Будущее клеточных исследований и терапии лежит в 3D клеточных культурах 1,2,3. Органоидные и сфероидные модели сокращают разрыв между экспериментами in vitro и моделями на животных, создавая лучшие модели, которые имитируют развитие человеческого тела, физиологию и болезни 4,5,6,7,8,9. Однако воспроизводимость и повторяемость этих моделей остаются сложными. Кроме того, обработка, сбор, перенос и центрифугирование этих структур с помощью современных технологий приводит к потере или повреждению органоидов и сфероидов во многих условиях, что значительно влияет на результаты.
Несмотря на множество протоколов гистологического окрашивания, иммуногистохимического окрашивания, иммунофлуоресцентной маркировки и криоконсервации, не существует универсального подхода, связанного со стандартизацией экспериментальных условий, обработкой и обработкой этих деликатных структур без их потери или повреждения. Современные протоколы также невероятно длинные, чередующиеся от нескольких дней до нескольких недель, и включают в себя сложные процедуры с различными реагентами 10,11,12,13,14. Кроме того, сбор, пипетка, центрифугирование и перенос 3D-растущих структур между сосудами клеточной культуры и криовиалами вызывают изменения в позиционировании структур и механических сил и в конечном итоге влияют на дифференцировку и созревание органоидов и сфероидов. Сообщалось, что топология тканей, позиционирование клеток и механические силы значительно влияют на дифференцировку и созревание клеток 6,15,16,17.
Поэтому желательно усовершенствовать современные традиционные технологии получения органоидов и сфероидов со стабильным качеством. Способ/устройство, которое пропустит центрифугирование и другие этапы, описанные выше, и обеспечит материал в единой безопасной среде от начала до конца нескольких процессов, было бы полезно для получения наиболее последовательных и надежных данных. Кроме того, это сократит временные, трудовые и финансовые ограничения.
Многоцелевое устройство (MD), описанное здесь, обеспечивает единую безопасную среду для нескольких процессов органоидов и сфероидов (дополнительный рисунок 1). Это устройство и дополняющие его протоколы исключают этапы сбора, пипетирования, передачи и центрифугирования. Органоиды и сфероиды остаются в своей среде in vitro во время последовательных процессов. Эта среда в основном содержит природные или синтетические компоненты внеклеточного матрикса, такие как коммерчески доступные гидрогели. Другими словами, методы, описанные здесь, позволяют обрабатывать, исследовать и замораживать целый образец органоидов / сфероидов, все еще находясь в капле гидрогеля.
Биосовместимое устройство устойчиво к температурам от 60 °C до -160 °C, что позволяет восстанавливать органоиды/стероиды в резервуаре с жидким азотом при -160 °C или готовить смоляные блоки для электронной микроскопии при 60 °C. Ниша в устройстве была разработана для определения ограниченного пространства для 3D-растущих структур и стимулирования образования сфероидов или органоидов на основе предыдущих исследований 18,19,20,21,22,23. Эта часть устройства прозрачна и содержит специфический пластик, который обеспечивает высокое оптическое качество (показатель преломления: 1,43; значение аббе: 58; толщина: 7,8 мил [0,0078 дюйма или 198 мкм]). Как ниша, так и окружающая «боковая» часть вызывают автофлуоресценцию. Прозрачная ниша в центре имеет площадь 80мм2, в то время как боковая часть составляет 600мм2. Глубина контейнера составляет 15 мм, а толщина – 1,5 мм. Эти особенности, помимо размеров и конструкции прибора, позволяют производить наблюдения под разными типами высокотехнологичных микроскопов и готовить образцы к электронно-микроскопическим исследованиям (рисунок 2). Система закрытия устройства обеспечивает два положения, одно из которых герметично в морозильной камере, а другое позволяет потоку газа в инкубаторе. Анализы пролиферации и цитотоксичности CCK8 демонстрируют аналогичное воздействие на клетки по сравнению с традиционными чашками для клеточной культуры (дополнительный рисунок 2). Тест на исключение синего трипана демонстрирует высокую жизнеспособность клеток (94%) во время клеточной культуры в MD (рисунок 3).
Процессы, которые могут быть выполнены для одного образца в одном устройстве, включают (1) культивирование, (2) гистологическое окрашивание, (3) иммуноокрашивание, включая иммуногистохимическую и иммунофлуоресцентную маркировку, (4) замораживание, (5) оттаивание, (6) исследование под оптическими микроскопами, такими как микроскопы яркого поля, темного поля, флуоресценции, конфокальные микроскопы и микроскопы сверхвысокого разрешения, (7) покрытие и исследование непосредственно под сканирующим электронным микроскопом или (8) подготовку к просвечивающей электронной микроскопии ( Рисунок 2).
Существуют различные методологии для гистологического окрашивания, иммуногистохимической маркировки или флуоресцентной маркировки органоидов и сфероидов 10,11,12,13,14,24,25. Сбор их из гидрогеля является первым и основным этапом современной технологии. После этого этапа некоторые методы позволяют полностью установить иммуномаркировку. Извлеченные органоиды встроены в парафин, разделены и помечены для окрашивания и иммуноокрашения в других. Однако разделы могут не представлять весь образец и предоставлять только ограниченные данные, связанные с 3D-архитектурой структуры. Кроме того, повреждение этих 3D-структур и потеря антигенности являются хорошо известными побочными эффектами этих технологий.
Дополняющие новые протоколы микроскопических исследований в этой статье позволяют анализировать цельномонтные образцы, все еще находящиеся в гидрогеле. Протоколы, описанные здесь, включают два недавно разработанных состава: раствор для иммуногистохимии (S-IHC) и раствор для иммунофлуоресцентной маркировки (S-IF). Методы с этими решениями позволяют исследователям получать более точные данные, поскольку нет вредных последствий традиционных рабочих процессов, таких как центрифугирование, пипетка и перенос деликатных структур. Протокол, описанный здесь, также устраняет необходимость в сборах, блокировании, очистке и извлечении антигенов и сокращает всю процедуру до 6-8 ч. Кроме того, методика позволяет одновременно добавлять от одного до трех антител к одному и тому же S-IF. Таким образом, можно получить результаты в один и тот же день даже после нескольких экспериментов по маркировке, что является еще одним преимуществом протокола, описанного здесь; Традиционные протоколы маркировки иммунофлуоресценции обычно занимают от 3 дней до нескольких недель 10,11,12,13,14.
Встраивание парафина, еще один вредный шаг, снижающий антигенность, также опущено. 3D-структура остается в своей среде in vitro от начала до конца микроскопического исследования. Поскольку 3D-структура остается в условиях выращивания, данные экспрессии и локализации белка лучше имитируют условия in vivo. Ожидаются более точные результаты, поскольку методология исключает этапы, влияющие на экспрессию антигена образца. В таблицах 1 и 2 показано, как эти новые протоколы устраняют этапы, экономят время и трудозатраты в лаборатории, а также снижают затраты и отходы по сравнению с традиционными рабочими процессами.
В дополнение к критическим шагам, описанным выше, другой проблемой является обеспечение криоконсервационной среды и метода сохранения 3D-структуры образца с более высокими показателями жизнеспособности клеток 26,27,28,29,30,31. Криоконсервация необходима для создания стабильной модельной системы и обеспечения биобанкинга органоидов и сфероидов32,33. Биобанкинг всей оригинальной 3D-структуры позволит более точно повторить естественное состояние здоровья или болезни. Ключевыми соображениями являются удобство и надежность криоконсервации и оттаивания органоидов/сфероидов. Восстановление органоидов после оттепели очень низкое в большинстве современных технологий, часто менее 50%. Тем не менее, недавние исследования показали многообещающие результаты с улучшенными показателями выживаемости 26,27,28,29. Lee et al. продемонстрировали, что 78% сфероидных клеток выжили после криоконсервации, когда они использовали раствор Университета Висконсина, содержащий 15% DMSO28. Коэффициент выживаемости клеток увеличился до 83% в исследовании Arai et al.29. Тем не менее, результаты после криоконсервации значительно влияют, поскольку 3D-структуры не могут поддерживать те же характеристики и качество. Кроме того, безсывороточные реагенты необходимы для надлежащей производственной практики в фармацевтических и диагностических учреждениях. Традиционные рабочие процессы используют среду, содержащую фетальную бычью сыворотку (FBS) и диметилсульфоксид (DMSO) для метода медленного замораживания, оба из которых связаны с инвалидностью. FBS является продуктом животного происхождения и может иметь варианты партии. ДМСО является очень успешным криопротектором, но длительное воздействие, особенно во время оттаивания, может вызвать цитотоксические эффекты30,31.
В этой статье также описывается методология замораживания / оттаивания целых органоидов или сфероидов, все еще находящихся в гидрогеле. В исследовании используются две формулы для замораживания органоидов и сфероидов: (1) 10% ДМСО, содержащий традиционный морозильный раствор (ФС) и (2) безкриоконсервационная среда без сыворотки и ДМСО. Эта криоконсервационная среда содержит компоненты внеклеточного матрикса, которые отличаются от современных формул. Внеклеточный матрикс содержит два основных класса макромолекул, протеогликанов и волокнистых белков, которые необходимы для физического формирования каркасов для клеточных компонентов, но также инициируют процессы, необходимые для морфогенеза, дифференцировки и гомеостаза 34,35,36,37,38,39,40 . Коллагены обеспечивают прочность на растяжение, регулируют адгезию клеток, поддерживают хемотаксис и миграцию, а также направляют развитие тканей37. Кроме того, волокна эластина обеспечивают отдачу тканям, которые подвергаются повторному растяжению38. Третий фиброзный белок, фибронектин, направляет организацию интерстициального внеклеточного матрикса и играет решающую роль в опосредовании прикрепления клеток и функционирует как внеклеточный механорегулятор39. Du et al. продемонстрировали криопротекторное действие гидролизата куриного коллагена на естественную модельную систему41 актомиозина. Их результаты показывают, что гидролизат коллагена может ингибировать рост кристаллов льда, уменьшать замораживание-денатурацию и окисление белка аналогично коммерческим криопротекторам и обеспечивать лучшую структуру геля после циклов замораживания-оттаивания. Таким образом, добавление компонентов внеклеточного матрикса в криоконсервационную среду обеспечивает более безопасную и защитную среду для образца и поддерживает заживление живых структур после замораживания-оттаивания.
Кроме того, настоящее исследование описывает простой протокол для маркировки цитоплазматических мембран и ядер живых органоидов и сфероидов, пока они все еще находятся в гидрогеле.