Полученные из ИПСК 3D органоиды печени человека представляют собой потенциальный инструмент для понимания действия гормона щитовидной железы на развитие печени.
Методическая статья
Полученные из ИПСК 3D органоиды печени человека представляют собой потенциальный инструмент для понимания действия гормона щитовидной железы на развитие печени.
Получение стабильных клеток печени в культуре представляет собой значительную проблему для исследований печени. Учитывая это, был представлен оптимизированный метод с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (ИПСК) для получения 3D-культур органоидов печени человека (ГХО). Использование HHO предлагает ценный подход к пониманию развития печени, разгадке заболеваний печени, проведению высокопроизводительных исследований для разработки лекарств и изучению потенциала трансплантации печени. В первом исследовании, с помощью иммунофлюоресценции и количественных методов ОТ-ПЦР, отслеживалось прогрессирование, выявляя присутствие различных клеточных популяций, таких как гепатобласты и два типа клеток, полученных из гепатобластов: холангиоциты или гепатоцитоподобные клетки, на разных стадиях развития. В этом отчете представлен простой 3D-протокол, начиная с ИПСК и заканчивая приобретением HHO, которые отражают стадии развития человеческого эмбриона. Протокол, охватывающий 46-50 дней, включает в себя несколько этапов: (i) тщательное управление культурой hiPSC для получения HHOs, (ii) инициирование дифференцировки клеток в 2D и последующий переход к 3D, и (iii) оптимизированная стратегия диссоциации для расщепления HHO на одиночные клетки для секвенирования РНК одиночных клеток. В качестве иллюстрации широкого применения этого подхода данный протокол ранее применялся для раскрытия роли передачи сигналов гормонов щитовидной железы в развитии клеток печени.
Печень выполняет различные метаболические функции, такие как регулирование доступности легкоусвояемых энергетических субстратов, таких как глюкоза и кетоновые тела, а также детоксикация ксенобиотических соединений. В последние годы наблюдается значительный рост распространенности заболеваний печени, в основном связанных с неалкогольным стеатогепатитом (НАСГ), который при отсутствии лечения может развиться в цирроз или рак1. Поэтому крайне важно понимать метаболические функции печени и связанные с ней заболевания, чтобы способствовать разработке эффективных методов лечения 2,3.
Появление трехмерных (3D) культур привело к созданию модели органоида, представляющей собой революционный и инновационный подход к рассмотрению функциональности и сложности развития органов4. Органоиды определяются как трехмерные самоорганизованные агрегаты дифференцированных клеток, которые имитируют функции и цитоархитегерство соответствующего органа5.
За последние десятилетия мириады протоколов по органоидам печени человека (HHO) приобрели широкий интерес, начиная от использования различных человеческих клеток, полученных из iPSC6, или только гепатоцитоподобныхклеток7, до включения разнообразных сложных микроокружений факторов роста или ингибиторов и дифференцировочных клеток-предшественников в монослое7 или 3D8. Эти подходы позволяют решать множество потенциальных задач, от высокопроизводительного скрининга лекарств9 до получения более глубокого понимания механизмов, лежащих в основе заболеваний печени10.
Здесь выполнен пошаговый протокол дифференцировки HHO на основе химических сигналов, упомянутых11 , с методологически адаптированными вариациями. Этот протокол начинается с надлежащей обработки и культивирования индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSC), подробно описывая методы манипуляций с гелем внеклеточного матрикса, пассирования клеток и дифференцировки в HHO. Процесс начинается со стимуляции дифференцировки ИПСК в дефинитивную энтодерму (ДЭ)12 и последующего имитации in vivo эффектов FGF и BMP для содействия развитию монослойных клеток задней передней кишки (ПФГ)13. 3D-архитектура достигается на 10-й день, когда клетки ПФГ дифференцируются в незрелую печеночную фазу, которая станет гепатобластами, фетальными клетками-предшественниками холангиоцитов и гепатоцитов2. Наконец, 3D-структуры диссоциируются на отдельные клетки для исследований секвенирования РНК. В качестве примера применимости данного протокола было продемонстрировано, как данная модель HHO подходит для изучения действия гормонов щитовидной железы и дейодиназы 2 типа (D2) на развитие гепатоцитов и холангиоцитов14.
1. Лечение гипертока крови
ПРИМЕЧАНИЕ: ИПСК (клеточная линия CS03iCTR-n3) были коммерчески закуплены. Надлежащее управление гелевым покрытием внеклеточного матрикса и средой ИПСК является ключом к прикреплению ИПСК к пластинам и их питанию. Здесь были описаны объемы, необходимые для одного 6-луночного планшета. Оставшиеся ИПСК из 6-луночного планшета, которые не будут дифференцироваться в органоиды, могут быть сохранены в жидком азоте для длительного хранения.
2. Пошаговая дифференциация от ИПСК в печеночные органоиды
ПРИМЕЧАНИЕ: Восстановление реагентов было выполнено и соблюдалось в соответствии с рекомендациями производителя.
3. Диссоциация одиночных клеток
Примечание: Этот шаг имеет решающее значение для метода секвенирования РНК одиночных клеток. Количество органоидов может варьироваться в зависимости от размера, и чем старше день диссоциации, тем больше количество клеток в органоидах. В прежние времена количество диссоциированных органоидов увеличивалось, а время диссоциации уменьшалось в равных количествах. Диссоциацию проводили с 10 органоидами в D-14 и D-17, 8 органоидами в D-23 и D-26 и 6 органоидами в D-30 и D-45. Процедуры для одного кластера органоидов подробно описаны (рис. 1F).
Каждый этап этого протокола ступенчатой дифференцировки от ИПСК в ГОК определяли с помощью количественных измерений методом количественной ПЦР и иммунофлюоресценции специфичных для стадий маркеров, известных из библиографии (рис. 2). Пошаговая последовательность обоих методов и достигнутые результаты, связанные с правильной дифференциацией на ОО, были изображены в14. В предыдущем исследовании ИПСК определялись по уровням мРНК POU5F1 (также известного как OCT4) и SOX2, двух хорошо известных факторов Яманаки16, которые снижались с течением времени (рис. 2A). Впоследствии были измерены уровни мРНК маркеров DE11 , таких как OTX2, CER1 и FOXA2, а также маркеров PFG11 HNF4A, CDX2 и TBX3, а также локализованная экспрессия OTX2, HNF4A и TBX3 с помощью иммунофлуоресценции (рис. 2A, B). После 3D продвижения, следить за прогрессированием иммунофлюоресценции альбумина и HNF4a (рисунок 2С); пролиферативный маркер MKI6717 и TBX3, важный в регуляции гепатобласта18 (рисунок 2D), был выполнен из D-18 в D-46. В частности, альбумин колокализован с HNF4a (рисунок 2C); между тем, MKI67 время от времени появлялся на D-46 (рисунок 2D). Кроме того, гепатоцитарные и холангиоцитоподобные клетки были идентифицированы по уровням мРНК и иммунофлуоресценции HNF4A19 и KRT718 в D-46 (рис. 2E).
Объем развивающихся органоидов прогрессивно увеличивался от D-14 к D-38, о чем свидетельствует ~2-кратное увеличение уровней мРНК пролиферативного маркера MKI67 на D-22 по сравнению с D-10. Отсутствие Т4 в среде приводило к повышению уровня мРНК MKI67 на ~20% и ~75% на D-14 и D-18 соответственно по сравнению с 10-м днем (рис. 3А). Чтобы доказать функциональность печеночного органоида, с помощью иммуноферментного анализа были измерены уровни альбумина, аполипопротеина B и A114 , собранных из среды печеночных органоидов. На D-42 и D-46 уровни мРНК ALB оставались значительно выше в T4-HO по сравнению с T3-HO или V-Ho в 3,0 и 2,5 раза соответственно (рис. 3B). С другой стороны, уровни APOB были в ~10 и 3 раза выше (рисунок 3C), а уровни APOA1 были в ~3 раза и ~2 раза выше (рисунок 3D) у D-42 и D-46 соответственно.

Рисунок 1: Стадии дифференцировки от hiPSC к печеночным органоидам. (A) Переходный рост hiPSC (линия CS03iCTR-n3) от 0 ч до 96 ч, достигающий примерно 70%-80% слияния в лунках одного планшета. Масштабная линейка: 125 мкм. (B) Прогрессирование начальной стадии дифференцировки гиПСК в дефинитивную энтодерму (ДЭ), показывающее 100% слияние в предыдущий день (D минус 1) через 24 ч и дифференцировку до D4 (от D-0 до D-4). Масштабная линейка: 300 мкм. (C) Дифференцировка от DE (D-4) в заднюю переднюю кишку (PFG; D-10) с T4 добавлен B26. Масштабная линейка: 300 мкм. (D) Трансформация 2D-PFG в 3D незрелые органоиды печени (IHO) с добавлением T4-B26 из D-10 в виде одиночных клеток до D-18, за исключением D-13. Масштабная линейка: 300 мкм. (E) Поддержание и рост органоидов гепатобластов (ГБО) с добавлением Т4 B26 в D-20, D-22, D-24 и D-26. Масштабная линейка: 300 мкм. (F) Диссоциация HBO в D-26 (~2,5 x 105 клеток в 750 μL; слева) и HO1 в D-30 (~4 x 105 клеток в 750 μL; справа) на одиночные клетки с добавлением T4-B26. На врезке показан квадратный размер камеры Нойбауэра 1 мм, в то время как меньший квадрат имеет размер 250 мкм. Изображения были сделаны в HHO, у которых свободная концентрация Т4, используемая в среде, составляла ~15 пМ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Мониторинг и характеристика дифференциации HHO. (A) Экспрессия уровней мРНК маркеров hiPSC (POU5F1, SOX2), определенной энтодермы (DE; OTX2, CER1, FOXA2) и задней передней кишки (PFG; TBX3, HNF4A, CDX2). (iPSC, n=8; DE и PFG n=7; HNF4A в ПФГ, n=6). (B) Иммунофлюоресценция при hiPSC, DE и PFG OTX2 (вверху, красный), HNF4A (средний, зеленый) и TBX3 (внизу, красный). (C) «Иммунофлюоресценция на D-18, D-26 и D-46 альбумина (красный) и HNF4A (зеленый). (D) Иммунофлюоресценция на D-18, D-26 и D-46 MKI67 (зеленый) и TBX3 (красный). (E) Иммунофлуоресценция на уровне D-46 альбумина (маркер гепатоцитов; красный) и KRT7 (маркер холангиоцитов; зеленый). Ядра показаны с помощью 4',6-диамидино-2-фенилиндола (DAPI). Эта цифра была изменена по сравнению сцифрой 14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Анализ созревания HHO. (A) Относительные уровни мРНК пролиферативного маркера MKI67 в отсутствие TH (черный) по сравнению со свободным T4 при ~15 pM (красный) в среде от D-10 до D-46 (n=4, за исключением T4-HOs при D-42, n=2; и при D-46, n=3). (B) Уровни альбумина измеряли в среде от D-35 до D-50 в трех условиях: отсутствие TH (черный), со свободным T4 при ~15 pM (красный) и свободным T3 при ~10 pM (синий; n=4). (С, Г) Уровни аполипопротеинов B (APOB) и A1 (APOA1) измерялись в среде от D-35 до D-50 в трех условиях: отсутствие TH (черный); и со свободным T4 при ~15 pM (красный). Данные с 10 органоидов на лунку (n=4). Двусторонний t-критерий Стьюдента для сравнения V-HO с T4-HO днями и односторонний ANOVA и тест Тьюки были использованы для множественных сравнений. Данные представляют собой среднее значение дубликатов, представленное в виде выровненных точечных диаграмм и их среднего значения. *: p<0.05; **: p<0.01; : р<0,001; : p<0.0001. Ось x указывает дни дифференцировки. Эта цифра была изменена по сравнению сцифрой 14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Текущий протокол предлагает различные методологические детали того, как работать с гиПСК и последующими 3D-культурами органоидов. Это включает в себя два основных критических этапа: (i) отделение двухмерных культур и последующее их развитие в трехмерные органоиды печени через 10 дней, а также (ii) тонкая диссоциация трехмерной структуры на отдельные клетки. Основываясь на имеющейся информации, это первый отчет о 3D-модели HHO для изучения действия гормонов щитовидной железы, демонстрирующий пиковую экспрессию DIO2 в гепатобластоподобных клетках14 , как это первоначально было идентифицировано у мышей20 печени P1.
Как и во многих других методах, использующих каркасы, наносимые на клетки, гель внеклеточного матрикса был использован для имитации внеклеточного матрикса21, тем самым облегчая сборку в характерную трехмерную структуру органоидов. Термочувствительный характер этого реагента подчеркивает важность манипуляций с ним, сохраняя его замороженным и, во время работы, погруженным в лед. Следовательно, использование другого геля с внеклеточным матриксомвозможно22, хотя в этом протоколе ИПСК не прикреплялись и не пролиферировали в пластине с отсутствием каркаса, что делает его надлежащее управление решающим аспектом в начале протокола, наряду с генерацией трехмерных органоидов.
После завершения дифференцировки ГК жизнеспособная диссоциация органоидов в отдельные клетки представляла собой еще одно серьезное препятствие, которое необходимо было преодолеть, поскольку механические нарушения могут спровоцировать гибель клеток, к тому времени данные секвенирования РНК низкогокачества. Для обеспечения оптимальных результатов настоящий протокол показал, что может быть достигнуто более 70% жизнеспособности одиночных клеток с диссоциацией более 105 клеток до и после фиксации для последующего штрихкодирования.
В отличие от других рукописей, описывающих только один тип клеток в органоидах7, дифференцировка HHO включает по крайней мере две клетки, происходящие из гепатобластов: гепатоциты и холангиоциты. Включение двух реагентов, ответственных за их образование, HFG24 и EGF25, а также дексаметазона26, который способствует созреванию гепатоцитов, и Jagged-118, который активирует передачу сигналов Notch, ведущую к холангиоцитам. Эта переплетенная сигнальная сеть при разработке ОГ позволяет достичь 3D-структуры и мимикрировать эксперименты in vivo, в дополнение к преодолению недостатка снижения дифференцировки долговременных культур первичных гепатоцитов27. Примечательно, что, несмотря на экспрессию типичных для взрослых печеночных маркеров, присутствие фетальных маркеров в поздних фазах органоидов28 все еще может быть обнаружено, как это демонстрирует данный протокол. Это, по сути, отражает нормальное развитие печени у человека, у которого печеночные маркеры плода могут быть в норме обнаружены до 1 годажизни29.
Нечастым явлением, наблюдаемым во время развития ИПСК в ГОО (особенно в незрелые периоды ГО, например, в последние дни ИГО и некоторых ГБО и ГО1), было появление чрезмерно развитых кистозных структур, которые в конечном итоге исчезали, как только пластины помещались на шейкер. Это непропорциональное прогрессирование кистозных структур предполагает наличие некротического ядра к тому времени, необходимость более высокого орошения30 с более частыми изменениями среды или добавление небольших объемов геля внеклеточного матрикса для устранения чрезмерного роста кисты.
В отличие от первоначальной публикации, в которой основное внимание уделялось увеличению числа органоидов в последний период дифференцировки для высокопроизводительного скрининга лекарственныхсредств11, метод, о котором сообщается, представил использование планшетов ULA для содействия раннему образованию 3D-органоидов большого размера и облегчения работы с HHO. Эти корректировки демонстрируют гибкость и широкий спектр исследований, которые могут быть выполнены с помощью этого простого протокола.
Антонио К. Бьянко является консультантом компаний Abbvie, Acella, Aligos, Synthonics. У других авторов нет соответствующих разоблачений.
Эта работа была поддержана Национальным институтом диабета, болезней пищеварительной системы и почек (NIDDK -DK58538, DK65066, DK77148; ACB).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 10 & микро; L Универсальные наконечники для пипеток фильтрованные, низкая арендная плата, предварительно стерильные | VWR | 613-6462 | Все процедуры |
| 1000 & микро; L Универсальные наконечники для пипеток фильтрованные, с низкой арендой, предварительно стерильные | VWR | 613-6470 | Все процедуры |
| 15 мл Полипропиленовая коническая трубка | Falcon (Corning) | 352097 | диссоциация печеночных органоидов |
| 200 &микро; L Универсальные наконечники для пипеток фильтрованные, с низкой арендой, предварительно стерильные | VWR | 613-6465 | Все процедуры |
| 3,3',5-Triiodo-L-thyronine | Sigma | T2877-100 | Дифференцировка печеночных органоидов |
| 40 μ m Сетчатый фильтр | Corning | 431750 | Диссоциация печеночных органоидов |
| 50 мл трубка | Falcon (Corning) | 352070 | Все процедуры |
| 6 лунок Nunc Cell-Culture Processed Multidish | Thermo fisher scientific | 140675 | hiPSC maintenance |
| A83-01 | НИР D Systems | 2939/10 | Дифференцировка печеночных органоидов |
| Advanced DMEM/F12 | Gibco | 12634010 | Дифференцировка печеночных органоидов |
| ART Наконечники для пипеток с широким отверстием и фильтром | ART | 2069GPK | Все процедуры |
| B27 supplement | Gibco | 17504044 | дифференцировка печеночных органоидов |
| BMP7 | НИР D Systems | 354-BP-010/CF | Печеночная органоидная дифференцировка |
| бычьего альбумина фракции V (7,5% раствор) | Gibco | 15260037 | диссоциация органоидов печени |
| BSA, фракция V, жирные кислоты, свободные для культуры тканей | GoldBio | A-421-100 | диссоциация печеночных органоидов |
| CHIR99021 | R& D Systems | 4423/10 | Дифференцировка органоидов |
| печени Corning 96-луночный прозрачный плоский дно Ультранизкое | прикрепление Corning | 3474 | Дифференцировка печеночных органоидов |
| Costar 6-луночный прозрачный плоский дно ультранизкое прикрепление | Corning | 3471 | Дифференцировка органоидов печени |
| CS03iCTR-n3 индуцированная человеком линия плюрипотентных стволовых клеток | Cedar-sinai | hiPSC поддержание | |
| DAPT | R& D Systems | 2634/10 | Дифференцировка органоидов печени |
| dbCAMP | Millipore Sigma | D0627-100MG | Дифференцировка органоидов |
| печени Дексаметазон | R& D Systems | 1126/100 | Печеночная органоидная дифференцировка |
| DMEM/F12 | Gibco | 11320033 | hiPSC поддержание |
| ДНК I, без РНКазы, HC | Thermo Fisher scientific | EN0523 | Диссоциация печеночных органоидов |
| Falcon 10 мл серологический пипет, полистирол, 0,1 шага, индивидуально упакованный, стерильный | рог | 357551 | всех процедур |
| Falcon 5 мл серологический пипет, полистирол, 0,1 шт., индивидуально упакованный, стерильный | корнинг | 357543 | всех процедур |
| Falcon 50 мл серологическая пипетка, полистирол, 1,0 шт., индивидуально упакованный, стерильный | рог | 357550 | Все процедуры |
| Щадящий реагент диссоциации клеток (GCDR) | Stemcell Technologies | 100-0485 | Дифференцировка органоидов печени |
| Глутамакс | добавка Gibco | 35050061 | дифференцировки органоидов |
| печени L-тироксин | Sigma | T1775-1G | Дифференцировка органоидов печени |
| Matrigel hESC-Qualified Matrix, без LDEV, 5 мл | геля Corning | 354277 | внеклеточного матрикса |
| mFreSR | Stemcell Technologies | 5855 | hiPSC криоконсервирующая среда |
| mTeSR 5x Supplement | Stemcell Technologies | 100-0276 | hiPSC medium |
| mTeSR Plus | Stemcell Technologies | 100-0276 | hiPSC средний |
| мультиплатформенный шейкер | Fisherbrand (Thermo Fisher technologies) | 88861021 | добавка N2 для дифференцировки органоидов печени |
| Gibco | 17502048 | дифференцировкой органоидов печени | |
| никотинамид | НИР D Systems | 4106/50 | Печеночная органоидная дифференцировка |
| PBS, pH 7,4 | Gibco | 10010023 | поддержание hiPSC |
| Рекомбинантный человеческий BMP4 | НИР D Systems | 314-BP-010/CF | Рекомбинантная дифференцировка органоидов |
| печени человека EGF | R& D Systems | 236-EG-200 | Печеночная органоидная дифференцировка |
| рекомбинантных человеческих FGF базис/FGF2/bFGF | R& D Systems | 233-FB-010/CF | Рекомбинантная дифференцировка органоидов |
| печени человека FGF19 | R& D Systems | 959-FG-025/CF | Печеночная органоидная дифференцировка |
| рекомбинантных человеческих HGF | R& D Systems | 294-HG-005/CF | дифференцировка органоидов |
| печени человека Jagged-1 Fc Химера | НИР D Systems | 1277-JG-050 | Печеночная органоидная дифференцировка |
| рекомбинантного человека KGF/FGF7 | R& D Systems | 251-KG-010/CF | Печеночная органоидная дифференцировка |
| ReLeSR | Stemcell Technologies | 100-0483 | hiPSC отделяющая |
| среда Ингибитор РНКазы Ambion, клонированный, 40 U/μ L | Invitrogen | AM2682 | диссоциация печеночных органоидов |
| РНКаза Zap | Invitrogen | AM9780 | диссоциация печеночных органоидов |
| Sorvall Legend XT/XF Centrifuge Series | Thermo Fisher Scientific | 75004539 | Все процедуры |
| STEMdiff Definitive Endoderm Kit | Stemcell Technologies | 5110 | Печеночная органоидная дифференцировка |
| Trypan Blue раствор (0,4%) | Gibco | 15250061 | раствор красителя |
| TrypLE Express Enzyme | Gibco | 12604013 | фермент диссоциации клеток |
| Трипсин 0,5% - ЭДТА (10X) | Gibco | 15400054 | диссоциации Органоиды печени |
| Вальпроевая кислота, соль натрия | R& D Systems | 2815/100 | Печеночная органоидная дифференцировка |
| Vari-Mix Platform Rocker | Thermo Fisher научная | M79735Q | диссоциация печеночных органоидов |
| Y-27632 дигидрохлорид | R& D Systems | 1254 | Дифференцировка печеночных органоидов |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение