Gruczoł łzowy (LG) jest niezbędny do produkcji wodnej warstwy filmu łzowego, co jest kluczowe dla utrzymania homeostazy powierzchni oka1. Dysfunkcja LG, spowodowana urazem lub stanem zapalnym, prowadzi do niedoboru wody suchego oka (ADDE). To schorzenie może prowadzić do ciężkiego zapalenia powierzchni oka, przewlekłej choroby rogówki, a w ciężkich przypadkach do trwałej utraty wzroku2. Obecne leczenie ADDE koncentruje się głównie na objawach, nie zajmując się leżącą u podstaw zaburzeniem czynności gruczołów, które ograniczają ich długoterminową skuteczność1. Rozwój terapii celowanych dla dysfunkcji LG wiąże się z wieloma wyzwaniami, w tym brakiem długoterminowych, prostych modeli in vitro, które ograniczają zrozumienie patofizjologii LG i utrudniają rozwój skutecznych terapii. Chociaż przeszczep komórek wykazał potencjał w stymulowaniu regeneracji LG, ograniczona zdolność do rozszerzania komórek in vitro oraz złożoność istniejących systemów hodowli stanowią istotne przeszkody dla zastosowań klinicznych 1,3. Dlatego ustanowienie prostego, długoterminowego systemu hodowli dorosłych myszy LG jest niezbędne dla pogłębienia wiedzy o fizjologii i patologii LG, a także dla zapewnienia wiarygodnego źródła komórek macierzystych/progenitorowych LG do naprawy i regeneracji urazów LG.
Istniejące systemy kultury in vitro dla LG poczyniły znaczące postępy, ale nadal napotykają znaczące ograniczenia. Wiele z tych metod opiera się na nośnikach uzupełnianych surowicą, co wprowadza kilka problemów, takich jak zmienność partia do partii, nieokreślone składniki oraz ryzyko zakażenia fibroblastów lub komórek mezenchymalnych 4,5,6,7,8. Ponadto systemy oparte na surowicy nie nadają się do badania patogennych mechanizmów chorób LG i stanowią wyzwanie dla terapii transplantacji komórek ze względu na potencjalne ryzyko odrzucenia układu odpornościowego9. W odpowiedzi na te ograniczenia opracowano kilka metod bezsurowicowych do hodowli komórek nabłonka LG (LGEC) zarówno u myszy, jak i u ludzi. Na przykład Ueda i in. z powodzeniem zastosowali metodę bezsurowicową do hodowli LGEC z nowo narodzonych myszy10. Jednak metoda ta była ograniczona przez niemożność przepuszczenia komórek przez podkultury oraz konieczność posiadania dużej liczby gruczołów noworodkowych, aby uzyskać wystarczającą ilość LGEC. Podobnie Kobayashi i in. opracowali system hodowli bez surowicy z toksyną cholery, ale napotkali trudności w utrzymaniu morfologii komórkowej podczas pasusu11. Najnowsze osiągnięcia obejmują opracowanie systemu hodowli 3D dla komórek macierzystych LG myszy oraz systemu hodowli organoidów LG Bannier-Hélaouët i in. dla myszy i ludzi 12,13,14,15. Jednak systemy te opierają się na złożonych formułach mediów z wieloma małymi cząsteczkami, czynnikami wzrostu i dodatkami, co komplikuje proces hodowli i ogranicza skalowalność. Te wyzwania podkreślają potrzebę uproszczonego, skutecznego systemu hodowli wolnego od surowic, który umożliwi efektywną ekspansję LGEC, jednocześnie zachowując ich właściwości proliferacyjne i stem/progenitorowe do dalszych zastosowań terapeutycznych i badań.
W ostatnich latach szybki rozwój przeprogramowania chemicznego pośredniczonego przez małe cząsteczki wprowadził nowe strategie utrzymania i rozbudowy pierwotnych komórek dorosłych in vitro16. Regulując szlaki sygnalizacyjne wewnątrzkomórkowe, interakcje między macierzą komórkową i adhezję komórkową, małe cząsteczki znacząco zwiększają proliferację i plastyczność komórek, poprawiając efektywność ekspansji komórek i kontrolę losu17. Dzięki kontrolowanej produkcji, niskiej immunogeniczności oraz integracji niegenomowej, małe cząsteczki są idealne do budowy systemów in vitro dla rozszerzających się dorosłych komórek nabłonkowych16. Wykazano, że kombinacje różnych małych cząsteczek skutecznie podtrzymują ekspansję in vitro różnych typów komórek pierwotnych, w tym komórek macierzystych skóry, rogówki i nabłonka spojówkowego 18,19,20. Dlatego opracowanie strategii opartej na małych cząsteczkach w celu rozszerzenia LGEC wykazuje potencjał do przyszłych zastosowań zarówno w badaniach, jak i terapii.
W tym protokole opracowano prosty i wydajny system hodowli wolnej od surowicy wykorzystujący dwie małe cząsteczki, Y27632 i SB431542 (2C), aby wspierać rozszerzanie LGEC. Łącząc zalety tych dwóch cząsteczek, powstał system wolny od surowicy zarówno dla hodowli 2D, jak i 3D. LGEC hodowane z użyciem 2C wykazywały wysoką zdolność proliferacji oraz cechy komórek macierzystych/progenitorowych, zachowując typową morfologię komórek nabłonkowych po co najmniej 10 przejściach in vitro. W hodowli 3D LGEC nie tylko zachowały cechy komórek macierzystych i progenitorowych, ale także wykazywały zdolność dalszego różnicowania się w struktury sekretyczne po usunięciu 2C, tworząc struktury mikroglandołowe o funkcji sekrecyjnej. Ten system bezsurowicowy nadaje się do modelowania in vitro fizjologii i patologii LG, a także stanowi znaczące źródło komórek do inżynierii tkankowej LG i zastosowań regeneracyjnych. Jednak obecny protokół zapewnia jedynie wstępne zbadanie kultury 3D. Długoterminowa kultura 3D wykracza poza zakres tych badań na tym etapie. Ważne jest, aby zauważyć, że metoda ta została zaprojektowana specjalnie dla dorosłych myszy LGEC i może nie być stosowalna do innych gatunków bez dalszej optymalizacji.