Nabłonek jelitowy jest jednym z najszybciej się odnawiających tkanek w organizmie, przy czym większość komórek zostaje zastąpiona w ciągu trzech do pięciu dni. Ta ciągła wymiana jest utrzymywana przez pozytywne na receptor sprzężony z białkiem G, zawierające powtórzenia bogate w leucynę (Lgr5) komórki macierzyste, znajdujące się u podstawy krypt jelitowych, które dają początek komórkom przodującym w przemieszczaniu, które różnicują się na specjalistyczne typy komórek wyściółki jelita podczas migracji w kierunku końcówki kosmówki1. Główne zróżnicowane linie obejmują absorpcyjne enterocyty, komórki wydzielnicze śluzu, komórki enteroendokrynne wytwarzające hormony oraz przeciwdrobnoustrojowe komórki Panetha2. Jak pojedyncze komórki decydują się na określone losy, jak zbiorcze zachowanie komórek powstaje z dynamiki pojedynczych komórek oraz jak osiągana jest koordynacja na poziomie tkanki, to nadal fundamentalne pytania w biologii jelita. Odpowiedź na te pytania wymaga podejść eksperymentalnych, które rejestrują zachowanie komórek z rozdzielczością pojedynczych komórek, w czasie rzeczywistym oraz na skalach czasowych odpowiednich dla różnicowania i migracji3.
Organoidy jelitowe, trójwymiarowe (3D) struktury samoorganizujące się, rosnące z pojedynczych komórek macierzystych lub fragmentów tkankowych, powtarzają kluczowe aspekty architektury nabłonkowej, samoorganizacji i różnorodności typów komórek4,5,6. Od czasu ich opracowania organoidy stały się niezastąpionym narzędziem do badań nad biologią jelita, modelowaniem chorób i odpowiedzi na leki. Zarówno mysie, jak i ludzkie organoidy jelitowe mogą być utrzymywane długoterminowo w hodowli, genetycznie modyfikowane za pomocą podejść opartych na klastrowanych regularnie rozmieszczanych krótkich palindromowych powtórzeniach (CRISPR) oraz łączone w mozaikowe struktury poprzez miksowanie dissociowanych pojedynczych komórek o różnych genotypach lub raportujących tłach przed ponownym zatopieniem w ekstraktach błony podstawnej7,8,9. Mozaikowe organoidy łączą komórki o odrębnych tłach genetycznych lub fluorescencyjnych w jednej strukturze, tak że populacje doświadczają identycznych sygnałów niszowych i kontekstu mechanicznego oraz mogą być porównywane z wbudowanymi wewnętrznymi kontrolami. Ta genetyczna łatwość użycia sprawia, że są szczególnie odpowiednie do badań live-imaging, które wymagają precyzyjnego znaczenia określonych populacji komórek6,10,11,12. Reportery, które znaczą komórki sporadycznie, takie jak znaczniki losów specyficznych dla typu komórki, produkują izolowanych fluorescencyjnych komórek, które mogą być śledzone i analizowane indywidualnie poprzez metody śledzenia pojedynczych komórek. Jednakże, stałe wyzwanie powstaje, gdy białka zlokalizowane w błonie i cytoszkielecie, takie jak złącza komórkowe lub kortykalna Myozyna-II, są znaczone jednolicie w całym nabłonku. Ich sygnały nie mogą być przypisane do pojedynczych komórek, ponieważ sąsiednie komórki dzielą ich granice na poziomie mikroskopii konfokalnej. Mozaikowe organoidy pokonują tę ograniczność: gdy komórka ekspresująca fluorescencyjnego reportera jest otoczona przez nieznaczone sąsiadów, jej złącza i cytoszkieleczne sygnały mogą być jednoznacznie przypisane do tej pojedynczej komórki, ujawniając jak remodeluje ona swój cytoszkielet podczas migracji, podziału lub ekstruzji9,13. Regulacja proporcji znaczenia odwraca ten widok, pozwalając na przechwycenie odpowiedzi sąsiedztwa wokół nieznaczonej komórki. Reportery jądrowe histonu H2B takie jak H2B-mCherry czy H2B-iRFP służą jako narzędzia do identyfikacji wzorca mozaikowego i lokalizacji pouczających konstelacji komórek dla analizy. Poza rozdzielczością pojedynczych komórek, mozaikowe organoidy również umożliwiają bezpośrednie porównania dostosowania między genotypami: ponieważ obie populacje dzielą tę samą niszę, różnice w czasie życia komórki lub współczynniku ekstruzji dostarczają wewnętrznie kontrolowanego odczytu konkurencyjnego dostosowania9,14,15.
Live-cell imaging organoidów, jednakże, prezentuje specyficzne wyzwania techniczne. Ich 3D geometria wymaga mikroskopii konfokalnej lub warstwy świetlnej dla sekcjonowania optycznego16,17,18,19. Rejestrowanie powolnych procesów takich jak różnicowanie i migracja wymaga czasu trwania obrazu od 24 godzin lub więcej, z staranną optymalizacją mocy lasera, czasu ekspozycji i interwałów obrazu, aby ograniczyć fototoksyczność16,18. Macierz osadzająca i medium kulturowe muszą wspierać zdrowie organoidów, pozostając kompatybilnymi z optiką mikroskopu.