Summary
En protokol til at generere humane primære endometriale organoider, der består af epiteliale og stromale celler og bevarer karakteristika af det indfødte endometrievæv præsenteres. Denne protokol beskriver metoder fra erhvervelse af uterin væv til histologisk behandling af endometriale organoider.
Abstract
Den menneskelige endometriet er en af de mest hormonelt lydhør væv i kroppen og er afgørende for etablering af graviditet. Dette væv kan også blive syg og forårsage sygelighed og endda død. Model systemer til undersøgelse af menneskets endometriebiologi har været begrænset til in vitro-kultur systemer af enkelt celletyper. Hertil kommer, at epiteliale celler, en af de store celletyper af endometrium, ikke udbrede godt eller bevare deres fysiologiske træk i kulturen, og dermed vores forståelse af endometriecancer biologi fortsat begrænset. Vi har for første gang genereret endometriale organoider, der består af både epiteliale og stromale celler i den menneskelige endometrium. Disse organoider kræver ikke nogen eksogene stilladser materialer og specifikt organisere, således at epiteliale celler omfatter spheroid-lignende struktur og blive polariseret med stromale celler i midten, der producerer og udskiller kollagen. Østrogen, progesteron og androgenreceptorer er udtrykt i epitelial og stromale celler og behandling med fysiologiske niveauer af østrogen og testosteron fremme organiseringen af organoider. Dette nye model system kan bruges til at studere normal endometriecancer biologi og sygdom på måder, der ikke var muligt før.
Introduction
Den menneskelige endometriet linjer livmoderhulen og fungerer som den første kontakt for embryonet under implantation. Endometriet består af luminale og glandulære epiteliale celler, støttende stromale fibroblaster, endotelceller og immunceller. Sammen, disse celletyper udgør den endometriale væv, som er en af de mest lydhør væv til sex steroid hormoner1. De ændringer, der opstår under hver menstruationscyklus er slående. Passende vækst og Remodeling af endometriet er nødvendig for at gøre det muligt for embryo implantation at forekomme. Afvigende respons på østrogen og progesteron kan resultere i en refraktær endometriet, der ikke giver mulighed for en vellykket etablering af graviditet og kan endda resultere i sygdomme, herunder endometriecancer neoplasi.
For at studere hormon respons og væsentlige ændringer, der opstår i endometriet, celler fra endometriale væv exciseret fra patienter under kirurgi eller endometriecancer biopsi er blevet formeret i cellekultur. Endometriale stromale celler fortrinsvis formere sig og udbrede let, og processen med differentiering induceret af progesteron kan rekapitulere in vitro. Som et resultat, meget er blevet lært i løbet af denne differentiering proces, kaldet decidualization2,3. Den anden store celletype i endometriet, luminale og glandulære epiteliale celler, dog ikke vokser godt som traditionelle monolayers, mister polaritet, bliver senescent, og har begrænset proliferativ potentiale. Som et resultat, mindre er kendt af deres biologi og deres rolle i den menneskelige endometrium. Da mange neoplasi stammer fra epitelialcellerne, er mekanismerne i forbindelse med hyperplasi eller omdannelse til kræftceller stadig fuldt definerede. Endvidere, undersøgelser har fastslået, at hormon respons involverer de intime paracrine handlinger mellem epiteliale og stromale celler i endometriet4,5.
For nylig blev en tredimensionel (3D) organoid kultur af endometriale epitelceller etableret af to uafhængige grupper6,7, som er de første rapporter af organoider dannet af endometriale væv. Disse organoider bestod af endometriale epiteliale celler indlejret i en protein matrix (tabel over materialer) og omfattede ikke et vigtigt hormonelt responsivt rum af endometriecancer endometrium, stromale fibroblaster. Da matrix proteinerne kan variere fra lot til Lot og kan udløse signalerings veje, der ikke nødvendigvis forekommer i vævet, ville det være ideelt at udskifte matrix proteinerne med komponenterne i endometriet. I den nuværende undersøgelse, en protokol til at generere stilladset-fri humane endometriale organoider af epitelial og stromale celler i den menneskelige endometriet er præsenteret. Tilstedeværelsen af stromale celler ikke kun giver støtte til epiteliale celler, men også giver de nødvendige paracrine handlinger, der er blevet etableret for at være vigtige for endometriale hormon respons4,8,9 .
Den nye multicellulære endometriale organoid tilbyder et model system af endometriet, der er enkel at generere, og som inkorporerer både epiteliale og stromale celler. Disse organoider kan bruges til at studere langsigtede hormonelle forandringer og tidlige hændelser af sygdom som tumor på grund af hormonel ubalance eller eksogene fornærmelser. Kompleksiteten af disse organoider kunne i sidste ende udvides til at omfatte andre celletyper, herunder endotelog immunceller med muligvis myometriale celler til virkelig efterligne humant væv fysiologi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Endometriale prøver blev indsamlet fra præmenopausale kvinder, der gennemgår rutinemæssig hysterektomi for godartede livmoder sygdomme på Northwestern University Prlokke kvinders Hospital, i henhold til en institutionel revision Board-godkendt protokol. Der blev indhentet skriftligt samtykke fra alle kvinder, som indgik i undersøgelsen.
1. fremstilling af Agopstået skimmelsvampe
- Før celle isolation påbegyndes, støbt og ækvibrere 1,5% agopstået mikro forme (tabel over materialer) til at huse organoider i henhold til producentens anvisninger.
2. generering af Endometriale Organoider
- Høst primære stromale og epiteliale celler
- I et biosikkerheds kabinet ved hjælp af aseptisk teknik, Forbered enzym opløsning (2,5 mg/mL kollagenase type I + 0,1 mg/mL DNase i i 10 mL dispase [500 enheder]) ved 37 °C, og steril-Filtrer opløsningen ved hjælp af et 0,2 μm sprøjte filter i et 15 mL konisk rør.
- I en biosikkerhed kabinet ved hjælp af aseptisk teknik, skrabe endometriet fra livmoder biopsier og hakkvæv under hætte i meget små stykker med en skalpel.
Bemærk: Endometriale væv, der er mindst 20 mm x 10 mm x 1 mm er nødvendig for at generere et tilstrækkeligt antal organoider. - Sæt frisk hakket væv i enzymopløsningen i et 15 mL konisk rør. Luk hætten og wrap toppen med en voks film (tabel over materialer) for at forhindre kontaminering.
- Sæt røret med væv i et vandbad eller en inkubator ved 37 °C i 30 minutter med blid omrystning (80 − 100 rpm).
- Stak en 100 μm cellefilter på toppen af en 20 μm celle sien på et 50 mL konisk rør. Opløsningen filtreres gennem de to Strainer, hvorefter det 15 mL koniske rør skylles med 10 mL Hank's afbalancerede saltopløsning (HBSS; Tabel over materialer) og sæt vask gennem si for at sikre, at alle celler er indsamlet.
Bemærk: Gennemstrømnings væsken indeholder stromale celler og røde blodlegemer (~ 20 mL i alt). Epiteliale celler opsamles på 20 μm-Strainer. Klumper af ufordøjet væv forbliver på toppen af 100 μm-Strainer. Ufordøjet væv kasseres i en beholder til biologisk farligt affald. - Vend 20 μm-celle sien fra trin 2.1.5 på et nyt 50 mL konisk rør og vask epitelcellerne væk fra sien med 20 mL organoid-medier (tabel over materialer) suppleret med 1% pen/STREP.
- De koniske rør centrifugeres fra trin 2.1.5 og 2.1.6 til 500 x g i 5 minutter.
- Med de indsamlede stromale celler, fjerne supernatanten og resuspendere pellet med 10 mL røde blodlegemer lyse buffer. Inkuber ved 37 °C i 10 − 15 min. centrifuger det koniske rør ved 500 x g i 5 minutter, Fjern supernatanten, og Genoptag pellet med 200 − 300 μl organoid-medier (Se trin 2.2.2 for yderligere anvisninger).
- Med de indsamlede epitelceller fjernes supernatanten og gensuspenderes med 100 μL organoid-medier (Se trin 2.2.2 for yderligere anvisninger).
- Såning celler
- Efter ligevægt i 1,5% agopstået forme i brønde (1 skimmelsvamp pr brønd) af en 24-brønd plade, fjerne organoid medier på yderside af agerede forme og vippe vævskultur pladen, således at mediet fra cellen såning kammer af agerede retter kan også være forsigtigt fjernet.
- Se epitel (fra trin 2.1.9) og stromale (fra trin 2.1.8) celle suspensioner under mikroskopet. Tilsæt mere organoid medier til enten epitelial eller stromale celle suspensioner 100 μL ad gangen, således at Suspensionerne er nogenlunde lige i tæthed.
Bemærk: Epiteliale celler vil klumpe sammen, og det er ikke tilrådeligt at fordøje/trypsinisere epiteliale celler i enkelt celle suspensioner. - Kombiner 1 del af stromale celler med 3 dele af epiteliale celler efter volumen.
- Pipetten 50 μL (60.000 celler) af den kombinerede cellesuspension ind i celle såningen kammer af agopstået skimmel.
- Når de agopstået forme er fyldt med celler, tilsæt forsigtigt 400 μL friske organoid medier i brønden af 24-brønden.
Bemærk: Mediet når lige under overfladen af de agopstået retter og vil ikke få cellerne til at flyde ud af forme. Efter 2 − 3 dage, cellerne vil bosætte sig og begynde at danne organoider. - Skift medium hver anden dag med 500 μL organoid-medier.
- Efter 2-3 dage, ændre medium til en, der er suppleret med 0,1 nM estradiol (E) og 0,8 nM testosteron (T) at fremme organiseringen af epitelial og stromale celler.
Bemærk: Selv om organiseringen af epitelial og stromale celler kan forekomme med eller uden hormoner, flere organoider vil organisere i nærværelse af hormoner.
3. høst af Endometriale Organoider til forsøg
Bemærk: Efter forsøget er udført, kan endometriale organoider behandles for histologi eller RNA-analyse. Følgende trin beskriver, hvordan organoiderne behandles.
-
Histologi
- 1,5% agopstået i fosfat-bufferet saltvand (PBS) ved kogning. Lad væsken agopstod for at køle af til ca. 50 °C.
- Under en dissekere mikroskop, vippe 24-brønden plade og forsigtigt pipettere ud af mediet fra yder-af agopstået skimmelsvamp. Pipetten forsigtigt ud af mediet fra det indvendige af agopstået skimmel for at undgå at forstyrre organoiderne.
- Under et dissekeret mikroskop pipetter forsigtigt 70-75 μL varm (50 °C) 1,5% agopstået ind i kammeret på den agrejste skål. Vær omhyggelig med ikke at forstyrre organoider.
- Lad afkøles ved 4 °C i 5 min.
- Tilsæt 4% PARAFORMALDEHYD (PFA) i hver brønd af 24-brønd pladen og fastgør hele den forseglede agantet skimmel indeholdende organoider natten over ved 4 °C. Derefter opbevares i 70% ethanol ved 4 °C, indtil klar til behandling for paraffin indlejring.
-
RNA-isolation
- Under en dissekere mikroskop, vippe 24-brønden plade og forsigtigt pipettere ud mediet fra kammeret af agopstået skimmelsvamp.
- Pipetter kraftigt 1 mL frisk organoid medium direkte ind i den agopstået skimmel, så organoiderne skylles ud af mikrobrøndene. Vær omhyggelig med ikke at skabe for mange bobler.
- Gentag pipette ringen igen med det samme medium fra trin 3.2.2.
- Saml alle de medium, der indeholder organoider. Centrifugeres ved maksimal hastighed for at indsamle organoider og fortsætte til RNA-ekstraktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En skematisk af protokollen er afbildet i figur 1. Uterin væv blev opnået fra kirurgi, efter at det blev undersøgt af patologer. Endometriecancer foring blev adskilt fra myometrium ved skrabning og endometrievævet blev enzymatisk fordøjet til celler som skitseret i protokollen. Epiteliale og stromale celler blev tilsat til mikrobrønde i de agopstået forme. Efter 7 dage i kulturen blev organoider behandlet med E og T i yderligere 7 − 14 dage.
Til histologisk behandling blev de agantet forme indeholdende endometriale organoider forseglet med agopstået efterfulgt af fiksering med 4% PFA natten over. Disse forme blev forarbejdet til standard paraffin indlejring, sektioneret og plettet for histologi, immunofluorescens eller Immunhistokemi. Hematoxylinlegemer og eosin (H & E) farvning (figur 2A) afslørede en spheroid-lignende struktur med et enkelt lag af celler foring yder-og celler i midten. Celle specifikke markører for endometriecepitel (E-cadherin) og stromale celler (vimentin) afslørede epiteliale celler omkring organoid med stromale celler i midten (figur 2B).
Markører for endometriale fysiologi bekræftet, at endometriale organoider bevaret visse egenskaber af det indfødte væv. Trikrom farvning, som pletter kollagen blå og celler rød, viste tilstedeværelsen af kollagen i centrum, hvor stromale celler opholdt sig, demonstrerer aktiv produktion og sekretion af kollagen af stromale celler svarende til det indfødte væv (figur 3 A). Desuden afslørede immun Histokemisk farvning tilstedeværelsen af østrogenreceptorer (ER), androgenreceptorer (AR), og progesteron receptorer (PR) i både epitelial og stromale celler (figur 3B).
Figur 1: generation af stilladset-fri 3D endometriale organoider fra humane primære endometriale celler. Uterin væv blev opnået fra præmenopausale endometriale væv med godartet patologi og endometriecancer foring blev fjernet fra vævs stykket. Ved enzymatisk fordøjelse blev endometrieepiteliale og stromale celler seedet i 1,5% agopstået forme ved et 3:1-forhold i volumen og vedligeholdt i kønshormon-fri medium i op til 7 dage. Estradiol (E) og testosteron (T) blev føjet til 3D-kulturer til at efterligne niveauerne af E og T under follikulært fase af en menstruationscyklus10 og for at fremme organiseringen af organoider. Tilpasset fra Teerawat et al., Jcem, (2019)11.
Figur 2: histologi og immunfluorescent farvning af celle specifikke markører på endometriale organoider. Organoider blev observeret efter 14 dage med trinvis hormonbehandling, der efterlignede follikulært fase af en normal menstruationscyklus (0,1 nM E og 0,8 nM T i 7 dage, 1 nM E og 0,8 nM T i yderligere 6 dage, efterfulgt af 1 nM E og 1,25 nM T for 1 dag). A) H & E farvning blev udført på paraffin indlejrede organoider. (B) celle specifikke markører blev vurderet ved immunfluorescent farvning af E-cadherin (epitelial, rød), vimentin (Stromal, grøn) og 4 ′, 6-diamidino-2-phenylindol (dapi; Nucleus, blå), som afslørede strukturel organisering af cellerne i organoider. Skala bjælke = 20 μm. tilpasset fra Teerawat et al., Jcem, (2019) <11. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: endometriale organoider udviser karakteristika af indfødte væv efter 14 dages follikulært fase hormonbehandling. (A) trikrom farvning blev gjort for at visualisere kollagen (blå) og celler (rød). Trikrom plet blev udført på endometriecvæv (venstre panel) og endometriale organoider (skala stænger = 20 μm, højre panel). (B) immun Histokemisk farvning for er, ar og pr blev udført i endometrievæv (Scale bar = 100 μm bundpaneler) og endometriale organoider (Scale bar = 20 μm, toppaneler). Positiv plet er vist i brun og hematoxylinlegemer bejdsning opløsning blev tilføjet som tælleren Pletvist i blåt. Tilpasset fra Teerawat et al., Jcem, (2019)11. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har genereret humane endometriale organoider bestående af epiteliale og stromale celler i endometriet uden brug af eksogene stilladset materialer. Selv om det allerede er blevet påvist, at primære endometriale epitelceller kan danne organoider6,7, disse celler blev indlejret i en gelatinøse matrix af proteiner udskillet af mus sarkom celler (Se tabel over materialer) for at hjælpe form spheroid-lignende strukturer. Desuden var endometriale stromale celler fraværende. Vi spekulerer på, at stromale celler i vores system, som er en væsentlig støttende komponent i endometriecvæv, forudsat stilladset for epiteliale celler til at overholde og paracrine signalering opstod mellem celletyper. Organiseringen af epiteliale celler omkring stromale celler indikerede en aktiv interaktion mellem de to celletyper, som gav de fysiologiske signaler. Som hormonel respons af endometriet er afhængig af paracrine interaktioner mellem epitelial og stromale celler4,8,9, vores flercellede organoider giver en alternativ, mere kompleks efterligner den indfødte Væv.
De organoider, der blev genereret her, var for det meste somatiske celler, selv om en lille procentdel af cellerne var Stem-lignende. Vi har endnu ikke urerne disse organoider for flere generationer og ved ikke, om de ville overleve og udbrede. Desuden er endometriale organoider heterogene i naturen, idet ikke alle organoider indeholdt det samme antal epiteliale, stromale eller stamceller, selv dem, der stammer fra samme væv. Størrelser af organoider også afveg, og mens de fleste celler dannede sfæide som strukturer, løse celler inden for hver strips med mikrobrønde blev observeret. Tilstedeværelsen af E og T syntes at fremme organoid dannelse med den specifikke organisation af epiteliale celler foring de udvendige og stromale celler i midten. Vi har ikke testet, om E eller T alene ville fremme organoid dannelse og hvad den optimale varighed af behandlingen ville være. Yderligere test af parametre og betingelser ville være gavnligt at generere de ideelle endometriale organoider egnet til det planlagte eksperiment.
Medium er en vigtig bestanddel af dyrkning af organoider for at fremme vækst og overlevelse. Fra vores erfaring i at arbejde med endometriale celler, vækst af epiteliale celler i kultur er den mest udfordrende i modsætning til stromale celler, som udbreder godt. Forskellige medier blev testet, herunder organoid medier valg (tabel over materialer), som bruges til at generere mammokugler og tumorspheres af brystkræft, som er af epitelial oprindelse. Vores tests afslørede, at dette medium tillod organoider at opretholde deres strukturelle integritet og levedygtighed i løbet af 14 − 28 dag kulturer. Virkningen af dette medium på stromale celler, dog, behov for yderligere undersøgelse. På trods af deres overlevelse og produktion af kollagen i organoid medierne, var den spredningshastighed observeret i 3D-kulturen meget mindre end i monolayers. Den nedsatte spredning kan dog skyldes 3D-strukturen også. Da de anvendte organoid-medier er kommercielt tilgængelige, er medium komponenter fortsat uklare på grund af dets proprietære karakter.
I fremtidige undersøgelser, vi forestiller øge kompleksiteten af disse endometriale organoider til at indarbejde andre celletyper findes i endometriet, herunder endotelog immunceller. Dette er blot begyndelsen på ingeniørarbejde en komplet endometriecancer efterligne, der kan bruges til at studere biologi, funktion, sygdom, og til at teste narkotika.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev finansieret af NIEHS/NIH/NCATS UG3 Grant (ES029073) og Northwestern Feinberg School of Medicine Bridge Fund (JJK). Vi vil gerne anerkende den nordvestlige patologi kerne facilitet til behandling af de faste organoider for paraffin indlejring. Vi vil gerne anerkende hele UG3-teamet, herunder Woodruff, Burdette og Urbanek Labs, for de indsigtsfulde diskussioner og samarbejder.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Agarose HS, molecular biology grade | Denville Scientific | CA3510-6 | |
| Agarose molds | Sigma-Aldrich | Z764043 | (https://www.microtissues.com/) |
| Ammonium chloride (NH4Cl) | Amresco | 0621 | |
| β-Estradiol | Sigma-Aldrich | E2257 | |
| Collagenase, Type II, powder | Thermo Fisher Scientific | 17101015 | |
| Dispase | Corning | 354235 | |
| DNase I | Sigma-Aldrich | D4513 | |
| EDTA | Fisher Scientific | BP120-1 | |
| Eosin Stain | VWR | 95057-848 | |
| Estrogen Receptor (SP1), rabbit monoclonal antibody | Thermo Fisher Scientific | RM-9101-S | |
| Fluoroshield with DAPI, histology mounting medium | Sigma-Aldrich | F6057 | |
| Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) | Corning | 21-022-CV | 1x without calcium, magnesium, and phenol red |
| Hematoxylin Stain Solution | Thermo Fisher Scientific | 3530-32 | Modified Harris formulation, mercury free |
| Heparin solution | STEMCELL Technologies | 07980 | added to MammoCult media |
| Hydrocortisone stock solution | STEMCELL Technologies | 07925 | added to MammoCult media |
| Organoid media - Mammocult | STEMCELL Technologies | 05620 | supplemented with 2 µL/mL heparin and 5 µL/mL hydrocortisone |
| Paraformaldehyde, 16% solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
| Phosphate buffered saline, pH 7.4 | Sigma-Aldrich | P3813 | |
| Progesterone Receptor, PgR 1294, unconjugated, culture supernatant | Agilent Technologies | M356801-2 | |
| protein matrix - Matrigel | BD Biosciences | 356231 | |
| Purified mouse anti-E-cadherin antibody | BD Biociences | 610181 | Clone 36 |
| Recombinant anti-vimentin antibody [EPR3776] | Abcam | ab92547 | |
| RNA lysis and isolation kit | Zymo Research | R2060 | |
| Sodium bicarbonate (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S6014 | |
| Testosterone | Sigma-Aldrich | 86500 | |
| Trichrome Stain | Abcam | ab150686 | |
| Wax film - Parafilm | VWR | 52858-000 |
References
- Henriet, P., Gaide Chevronnay, H. P., Marbaix, E. The endocrine and paracrine control of menstruation. Molecular and Cellular Endocrinology. 358 (2), 197-207 (2012).
- Gellersen, B., Brosens, I. A., Brosens, J. J. Decidualization of the human endometrium: mechanisms, functions, and clinical perspectives. Seminars in Reproductive Medicine. 25 (6), 445-453 (2007).
- Gellersen, B., Brosens, J. J. Cyclic decidualization of the human endometrium in reproductive health and failure. Endocrine Reviews. 35 (6), 851-905 (2014).
- Li, Q., et al. The antiproliferative action of progesterone in uterine epithelium is mediated by Hand2. Science. 331 (6019), 912-916 (2011).
- Wetendorf, M., DeMayo, F. J. The progesterone receptor regulates implantation, decidualization, and glandular development via a complex paracrine signaling network. Molecular and Cellular Endocrinology. 357 (1-2), 108-118 (2012).
- Boretto, M., et al. Development of organoids from mouse and human endometrium showing endometrial epithelium physiology and long-term expandability. Development. 144 (10), 1775-1786 (2017).
- Turco, M. Y., et al. Long-term, hormone-responsive organoid cultures of human endometrium in a chemically defined medium. Nature Cell Biology. 19 (5), 568-577 (2017).
- Kurita, T., et al. Stromal progesterone receptors mediate the inhibitory effects of progesterone on estrogen-induced uterine epithelial cell deoxyribonucleic acid synthesis. Endocrinology. 139 (11), 4708-4713 (1998).
- Kim, J. J., Kurita, T., Bulun, S. E. Progesterone action in endometrial cancer, endometriosis, uterine fibroids, and breast cancer. Endocrine Reviews. 34 (1), 130-162 (2013).
- Bui, H. N., et al. Dynamics of serum testosterone during the menstrual cycle evaluated by daily measurements with an ID-LC-MS/MS method and a 2nd generation automated immunoassay. Steroids. 78 (1), 96-101 (2013).
- Wiwatpanit, T., Murphy, A. R., Lu, Z., Urbanek, M., Burdette, J. E., Woodruff, T. K., Kim, J. J. Scaffold-free endometrial organoids respond to excess androgens associated with polycystic ovarian syndrome. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. , (2019).
