O presente protocolo descreve medidas de pH em organoides gástricos derivados de tecidos humanos usando microeletrodos para caracterização espaço-temporal da fisiologia intraluminal.
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Artigo de método
O presente protocolo descreve medidas de pH em organoides gástricos derivados de tecidos humanos usando microeletrodos para caracterização espaço-temporal da fisiologia intraluminal.
A otimização e caracterização detalhada de modelos organoides gastrointestinais requerem métodos avançados para analisar seus ambientes luminais. Este artigo apresenta um método altamente reprodutível para a medição precisa do pH dentro do lúmen de organoides gástricos humanos 3D por meio de microeletrodos controlados por micromanipuladores. Os microeletrodos de pH estão disponíveis comercialmente e consistem em pontas de vidro chanfradas de 25 μm de diâmetro. Para medições, o microeletrodo de pH é avançado no lúmen de um organoide (>200 μm) que é suspenso em Matrigel, enquanto um eletrodo de referência repousa submerso no meio circundante na placa de cultura.
Usando esses microeletrodos para traçar o perfil de organoides derivados do corpo gástrico humano, demonstramos que o pH luminal é relativamente consistente dentro de cada poço de cultura em ~ 7,7 ± 0,037 e que medições contínuas podem ser obtidas por um mínimo de 15 min. Em alguns organoides maiores, as medições revelaram um gradiente de pH entre a superfície epitelial e o lúmen, sugerindo que as medições de pH em organoides podem ser alcançadas com alta resolução espacial. Em um estudo anterior, microeletrodos foram usados com sucesso para medir as concentrações luminais de oxigênio em organoides, demonstrando a versatilidade desse método para análises de organoides. Em resumo, este protocolo descreve uma ferramenta importante para a caracterização funcional do complexo espaço luminal dentro de organoides 3D.
Organoides - estruturas multicelulares em miniatura derivadas de células-tronco - revolucionaram nossa capacidade de estudar a fisiologia humana e estão começando a substituir modelos animais, mesmo em ambientes regulatórios1. Desde a descrição inicial dos organoides intestinais por Sato et al. em 2009, a tecnologia organoide tornou-se imensamente popular2. Um grande número de estudos caracterizou a composição celular e a função dos modelos organoides em grande detalhe 3,4,5,6. No entanto, o espaço luminal dessas estruturas multicelulares 3D permanece em grande parte indefinido 7,8. O lúmen é a cavidade central de organoides derivados de tecidos mucosos que é circundada pelas porções apicais de células epiteliais polarizadas. Como a secreção e absorção celular ocorrem predominantemente na superfície epitelial apical, o microambiente luminal dos organoides é controlado por esses importantes processos fisiológicos. Os modelos organoides usados atualmente demonstram variações nos padrões de sinalização celular, stemness geral, gradientes de concentração de metabólitos e condições ambientais9. Compreender a fisiologia luminal organoide é, portanto, necessário para a modelagem precisa da função e patologia dos órgãos. Infelizmente, a relativa inacessibilidade do lúmen dificulta significativamente as análises funcionais da fisiologia luminal em organoides 3D10.
A capacidade de examinar os perfis de pH é especialmente importante no estômago, que é notório por ter o gradiente de prótons mais acentuado do corpo, variando de aproximadamente 1-3 no lúmen, a quase neutro no epitélio 11,12,13. Permanece uma lacuna significativa em nossa compreensão da manutenção em microescala do gradiente de pH gástrico e a relevância dos modelos organoides na recapitulação desse ambiente dinâmico através da camada de muco gástrico. As abordagens tradicionais para a análise do pH organoide têm envolvido o uso de corantes sensíveis ao pH, que podem ser indicadores fluorescentes ou colorimétricos. McCracken et al. usaram uma injeção luminal de SNARF-5F - um indicador de pH raciométrico - em organoides para analisar uma queda no pH luminal em resposta ao tratamento com histamina. Esses corantes podem ser incorporados ao meio de cultura, permitindo o monitoramento não invasivo e em tempo real do pH. Não apenas os corantes sensíveis ao pH requerem etapas de calibração complexas que contribuem para a baixa confiabilidade e precisão das medições, mas esses corantes também tendem a operar dentro de faixas de detecção específicas que podem não ser representativas de toda a faixa de pH dentro do microambiente de interesse14,15. Pode ser considerado razoável, no entanto, usar corantes indicadores para experimentos confirmatórios. Nanossensores ópticos que usam abordagens de detecção de pH baseadas em optode fluorescente também foram desenvolvidos; no entanto, tais técnicas de detecção requerem imagens microscópicas e também são suscetíveis a fotobranqueamento, fototoxicidade e viés de imagem16,17. Além disso, Brooks et al. têm placas multipoços impressas em 3D contendo microeletrodos sobre os quais os organoides podem ser revestidos18. Essa abordagem, no entanto, não permite medições diretamente dentro do lúmen organoide.
As medições de pH baseadas em eletrodos podem obter maior precisão em comparação com outros métodos, além de fornecer monitoramento de pH em tempo real. Além disso, os eletrodos de pH montados em micromanipuladores permitem uma resolução espacial superior das medições de pH, pois a localização precisa da ponta do eletrodo pode ser controlada com precisão. Isso permite a maior flexibilidade e reprodutibilidade possíveis nas análises de modelos organoides. Os eletrodos usados aqui são microeletrodos de pH miniaturizados que operam com base na difusão de prótons através de vidro de pH seletivo que envolve um fino fio de platina. O microeletrodo é conectado a um eletrodo de referência Ag-AgCl externo e, em seguida, conectado a um milivoltímetro de alta impedância. O potencial elétrico entre as duas pontas dos eletrodos, quando submersas na mesma solução, refletirá o pH da solução19. Tais sistemas de microperfil têm sido usados na análise metabólica de biofilmes20,21, algas planctônicas22, amostras de escarro humano23 e até mesmo em esferoides de células-tronco mesenquimais24. Tanto nosso laboratório quanto Murphy et al. já usaram microeletrodos de O2 controlados por micromanipuladores para avaliar as concentrações de oxigênio nos espaços luminais dos organoides. Murphy et al. emparelharam este método com modelagem matemática para revelar um gradiente de oxigênio dentro de seus esferóides. Nosso grupo foi capaz de encontrar níveis reduzidos de oxigênio luminal em organoides gástricos derivados de tecidos em comparação com a matriz extracelular circundante25.
Aqui, fornecemos um método detalhado para o perfil manual de microeletrodos do pH luminal em organoides esféricos do trato gastrointestinal que permitirá uma compreensão fisiológica aprimorada de seu complexo microambiente luminal. Prevemos que essa técnica adicionará uma nova dimensão à exploração da fisiologia organoide por meio de medições em tempo real e de alta resolução dos níveis de pH em microescala. Além disso, o protocolo a seguir pode ser facilmente adaptado para a análise de O2, N2O, H2, NO, H2S, redox e temperatura em vários tipos de modelos organoides. O perfil fisiológico serve como uma ferramenta valiosa para otimizar as condições de cultura de organoides para melhor imitar ambientes in vivo , aumentando assim a relevância e a utilidade dos modelos organoides na pesquisa biomédica.
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Este protocolo requer organoides 3D de pelo menos 200 μm de diâmetro que tenham um lúmen distinto e que estejam embutidos em uma matriz extracelular artificial (ECM, por exemplo, Matrigel). Os tecidos gástricos humanos para derivação de organoides foram obtidos com a aprovação do Conselho de Revisão Institucional da Montana State University e consentimento informado de pacientes submetidos a endoscopia digestiva alta na Bozeman Health (protocolo # 2023-48-FCR, para DB) ou como amostras isentas de gastrectomia total do estômago inteiro ou gastrectomia vertical do National Disease Research Interchange (protocolo #DB062615-EX). As informações sobre as linhas organoides e os números de passagem usados para este estudo são fornecidas na Tabela 1, e a composição do meio está listada na Tabela 2. Consulte os protocolos publicados anteriormente para a geração e manutenção de linhas organoides gastrointestinais 6,26,27.
1. Preparação de organoides gástricos humanos para perfis de pH
2. Desembalagem e calibração de microeletrodos
NOTA: Para permitir medições em microescala, um eletrodo de referência separado é usado além do microeletrodo do sensor de pH, em vez de usar um design integrado (e, portanto, mais volumoso). Tanto o microeletrodo de pH quanto o eletrodo de referência devem ser armazenados úmidos. Não permita a exposição ao ar por mais de 10 minutos de cada vez. Determine o tamanho apropriado da ponta para a aplicação. Aqui, usamos um microeletrodo potenciométrico de pH com diâmetro de ponta chanfrada de 25 μm.
3. Perfil de pH de organoides gástricos humanos
NOTA: O protocolo a seguir é descrito para um usuário destro. CUIDADO: Desative todas as opções de economia de energia em seu PC, pois as medições contínuas serão interrompidas se o PC entrar no modo de suspensão.
4. Perfil motorizado (opcional)
NOTA: Esta opção requer um micromanipulador montado em um estágio de motor mecânico, que é controlado por software de computador por meio de um controlador de motor31.
5. Limpeza de eletrodos
6. Armazenamento de eletrodos
NOTA: Ambos os eletrodos devem ser armazenados em temperatura ambiente em um local de baixa atividade, protegido contra danos acidentais.
7. Injeção de vermelho de metila (opcional)
NOTA: O vermelho de metila é um corante indicador colorimétrico que pode ser usado para validar as medições de microeletrodos.
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A secreção de ácido é uma função crucial do estômago humano. No entanto, até que ponto a secreção ácida pode ser modelada em organoides ainda é uma questão de debate 6,32,33,34. Portanto, desenvolvemos o protocolo detalhado acima para medir com precisão a produção de ácido em organoides gástricos. Notavelmente, usamos organoides derivados de células-tronco adultas não estimuladas cultivadas em ...
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O acesso limitado ao espaço luminal dos organoides restringiu severamente nossa compreensão da dinâmica fisiológica desse microambiente. Uma ferramenta confiável para análises funcionais da fisiologia luminal expandirá nossa capacidade de alavancar organoides como modelos in vitro para fisiologia, farmacologia e pesquisa de doenças. Os organoides são modelos fisiologicamente relevantes e altamente ajustáveis, com potencial adicional para replicar a variabilidade genética na população humana. Os métodos existente...
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Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Os autores gostariam de agradecer à Dra. Ellen Lauchnor, Dr. Phil Stewart e Bengisu Kilic por seu trabalho anterior e assistência com os microssensores O2 ; Andy Sebrell pelo treinamento em cultura organoide e micromanipulação; Lexi Burcham pela assistência na cultura de organoides, preparação de meios, registro de dados e organização; e Dra. Susy Kohout para aconselhamento geral em eletrofisiologia. Gostaríamos de agradecer à Dra. Heidi Smith por sua assistência com imagens e reconhecer o Centro de Engenharia de Biofilme Bioimaging da Universidade Estadual de Montana, que é apoiado por financiamento do Programa de Ressonância Magnética da National Science Foundation (2018562), do MJ Murdock Charitable Trust (202016116), do Departamento de Defesa dos EUA (77369LSRIP e W911NF1910288) e do Montana Nanotechnology Facility (um membro do NNCI apoiado pelo NSF Grant ECCS-2025391).
Agradecimentos especiais a toda a equipe da Unisense que tornou este trabalho possível, especialmente ao Dr. Andrew Cerskus, Dra. Laura Woods, Dr. Lars Larsen, Dr. Tage Dalsgaard, Dra. Line Daugaard, Dra. Karen Maegaard e Mette Gammelgaard. O financiamento para o nosso estudo foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde concede R01 GM13140801 (DB, RB) e UL1 TR002319 (KNL), e um Prêmio de Expansão de Pesquisa do Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento Econômico da Universidade Estadual de Montana (DB). A Figura 1A foi criada com o BioRender.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 3 M KCl | Unisense | ||
| 5 mL Pipeta sorológica oscilante-não, embalada individualmente, papel/plástico, saco, estéril | CellTreat | 229091B | |
| 10 mL pipeta sorológica oscilante-não, embalada individualmente, papel/plástico, saco, estéril | CellTreat | 229092B | |
| Tubo de centrífuga de 15 mL - rack de espuma, estéril | CellTreat | 229412 | |
| Placa de Cultura de Tecidos de 24 Poços, CellTreat Estéril | 229124 Pipeta | ||
| Sorológica Oscilante de 25 mL, Embalada Individualmente, Papel/Plástico, Saco, Estéril | CellTreat | 229093B | |
| Prato de 35 mm | Nº 1.5 Lamínula | Diâmetro do vidro de 20 mm | Tubo | MatTek | P35G-1.5-20-C | |
| - Rack de Espuma, Estéril | CellTreat | 229422 | |
| 70% Etanol | BP82031GAL | BP82031GAL | |
| 70 μ m Cell Strainer, Embalado Individualmente, Esterilizado | CellTreat | 229483 | |
| 1.000 µ L Pontas de Pipeta de Baixa Retenção de Comprimento Estendido, Rack, Estéril | Solução | CellTreat 229037 | |
| Anfotericina B (Fungizone) | HyClone Laboratories, Inc | SV30078.01 | |
| Gabinete de Biossegurança | Nuaire | NU-425-600 | Classe II Tipo A / B3 |
| Albumina de soro bovino | Fisher Biorreagentes | BP1605-100 | |
| Solução de recuperação celular | Corning | 354253 | Solução de dissociação celular |
| DMEM / F-12 (DMEM avançado) | Gibco | 12-491-015 | |
| Modificação de Dulbecco do meio de águias (DMEM) | Fisher Scientific | 15017CV | |
| Soro Fetal Bovino | HyClone Laboratories, Inc | SH30088 | |
| G418 Sulfato | Corning | 30-234-CR | |
| Sulfato de Gentamicina | IBI Scientific | IB02030 | |
| HEPES, Ácido Livre | Cytiva | SH30237.01 | |
| HP Pavillion 2-em-1 14" Laptop Intel Core i3 | HP | M03840-001 | |
| Ácido clorídrico | Fisher Incubadora Científica | A144C-212 | |
| Fisher Scientific | 11676604 | ||
| Câmera iPhone 12 | Apple | ||
| L-glutamina | Cytiva | SH3003401 | |
| Grande Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicados Limpadores de Tarefa, 1-Ply | Fisher Scientific | 34133 | |
| M 205 FA Estereomicroscópio | Leica | ||
| Matriz de Membrana Matrigel 354234 | Corning | CB-40234 | |
| MC-1 UniMotor Controlador | Unisense | ||
| Metil vermelho | |||
| MM33 Micromanipulador | Marzhauser Wetzlar | 61-42-113-0000 | Destro |
| MS-15 Estágio Motorizado | Unisense | ||
| Nanoject-II | Autoinjetor de nanolitros | Drummond | 3-000-204 |
| Penicilina/Estreptomicina (10,000 U/mL) | Gibco | 15-140-148 | |
| pH Microeletrodos | Unisense | 50-109158, 25-203452, 25-205272, 25-111626, 25-109160 | O software SensorTrace não é compatível com computadores Apple |
| Eletrodo de referência | Unisense | REF-RM-001652 | O software SensorTrace não é compatível com Computadores Apple |
| SB 431542 | Tocris Bioscience | 16-141-0 | |
| Adaptador de câmera para smartphone | Gosky | ||
| Especificações Suporte de laboratório LS | Unisense | LS-009238 | |
| Tripsina-EDTA 0,025%, vermelho de fenol | Gibco | 25-200-056 | |
| UniAmp | Unisense | 11632 | |
| United Biosystems Inc RASPADORES DE CÉLULAS MINI 200/PK | Fisher | MCS-200 | |
| Y-27632 dicloridrato | Tocris Bioscience | 12-541-0 | |
| µ Kit de Calibração do Sensor | Unisense/ Mettler Toledo | 51-305-070, 51-302-069 | pH 4,01 e 9,21, pacotes de 20 mL |
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