O protocolo combina a tecnologia organoide intestinal humana com análise transcriptômica de célula única para fornecer informações significativas sobre a biologia intestinal anteriormente inexplorada.
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Artigo de método
O protocolo combina a tecnologia organoide intestinal humana com análise transcriptômica de célula única para fornecer informações significativas sobre a biologia intestinal anteriormente inexplorada.
A transcriptômica de célula única revolucionou nossa compreensão da biologia celular do corpo humano. As culturas organoides do intestino delgado humano de última geração fornecem sistemas modelo ex vivo que preenchem a lacuna entre modelos animais e estudos clínicos. A aplicação da transcriptômica de célula única a modelos de organoides intestinais humanos (HIO) está revelando biologia celular, bioquímica e fisiologia do trato gastrointestinal anteriormente não reconhecidas. As plataformas avançadas de transcriptômica de célula única usam particionamento microfluídico e código de barras para gerar bibliotecas de cDNA. Esses cDNAs com código de barras podem ser facilmente sequenciados por plataformas de sequenciamento de última geração e usados por várias ferramentas de visualização para gerar mapas. Aqui, descrevemos métodos para cultivar e diferenciar HIOs do intestino delgado humano em diferentes formatos e procedimentos para isolar células viáveis desses formatos que são adequados para uso em plataformas de perfil transcricional de célula única. Esses protocolos e procedimentos facilitam o uso de HIOs do intestino delgado para obter uma maior compreensão da resposta celular do epitélio intestinal humano no nível transcricional no contexto de uma variedade de ambientes diferentes.
O epitélio do intestino delgado possui duas zonas distintas: a cripta que abriga a célula-tronco intestinal (CEI) e a vilosidade, que é composta por células diferenciadas das linhagens secretora e absortiva. Somando-se a essa complexidade está a especificidade regional do epitélio que fornece propriedades funcionais únicas entre as regiões do intestino delgado. Trabalhos pioneiros estabeleceram condições de cultura nas quais tanto a cripta do intestino delgado humano quanto as zonas de vilosidades podem ser geradas ex vivo a partir de tecidos cirúrgicos ou biópsias de tecidos1. Essas culturas estão preenchendo a lacuna entre estudos em animais e ensaios clínicos e estão revelando biologia celular, bioquímica e fisiologia do trato gastrointestinal anteriormente não reconhecidas. Os HIOs são propagados como estruturas esféricas 3D usando um meio com fatores de crescimento que promovem a viabilidade de células-tronco e matrizes de suporte extracelular. Essas condições resultam em um modelo HIO semelhante a uma cripta que consiste principalmente de progenitores e células-tronco. A remoção dos fatores de crescimento promove a diferenciação do ISC (modelo semelhante a vilosidades) e a produção de células epiteliais intestinais maduras (caliciforme, enteroendócrino, tufo, enterócito) em proporções apropriadas, juntamente com proliferação e diferenciação celular, polarização, integridade da barreira, características específicas regionais e respostas fisiológicas apropriadas2. As culturas HIO são geneticamente estáveis e podem ser propagadas indefinidamente em seu estado semelhante a uma cripta. O fácil acesso à superfície apical dessas culturas é proporcionado pelas condições de cultivo que permitem o crescimento em formato monocamada3. Os HIOs também permitem que considerações sobre a variabilidade individual do hospedeiro, como genética, idade, sexo, etnia e estado da doença, sejam incluídas nas análises biológicas. As ferramentas de avaliação analítica e funcional são idênticas às usadas em abordagens centradas em linhagens celulares transformadas e incluem uma variedade de técnicas moleculares, como citometria de fluxo, microscopia, transcriptômica, proteômica e metabolômica.
A transcriptômica de célula única está revolucionando nossa compreensão da biologia e fisiologia do intestino delgado, fornecendo informações sobre as contribuições individuais de cada tipo de célula para um processo biológico. O trabalho pioneiro usando essa tecnologia forneceu uma paisagem dos tipos de células presentes no intestino humano nativo 4,5,6. As plataformas de perfil transcricional de célula única permitem a exploração da paisagem transcricional de células individuais, permitindo que a heterogeneidade celular venha à vanguarda da exploração científica. Em algumas plataformas de perfil transcricional de célula única, o particionamento microfluídico e o código de barras são usados para gerar bibliotecas de cDNA a partir de mRNAs poliadenilados celulares obtidos de até 10.000 células por amostra. Nesta plataforma, gotículas contendo células únicas, oligonucleotídeos com código de barras, reagentes de transcrição reversa e óleo formam uma vesícula de reação que resulta em todos os cDNAs de uma única célula com o mesmo código de barras. Os cDNAs com código de barras podem então ser sequenciados com eficiência usando sequenciamento de próxima geração. Os dados gerados podem ser manipulados por meio de software e ferramentas de visualização, que convertem as sequências com código de barras em mapas de visualização e perfis transcricionais de célula única. As populações de células podem ser identificadas usando bancos de dados publicamente disponíveis do epitélio do intestino delgado humano 4,5,6. Embora muitos estudos tenham utilizado esta plataforma para interrogar organoides intestinais murinos no nível de célula única, a análise das respostas transcricionais de células únicas de HIOs ficou para trás 7,8,9,10,11,12.
Aqui, fornecemos um guia passo a passo para isolar células viáveis de HIOs do intestino delgado para processamento em plataformas de perfil transcricional de célula única (Figura 1). Fornecemos diretrizes de cultura e diferenciação, juntamente com componentes de mídia que foram otimizados para diferenciação epitelial. Descrevemos métodos de recuperação celular para três formatos de cultura diferentes: culturas tridimensionais (3D) e monocamadas em plástico ou em inserções de cultura de células de membrana. Fornecemos dados de agrupamento de amostras obtidos usando software de código aberto para derivar genes diferencialmente expressos em cada cluster.
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As linhagens organoides usadas aqui foram obtidas do Texas Medical Center Digestive Disease Center GEMS Core. Resumidamente, para estabelecer inicialmente as linhas organoides, amostras de tecido doador foram lavadas e digeridas enzimaticamente para liberar as criptas intestinais. As criptas foram embutidas em uma membrana basal e cultivadas em um meio. O Conselho de Revisão Institucional do Baylor College of Medicine aprovou o protocolo do estudo para obter amostras de tecido a partir das quais as linhas organoides foram estabelecidas, e o consentimento informado foi obtido de todos os doadores para estabelecer linhas organoides do tecido doado.
1. Passagem de HIOs 3D para expandir para diferenciação
2. Diferenciação HIO: formato 3D
3. Diferenciação HIO: formato monocamada
4. Preparação de suspensões unicelulares a partir de HIOs 3D diferenciados para transcriptômica unicelular
5. Preparação de suspensões unicelulares a partir de HIOs diferenciados em inserto de cultura de células de membrana
6. Preparação de suspensões unicelulares a partir de HIOs diferenciados como monocamadas de 96 poços
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As suspensões unicelulares foram agrupadas de 2-3 poços de inserção de cultura de células de membrana, monocamada e HIOs 3D para garantir rendimento celular suficiente e reduzir a variação de poço para poço. Bibliotecas de células únicas foram preparadas usando reagentes específicos para a plataforma de perfil transcricional de célula única. e sequenciado com leituras finais emparelhadas em uma plataforma de sequenciamento de última geração, 30.000 leituras/célula. As leituras foram mapeadas, contadas e analisadas usando...
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Usando plataformas genômicas de célula única, sistemas biológicos complexos, como culturas HIO derivadas de tecidos que modelam o epitélio intestinal, podem ser divididos para produzir contribuições celulares individuais para a resposta biológica geral 4,5,6. A heterogeneidade celular e as populações de células raras também podem ser identificadas e interrogadas. A entrada celular precisa ser otimizada para maximizar a saída usa...
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Os autores não têm conflitos de interesse.
Os autores reconhecem as bolsas U19 AI157984, U01 DK103168, U19 AI144297, P30 DK56338, P01 AI057788, U19 AI116497 e NASA Cooperative Agreement Notice/TRISH NNX16AO69A.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| [Leu15]-Gastrina I | Sigma-Aldrich | G9145 | 10 nM |
| 0,05% Tripsina-EDTA | Invitrogen | 25300054 | |
| 0,4% Azul de tripano | Millipore-Sigma | T8154 | |
| 0,5 M EDTA | Corning | 46-034-CI | |
| 1x PBS Ca- Mg-Corning | 21-040-CM | ||
| 24 mm Transwell | Costar | 3412 | |
| Placa de cultura de tecidos de superfície delta Nunclon de 24 poços | Thermo Scientific | 142475 | |
| 40 µ filtro de células m | Falcon | 352340 | |
| 40 µ Filtro de ponta Flowmi SP | Bel-Art Labware | H13680-0040 | |
| 70 µ m Filtro de ponta Flowmi | SP Bel-Art Labware | H13680-0070 | |
| placa de 96 poços | Corning | 3595 | |
| A-83-01 | Tocris | 2939 | 500 nM |
| Accutase | StemCell Technologies | 7920 | |
| Advanced DMEM/F12 | Invitrogen | 12634-028 | |
| B27 suplemento | Invitrogen | 17504-044 | 1X |
| Cromo Next GEM Célula Única 3' GEM, Biblioteca & Kit de Contas de Gel v3.1 | 10x Genomics | PN-1000128 | |
| Colágeno IV | Sigma-Aldrich | C5533-5MG | 33 µ g/mL |
| Corning Cell Recovery Solution | VWR | 354253 | |
| DPBS (Mg2-, Ca2-) | Invitrogen | 14190-136 | 1X |
| GlutaMAX-I | Invitrogen | 35050-061 | 2 mM |
| HEPES 1M | Invitrogen | 15630-080 | 10 mM |
| L-WRN mídia condicionada | ATCC | CRL-3276 | |
| Matrigel, GFR, sem fenol | Camundongo 356231 | ||
| recombinante EGF | Invitrogen | PMG8043 | 50 ng/mL |
| N2 suplemento | Invitrogen | 17502-048 | 1X |
| N-Acetilcisteína | Sigma-Aldrich | A9165-5G | 500 µ M |
| Nicotinamida | Sigma-Aldrich | N0636 | 10 mM |
| SB202190 | Sigma-Aldrich | S7067 | 10 µ M |
| Transwell | Corning | 3413 | |
| Y27632 | Tecnologias de Células-Tronco | 72308 | 10 µ O |
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