Em culturas organotípicas de células 3D, doravante referidas como organoides, as células-tronco se diferenciam e se auto-organizam em estruturas espaciais que compartilham fortes semelhanças morfológicas e funcionais com órgãos reais. Os organoides oferecem modelos valiosos para estudar a biologia e o desenvolvimento humano fora do corpo 1,2,3. Um número crescente de modelos está sendo desenvolvido que imitam o fígado, cérebro, rim, pulmão e muitos outros órgãos 2,4,5. A diferenciação em organoides é direcionada pela adição de fatores de crescimento solúveis e uma matriz extracelular em uma sequência de tempo precisa. No entanto, em contraste marcante com os órgãos, o desenvolvimento de organoides é bastante heterogêneo.
Além dos inúmeros desafios biológicos6,7, as culturas organoides também apresentam desafios tecnológicos em termos de métodos de cultura celular, caracterização da transcriptômica e imagem. O desenvolvimento de órgãos in vivo ocorre em um ambiente biológico que resulta em uma auto-organização altamente estereotipada dos arranjos celulares. Qualquer alteração fenotípica pode ser usada como proxy para diagnosticar um estado doente. Em contraste, os organoides se desenvolvem in vitro em microambientes minimamente controlados, compatíveis com as condições de cultura celular, resultando em grande variabilidade no caminho de desenvolvimento e na formação de formas para cada organoide individual.
Um estudo recente8 demonstrou que imagens quantitativas da forma organoide (descritores fenotípicos) acopladas à avaliação de alguns marcadores genéticos permitem a definição de paisagens de desenvolvimento fenotípico. Indiscutivelmente, a capacidade de relacionar a diversidade da expressão genômica em organoides com seu comportamento fenotípico é um passo importante para liberar todo o potencial das culturas organotípicas. Assim, implora pelo desenvolvimento de abordagens de imagem dedicadas e de alto conteúdo que permitam a caracterização das características organoides em escalas subcelulares, multicelulares e organoides inteiras em 3D 9,10.
Desenvolvemos uma plataforma versátil de triagem de alto conteúdo (HCS) que permite a cultura organoide simplificada (de células-tronco embrionárias humanas isoladas [hESCs], células-tronco pluripotentes induzidas por humanos [hIPSCs] ou células primárias a organoides 3D, multicelulares e diferenciados) e imagens 3D rápidas e não invasivas. Ele integra um dispositivo de cultura de células 3D miniaturizado de última geração, chamado chip JeWells (o chip doravante), que contém milhares de micropoços bem arranjados ladeados por espelhos de 45° que permitem imagens rápidas, 3D e de alta resolução por microscopia de folha de luz de objetivo único11. Compatível com qualquer microscópio padrão, comercial e invertido, este sistema permite a imagem de 300 organoides em 3D com resolução subcelular em <1 h.
A microfabricação do dispositivo de cultura celular parte de um molde microestruturado existente, que contém centenas de micropirâmides (Figura 1A) com uma base quadrada e paredes laterais a 45° em relação à base. A Figura 1C mostra imagens de microscópio eletrônico (EM) de tais estruturas. O molde em si é feito de poli(dimetilsiloxano) (PDMS) e pode ser feito como uma réplica de um molde primário (não mostrado aqui) com características correspondentes (como cavidades) usando procedimentos litográficos suaves padrão. O molde primário pode ser produzido por diferentes procedimentos. O utilizado para este protocolo foi feito utilizando gravura úmida de silício, conforme relatado em Galland et al. 11; o procedimento para a fabricação do molde primário não é crítico para este protocolo. As pirâmides estão dispostas em uma matriz quadrada, com o mesmo passo para as direções X e Y (neste caso, o passo é de 350 μm).
Como ilustração, experimentos de prova de conceito12 foram publicados para demonstrar que o chip permite a cultura a longo prazo (meses) e protocolos de diferenciação, definindo com precisão o número de células iniciais nos poços. O desenvolvimento individual de um grande número de organoides pode ser monitorado automaticamente ao vivo usando microscópios padrão de fluorescência de campo brilhante e folha de luz 3D. Além disso, os organoides podem ser recuperados para realizar investigações biológicas adicionais (por exemplo, análise transcriptômica). Este artigo descreve protocolos detalhados para a fabricação das coberturas de cultura celular, o procedimento de semeadura e coloração para microscopia de fluorescência, bem como a recuperação dos organoides.