi (BD-PSC) do przygotowania różnej wielkości sferoid zawierających 4000 do 1 x 106 komórek i przeanalizowaliśmy je za pomocą mikroskopii świetlnej i immunofluorescencji. Przetestowaliśmy również zdolność funkcji specyficznej dla hepatocytów, oceniając ekspresję enzymów cytochromu P450 3A4 (CYP3A4) i 2E1 (CYP2E1) należących do rodziny cytochromów P450, które odgrywają ważną rolę w metabolizmie komórkowym i lekowym w procesie detoksykacji12.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uzyskano zgodę etyczną (ACA CELL Biotech GmbH/25b-5482.2-64-1) na przeprowadzenie tych eksperymentów, a wszyscy dawcy podpisali świadomą zgodę przed pobraniem krwi, zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi.
1. Przygotowanie komórek jednojądrzastych (MNC) z ludzkiej krwi obwodowej (PB)
2. Dedyferencjacja MNC po aktywacji za pomocą ludzkiej glikoproteiny zakotwiczonej w GPI
3. Sortowanie nowo wygenerowanych komórek odróżnicowanych
4. Przygotowanie szkiełek nakrywkowych do produkcji ludzkich hepatocytów
5. Powlekanie płytek hodowli komórkowych biolamininą w celu 2D wątrobowego różnicowania BD-PSC
6. Przygotowanie pożywki do różnicowania hepatocytów
7. Hodowla komórek wątroby różnicowanych od BD-PSC
8. 3D sferoidalne różnicowanie wątroby
9. Analiza immunofluorescencyjna nowo wygenerowanych kultur komórek wątroby 2D
10. Żywe barwienie nowo powstałych sferoidów wątroby
11. Badanie sferoid za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Z sukcesem zróżnicowaliśmy ludzkie BD-PSC w komórki endodermy/progenitory wątroby oraz hepatocyty, stosując dwuetapowy protokół. Zmiany morfologiczne podczas procesu różnicowania wątrobowego przedstawiono na Rycynie 1. BD-PSC różnicują się w hepatocyty, przechodząc przez trzy różne stadia. Pierwszym etapem jest różnicowanie w komórki endodermalne L4, drugim różnicowanie w komórki progenitorowe wątroby (hepatoblasty) L8 wykazujące typową morfologię poligonalną, a trzecim dojrzewanie do hepato...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wątroba jest głównym organem w ludzkim ciele o wielu podstawowych funkcjach biologicznych, takich jak detoksykacja metabolitów. Z powodu ciężkiej niewydolności wątroby, takiej jak marskość wątroby i/lub wirusowe zapalenie wątroby, na całym świecie umiera prawie 2 miliony osób. Przeszczepy wątroby zajmują drugie miejsce wśród przeszczepów narządów litych na świecie, ale tylko około 10% obecnego zapotrzebowania jest zaspokajane22.
Pierwotne ludzkie hepatocyty (PHH) są czę...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autor korespondencyjny oświadcza, że jest posiadaczem patentu związanego z nowym ludzkim białkiem sprzężonym z GPI. Jest współzałożycielką i współpracowniczką ACA CELL Biotech GmbH. Pozostali autorzy deklarują, że nie ma konfliktu interesów.
Autorzy są szczególnie wdzięczni za pomoc techniczną udzieloną przez Oksanę i Johna Greenacre. Prace te były wspierane przez ACA CELL Biotech GmbH z Heidelbergu w Niemczech.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Przeciwciało albuminowe | Sigma-Aldrich | SAB3500217 | wytwarzane w kurczaku |
| Albumina Frakcja V | Carl Roth GmbH+Co. KG | T8444.4 | |
| Alpha-1 Fetoprotein | Proteintech Germany GmbH | 14550-1-AP | królik poliklonalny IgG |
| Biolamina 111 LN | BioLamina | LN111-02 | ludzkie rekombinowane |
| mikrokulki CD45 | Miltenyi | 130-045-801 | nano-rozmiarowe kulki magnetyczne |
| Sitko do komórek | pluriSelect | 43-10040-40 | |
| CellSens | Oprogramowanie do obrazowania | Olympus | |
| Probówki wirówkowe 50 ml | Greiner Bio-One | 210270 | |
| CEROplate 96 well | OLS OMNI Life Science | 2800-109-96 | |
| CKX53 | Olympus | ||
| Dostępny w handlu detergent | Procter & Gamble | niejonowy detergent | |
| Przeciwciało specyficzne dla CYP2E1 | Proteintech Germany GmbH | 19937-1-AP | królicze przeciwciało poliklonalne IgG |
| CYP3A4 | Proteintech Germany GmbH | 67110-1-lg | mysie przeciwciało monoklonalne IgG1 |
| Cytokeratin 18 | DakoCytomation | M7010 | mysie przeciwciało monoklonalne IgG1 |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D8418-50ML | |
| DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14040091 | |
| FBS | Merck Millipore | S0115/1030B | Wycofane z produkcji. Dostępne pod: TMS-013-B |
| Szkiełka nakrywkowe szklane 14 mm | R. Langenbrinck | 01-0014/1 | |
| GlutaMax 100x Gibco | Thermo Fisher Scientific | 35050038 | L-glutamina |
| Aldehyd glutarowy 25% | Sigma-Aldrich | G588.2-50ML | |
| Kozie przeciwciała anty-mysie IgG Cy3 | online | ABIN1673767 | poliklonalne |
| Kozie przeciwciała anty-mysie IgG DyLight 488 | Przeciwciała online | ABIN1889284 | poliklonalny |
| kozioł anty-królik IgG Alexa Fluor 488 | Life Technologies | A-11008 | |
| HCl | Sigma-Aldrich | 30721-1LGL | |
| HepatoZYME-SFM | Thermo Fisher Scientific | 17705021 | pożywka do dojrzewania hepatocytów |
| HGF | Thermo Fisher Scientific | PHG0324 | ludzkie rekombinowane |
| przeciwciało HNF4 i alfa | Sigma-Aldrich | ZRB1457-25UL | klon 4C19 ZooMAb Rbmono |
| Hydrokortyzon 21-hemibursztynian (sól sodowa) | Biomol | Cay18226-100 | |
| Zamiennik surowicy nokautującej - Multi Species Gibco | Fisher Scientific | A3181501 | KSR |
| KnockOut DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12660012 | wycofany z produkcji. Dostępne pod numerem katalogowym 10-828-010 |
| Bufor MACS | Miltenyi | 130-091-221 | |
| MACS MultiStand | Miltenyi | 130-042-303 | stojak magnetyczny |
| MEM NEAA 100x Gibco | Thermo Fisher Scientific | 11140035 | |
| Merkaptoetanol | Thermo Fisher Scientific | 31350010 | 50mM |
| kolumny MiniMACS | Miltenyi | 130-042-201 | |
| Nunclon Multidish | Sigma-Aldrich | D6789 | Płytki 4-dołkowe |
| Oncostatin M | Thermo Fisher Scientific | PHC5015 | ludzki rekombinowany |
| paraformaldehyd | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| PBS sterylne | Carl Roth GmbH+Co. KG | 9143.2 | |
| Penicylina/Streptomycyna | Biochrom GmbH | A2213 | 10000 U/ml |
| PS 15ml probówki sterylne | Greiner Bio-One | 188171 | |
| Królik anty-kurczak IgG Texas red | Przeciwciała online | ABIN637943 | |
| Roti Cell Iscoves MDM | Carl Roth GmbH+Co. KG | 9033.1 | |
| Roti Mount FluorCare DAPI | Carl Roth GmbH+Co. KG | HP20.1 | |
| Roti Sep 1077 człowiek | Carl Roth GmbH+Co. KG | 0642.2 | |
| Przeciwciało transtyretynowe | Sigma-Aldrich | SAB3500378 | produkowany z kurczaka |
| Triton X-100 | Thermo Fisher Scientific | HFH10 | 1% |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.