Este protocolo descreve um método definido baseado em hidrogel para gerar organoides mamários humanos que recapitulam características-chave da morfogênese mamária em um sistema de cultura tridimensional controlado.
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Artigo de método
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Este protocolo descreve um método definido baseado em hidrogel para gerar organoides mamários humanos que recapitulam características-chave da morfogênese mamária em um sistema de cultura tridimensional controlado.
O desenvolvimento de sistemas modelos humanos fisiologicamente relevantes que recapitulam a arquitetura dos tecidos e a dinâmica do estado celular continua sendo um grande desafio no estudo do desenvolvimento mamário e dos primeiros eventos na carcinogênese. Culturas bidimensionais convencionais e muitos sistemas tridimensionais não capturam a organização estrutural e os sinais microambientais que definem a glândula mamária humana. Aqui, descrevemos um método reprodutível para gerar organoides mamários humanos tridimensionais a partir de células epiteliais primárias embutidas em uma matriz de hidrogel definida composta por colágeno tipo I, laminina, fibronectina e ácido hialurônico. Esse sistema apoia a progressão de células individuais através de estágios-chave da morfogênese mamária, incluindo a expansão dos progenitores, o padrão epitelial e a formação de estruturas semelhantes a unidades lobulares ductais terminais, bem como o surgimento de um compartimento semelhante a mesênquima, ao longo de um período de cultivo de 21 dias. Fornecemos um protocolo passo a passo para preparação de hidrogel, semeadura celular e condições de cultura. O método é compatível com imagens de alto conteúdo e análise quantitativa do número de organoides, distribuição de tamanho e complexidade arquitetônica. Essa plataforma possibilita estudos mecanicistas da plasticidade epitelial e perturbações ambientais, fornecendo um sistema escalável e biologicamente relevante para investigar alterações precoces nos níveis de tecido associadas ao risco de câncer de mama.
Compreender o desenvolvimento das glândulas mamárias humanas e os eventos iniciais que predispõem o tecido à transformação maligna requer sistemas experimentais que recapitulem fielmente a arquitetura tecidual, a hierarquia celular e a sinalização microambiental. Embora culturas epiteliais bidimensionais tenham fornecido importantes insights mecanicistas, elas carecem do contexto estrutural necessário para modelar a organização epitelial e amorfogênese 1. Os sistemas de cultura tridimensional existentes, incluindo aqueles baseados em extratos de membrana basal, avançaram o campo, mas permanecem limitados pela composição variável, controle incompleto sobre componentes da matriz extracelular e suporte inconsistente à arquitetura tecidual de ordemsuperior 1. Além disso, muitos sistemas organoides baseados em extratos de membrana basal são limitados pela incapacidade de suportar consistentemente o surgimento de uma organização semelhante a tecido1. Em particular, muitos sistemas dependem de componentes estromais exógenos em vez de permitir o desenvolvimento endógeno de microambientes de suporte, limitando assim sua capacidade de modelar interações epitelial–mesenquimatosas que são centrais para o desenvolvimento e doenças dos tecidos. Essas limitações restringem o estudo reprodutível dos processos de desenvolvimento, da plasticidade epitelial e dos efeitos de perturbações ambientais ou moleculares na organização dos tecidos.
Para enfrentar essas limitações, desenvolvemos um modelo tridimensional definido de organoide humano da mama à base de hidrogel, que permite que células epiteliais primárias gerem estruturas organizadas dentro de uma matriz extracelulardefinida 2,3,4,5,8. O hidrogel consiste em colágeno tipo I, laminina, fibronectina e ácido hialurônico, componentes selecionados com base em seus papéis estabelecidos no desenvolvimento das glândulas mamárias e na morfogênese epitelial. Essas moléculas da matriz extracelular envolvem receptores celulares distintos, incluindo integrinas, receptores do domínio discoidinal, CD44 e RHAMM, e são conhecidas por regular a polaridade epitelial, morfogênese ramificada, manutenção de células-tronco, mecanotransdução e organização dos tecidos na glândulamamária 6,7. Estudos anteriores que descreveram esse sistema de hidrogel demonstraram que a incorporação desses componentes da matriz extracelular melhorou significativamente a morfogênese ductal-lobular e a maturação epitelial em comparação com condições baseadas apenas em colágeno ou baseadas emMatrigel 3,8. Além disso, as propriedades físicas dessa formulação de hidrogel foram previamente caracterizadas por microscopia de força atômica, demonstrando que o hidrogel composto de matriz extracelular exibia menor rigidez e aumento do inchaço em relação aos géis apenas de colágeno (módulo de Young: 256,7 ± 20,0 Pa versus 559,2 ± 204,0 Pa, respectivamente), consistente com um ambiente de matriz mais macio ehidratado 8.
Importante destacar que esse modelo apoia o surgimento de um compartimento semelhante a mesênquima que surge ao lado das estruturas epiteliais, fornecendo suporte estrutural e de sinalização endógeno que reflete mais de perto a organização dos tecidosnativos 3. A relevância fisiológica desse sistema de hidrogel foi avaliada por meio de comparações diretas com culturas organoides convencionais baseadas em Matrigel, utilizando análises morfológicas e transcriptômicas. Estudos anteriores demonstraram que culturas de hidrogel suportavam a formação de tecido ductal-lobular mais organizada e a diferenciação multilinhagem do que as culturas baseadas em Matrigel, ao mesmo tempo em que preservavam a respostahormonal 8. Mais recentemente, análises integradas de sequenciamento de RNA unicelular comparando organoides derivados de hidrogel, organoides cultivados em Matrigel e tecido mamário humano primário demonstraram que organoides cultivados em hidrogel recapitulam de forma mais fiel a hierarquia epitelial, a diversidade celular e as interações epitelial-mesenquimal presentes no tecido mamário humanonativo 3. Em contraste, organoides cultivados em Matrigel foram enriquecidos para estados basais híbridos proliferativos e careceram de populações semelhantes a estromas, consistentes com auto-montagem epitelial em vez de organogênese dirigida.
O protocolo descrito aqui fornece um método reprodutível e escalável para gerar organoides a partir do tecido humano primário, com etapas opcionais para depleção e dissociação de fibroblastos em células individuais. Como essa plataforma é compatível com imagens ao vivo, imagens de alto conteúdo, análise morfométrica quantitativa, rastreamento celular e estudos de perturbação genética, ela pode ser integrada a abordagens posteriores que avaliam número de organoides, tamanho, arquitetura e dinâmicas de crescimento. Portanto, essa plataforma fornece um sistema biologicamente relevante para estudar o desenvolvimento mamário humano, plasticidade epitelial, interações epitelial-microambiente e respostas em nível tecidal a perturbações do desenvolvimento, moleculares ou ambientais.
Uma visão geral esquemática do fluxo de trabalho, incluindo processamento de tecidos, preparação de hidrogel, cultura de organoides, progressão do desenvolvimento e análises a jusante, é apresentada na Figura 1, enquanto morfologias representativas de organoides geradas por esta plataforma são mostradas na Figura 2.

Figura 1. Visão geral do fluxo de trabalho de geração de organoides à base de hidrogel. (A) Fluxograma que resume o fluxo de trabalho do protocolo, incluindo coleta de tecidos, processamento de tecidos, criopreservação, recuperação e preparação celular opcional, preparação de hidrogel, cultura de organoides, desenvolvimento de organoides e aplicações analíticas a jusante. (B) Esquema visual que representa as principais etapas do protocolo de geração de organoides à base de hidrogel, incluindo processamento e preparação de tecidos, recuperação e preparação opcional de células, preparação de hidrogel e semeadura de organoides. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 2. Morfologias organoides representativas geradas no sistema de hidrogel definido. Imagens representativas em campo claro de organoides derivadas de diferentes tecidos humanos cultivados na matriz de hidrogel definida. Organoides mamários gerados a partir de células epiteliais únicas derivadas da mamoplastia de redução foram fotografados no dia 21 de cultura. Organoides de xenoenxertos derivados do paciente gerados a partir de fragmentos tumorais foram fotografados no dia 16 de cultivo. Organoides das glândulas salivares gerados a partir de fragmentos epiteliais foram analisados no terceiro dia de cultivo. Organoides renais gerados a partir de fragmentos epiteliais foram analisados no dia 17 de cultivo. Barras de escala = 50 μm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Tecidos primários que, de outra forma, teriam sido descartados como resíduos médicos após cirurgias foram obtidos em conformidade com todas as leis relevantes, utilizando protocolos aprovados pelos comitês institucionais de revisão do Maine Medical Center e do Tufts Medical Center. Todos os tecidos foram anonimizados antes da transferência e não puderam ser rastreados até pacientes específicos. Por essa razão, essa pesquisa recebeu status de isenção pelo Comitê de Uso de Humanos como Sujeitos Experimentais do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Tufts University Health Sciences (IRB #13521). Todos os pacientes inscritos neste estudo assinaram um formulário de consentimento informado concordando em participar do estudo e com a publicação dos resultados.
1. Processamento e Preparação de Tecidos
NOTA: Realize todos os procedimentos envolvendo tecido humano de acordo com as diretrizes institucionais de biossegurança e éticas. Consulte os esquemas do fluxo de trabalho mostrados nas Figuras 1A e 1B para uma visão visual dos passos do protocolo e do fluxo de trabalho de preparação dos organoides antes de iniciar o procedimento.
2. Recuperação e Preparação Celular Opcional
3. Preparação de hidrogel e semeadura de organoides


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A execução bem-sucedida desse protocolo resulta na formação de estruturas organoides tridimensionais que exibem morfologia epitelial organizada e características arquitetônicas específicas do tecido. Os organoides começam a se formar entre 3 e 7 dias após a semeadura e continuam a se desenvolver durante todo o período de cultura. Caracterizações anteriores desse sistema organoide hidrogel demonstraram formação reprodutível de organoides em múltiplos doadores humanos primários
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O protocolo descrito aqui permite a geração reprodutível de organoides mamários humanos tridimensionais dentro de um microambiente hidrogel definido que apoia características-chave da morfogênesemamária 3. Vários passos são fundamentais para o sucesso desse método. Primeiro, o processamento de tecidos e a dissociação enzimática devem ser cuidadosamente controlados para preservar a viabilidade epitelial enquanto minimizam a superdigestão, o que pode reduzir o rendi...
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C.K. é cofundador e consultor da Naveris.
Agradecemos muito Karla Murga, Daniela Requena e Megan Maloney do Tufts Biomedical Repository pelo suporte tecidual. Essa pesquisa foi apoiada pela Fundação Find The Cause para o Câncer de Mama e pelo Prêmio Tufts CTSI NIH de Ciência Clínica e Translacional (UM1TR0043, G.R.).
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 15 mL conical tubes | VWR | 89039-664 | Tubos estéreis para processamento de tecidos e centrifugação |
| 40 μm cell strainer | VWR | 732-2757 | Dispositivo de filtração para preparação de suspensão de células únicas |
| 40 μm cell strainer for low volumes | Bel-Art | 136800040 | Dispositivo de filtração para preparação de suspensão de células únicas |
| Automated cell counter | Bio-Rad | 1450102 | Dispositivo usado para contar células e determinar a viabilidade |
| Bovine pituitary extract | Thermo Scientific | 13028014 | Suplemento para meio de células epiteliais |
| Cell counting slides | Bio-Rad | 145-0011 | Lâminas de câmara dupla usadas para contagem de células |
| Centrifuge | N/A | N/A | Centrífuga de mesa/s precisa ter pelo menos capacidade de velocidade de 500 x g e acomodação de tubos de 15 mL e 1,5 mL. |
| Collagen I | Millipore Sigma | 08-115 | Proteína da matriz extracelular usada para formação de hidrogel |
| Collagenase A | Sigma-Aldrich | 11088793001 | Enzima usada para dissociação de tecidos |
| Cryovials | Corning | 976171 | Frascos estéreis para armazenamento criogênico de amostras |
| Culture vessels (e.g., chamber slides, multiwell plates) | Corning | 354104 354108 3603 | Plataformas para deposição de hidrogel e cultura de organoides. |
| Dimethyl sulfoxide | Millipore Sigma | 317275 | Crioprotetor usado em meio de congelamento |
| Dispase II | Roche | 4942078001 | Enzima usada para dissociação secundária de tecidos |
| DNase I | Roche | 10104159001 | Enzima usada durante a dissociação celular. |
| Fetal bovine serum | Gibco | 10437 | Suplemento sérico usado em meio de lavagem e neutralização |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F2006 | Componente da proteína da matriz extracelular |
| GlutaMAX | Thermo Scientific | 35050061 | Suplemento para meio de células epiteliais |
| Human epidermal growth factor | Sigma-Aldrich | E9644 | Suplemento para meio de células epiteliais |
| Hydrocortisone | Sigma-Aldrich | H0888 | Suplemento para meio de células epiteliais |
| Hyaluronic acid | Millipore Sigma | 385908 | Componente da matriz extracelular para formulação de hidrogel |
| Hyaluronidase | Sigma-Aldrich | H3506 | Enzima usada para dissociação de tecidos |
| Incubator | Thermo Scientific | 3598 | Dispositivo usado para incubação de cultura de tecidos |
| Insulin | Sigma-Aldrich | I9278 | Suplemento para meio de células epiteliais |
| Laminin | Gibco | 23017-015 | Componente da proteína da matriz extracelular |
| Mammary epithelial basal medium | Thermo Scientific | M171500 | Meio de crescimento para células epiteliais |
| Microcentrifuge tubes (1.5 mL) | Thermo Scientific | 3451 | Tubos usados para reações de pequeno volume |
| Orbital rotator | Thermo Scientific | 400110 | Rotador usado para dispersão de tecidos durante a dissociação enzimática |
| P1000 pipette | Gilson | P1000 | Dispositivo usado para misturar e transferir volumes de até 1.000 μL |
| Penicillin-streptomycin | Thermo Scientific | 15140122 | Suplemento antibiótico para meio de células epiteliais |
| Phosphate-buffered saline | Gibco | 20012-027 | Solução tamponada com fosfato usada para lavagem e enxágue |
| Precision balance | Mettler Toledo | ML303E | Balança usada para pesagem de tecidos |
| Serological pipette | Nunc | 170356N | Pipeta usada para colher células epiteliais não aderentes |
| Sodium hydroxide (1 N) | Fisher Chemical | SS261 | Reagente usado para neutralização de colágeno |
| Sterile scalpels | Bard-Parker | 372615 | Ferramentas usadas para picar mecanicamente tecidos |
| Trypan blue solution | Gibco | 15250061 | Corante usado para avaliação da viabilidade celular |
| Trypsin (0.25%) | Gibco | 25200056 | Reagente enzimático usado para dissociação celular |
| Water bath (37 °C) | VWR | 10LA | Dispositivo usado para descongelamento controlado de amostras |
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