Summary
Ett protokoll för att generera mänskliga primära endometrieorganoider som består av epitelial och stromaceller och behålla egenskaperna hos den infödda endometrievävnad presenteras. Detta protokoll beskriver metoder från livmoder vävnad förvärv till histologisk behandling av endometrieorganoider.
Abstract
Den mänskliga endometriet är en av de mest hormonellt lyhörd vävnader i kroppen och är avgörande för upprättandet av graviditeten. Denna vävnad kan också bli sjuka och orsaka sjuklighet och till och med döden. Modellsystem för att studera Human endometriebiologi har begränsats till in vitro-kultursystem av enstaka celltyper. Dessutom, de epitelceller, en av de stora celltyper av endometrium, inte propagera väl eller behålla sina fysiologiska egenskaper i kulturen, och därmed vår förståelse av endometriebiologi förblir begränsad. Vi har för första gången genererat endometrieorganoider som består av både epiteliala och stromaceller i det mänskliga endometrium. Dessa organoider inte kräver några exogena byggnadsmaterial och särskilt organisera så att epitelceller omfattar sfäroid-liknande struktur och bli polariserad med stromaceller i centrum som producerar och utsöndrar kollagen. Östrogen, progesteron och androgenreceptorer uttrycks i epitelial och stromacellstumörer celler och behandling med fysiologiska nivåer av östrogen och testosteron främja organisationen av organoider. Detta nya modellsystem kan användas för att studera normal endometriebiologi och sjukdom på ett sätt som inte var möjligt tidigare.
Introduction
Den mänskliga endometriet linjer livmoderhålan och fungerar som den första kontakten för embryot under implantation. Endometriet består av luminala och körtel epitelceller, stödjande stromacellstumörer fibroblaster, endotelceller och immunceller. Tillsammans, dessa celltyper utgör endometrievävnaden som är en av de mest responsiva vävnaderna till könshormonhormoner1. De förändringar som sker under varje menstruationscykeln är slående. Lämplig tillväxt och ombyggnad av endometriet krävs för att möjliggöra embryoimplantation förekomma. Aberrant svar på östrogen och progesteron kan resultera i en refraktär endometriet som inte tillåter för framgångsrik etablering av graviditet och kan även resultera i sjukdomar inklusive endometrieneoplasi.
För att studera hormon svaren och väsentliga förändringar som förekommer i endometrium, celler från endometrievävnader exciderade från patienter under kirurgi eller endometriebiopsi har propagerats i cellkulturen. Endometrial stromaceller celler företrädesvis föröka och propagera lätt, och processen för differentiering induceras av progesteron kan återfått in vitro-. Som ett resultat, mycket har lärt sig under denna differentiering process, kallas decidualization2,3. Den andra stora celltyp i endometrium, den luminala och körtel epitelceller, dock, inte växa bra som traditionella monolayers, förlora polaritet, blir senescent, och har begränsad proliferativ potential. Som ett resultat, mindre är känt av sin biologi och deras roll i det mänskliga endometrium. Så många neoplasi härstammar från epitelceller, mekanismer i samband med hyperplasi eller omvandling till cancerceller återstår att vara fullt definierade. Vidare, studier har fastställt att hormon svar innebär intima parakrin åtgärder mellan epitelial och stromaceller i endometriet4,5.
Nyligen, en tredimensionell (3D) Organoid kultur av endometrieepitelceller inrättades genom två oberoende grupper6,7, som är de första rapporterna av organoider bildas från endometrievävnad. Dessa organoider bestod av endometrieepitelceller inbäddade i en protein matris (tabell över material) och innehöll inte en viktig hormonellt lyhörd fack av endometrieendometriet, den stromacellstumörer fibroblaster. Eftersom Matrix-proteinerna kan variera från Lot till Lot och kan utlösa signalvägar som inte nödvändigtvis förekommer i vävnaden, skulle det vara idealiskt att ersätta Matrix-proteinerna med komponenter i endometrium. I den aktuella studien, ett protokoll för att generera scaffold-fria mänskliga endometrieorganoider av epiteliala och stromaceller i det mänskliga endometriet presenteras. Närvaron av stromaceller inte bara ger stöd för epitelceller utan också ger de nödvändiga parakrin åtgärder som har fastställts för att vara viktiga för endometriehormon svar4,8,9 .
Den nya multicellulära endometrieorganoid erbjuder ett modellsystem av endometriet som är enkel att generera och som innehåller både epitelial och stromaceller. Dessa organoider kan användas för att studera långsiktiga hormonella förändringar och tidiga händelser av sjukdom såsom tumorigenes på grund av hormonell obalans eller EXOGEN förolämpningar. Komplexiteten i dessa organoider kan så småningom utvidgas till att omfatta andra celltyper, inklusive endoteliala och immunceller med möjligen kan celler att verkligen efterlikna människans vävnadfysiologi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Endometrieprover samlades in från premenopausala kvinnor som genomgår rutinmässig hysterektomi för godartade livmoder förhållanden vid Northwestern University Prentice Women ' s Hospital, enligt en institutionell översyn styrelse-godkända protokoll. Skriftligt medgivande erhölls från alla kvinnor som ingick i studien.
1. beredning av Aguppstod formar
- Före början cell isolering, gjutna och jämvikt 1,5% aguppstod Micro formar (tabell över material) att hus organoider enligt tillverkarens anvisningar.
2. generering av Endometrieorganoider
- Skörd primär stromacellstumörer och epitelceller
- I ett biosäkerhetsskåp med aseptisk teknik, Bered enzym lösningen (2,5 mg/ml kollagenase typ i + 0,1 mg/ml DNase i i 10 ml dispas [500 enheter]) vid 37 ° c, och steril-filtrera lösningen med hjälp av ett 0,2 μm sprutfilter i ett 15 ml koniskt rör.
- I ett biosäkerhetsskåp med aseptisk teknik, skrapa bort endometriet från livmodern biopsier och finhacka vävnad under huven i mycket små bitar med en skalpell.
Anmärkning: Endometrievävnad som är minst 20 mm x 10 mm x 1 mm krävs för att generera tillräckligt antal organoider. - Lägg nymalet vävnad i enzym lösningen i ett 15 mL koniskt rör. Stäng locket och Linda upp med en vax film (tabell över material) för att förhindra kontaminering.
- Sätt röret med vävnad i ett vattenbad eller en inkubator vid 37 ° c i 30 min med skonsam skakning (80 − 100 rpm).
- Stapla en 100 μm cell SIL ovanpå en 20 μm cell SIL på en 50 mL koniskt rör. Filtrera lösningen genom de två silar, och skölj sedan 15 mL koniska röret med 10 mL av Hank ' s balanserade saltlösning (HBSS; Tabell över material) och sätt tvätten genom sil för att säkerställa att alla celler samlas in.
Anmärkning: Flödesthrough-vätskan innehåller stromaceller och röda blodkroppar (~ 20 mL totalt). Epitelceller samlas på den 20 μm SIL. Bitar av osmält vävnad kvar på toppen av 100 μm SIL. Kassera osmält vävnad i en behållare för biologiskt riskavfall. - Vänd den 20 μm cell SIL från steg 2.1.5 på en ny 50 mL koniska röret och tvätta epitelceller från SIL med 20 mL Organoid media (tabell över material) kompletteras med 1% penna/STREP.
- Centrifugera de koniska rören från steg 2.1.5 och 2.1.6 vid 500 x g i 5 min.
- Med de insamlade stromaceller, ta bort supernatanten och Omsuspendera pelleten med 10 mL av röda blodkroppar lysis buffert. Inkubera vid 37 ° c i 10 − 15 min. Centrifugera det koniska röret vid 500 x g i 5 min, ta bort supernatanten och Omsuspendera pelleten med 200 − 300 μl Organoid-media (se steg 2.2.2 för ytterligare instruktioner).
- Med de insamlade epitelcellerna, avlägsna supernatanten och återsuspendera med 100 μL Organoid-media (se steg 2.2.2 för ytterligare instruktioner).
- Seedning celler
- Efter att ha för den 1,5% aguppstod formar i brunnar (1 mögel per brunn) av en 24-brunn tallrik, ta bort Organoid media på utsidan av aguppstod formar och luta vävnaden kultur plattan så att mediet från cellen seedning kammaren av aguppstod rätter kan också vara försiktigt bort.
- Visa epitelial (från steg 2.1.9) och stromacellstumörer (från steg 2.1.8) cellsuspensioner under mikroskopet. Tillsätt mer Organoid media till antingen epitelial eller stromacellstumörer cellsuspensioner 100 μL i taget, så att suspensionerna är ungefär lika i densitet.
Anmärkning: Epitelceller kommer klumpar ihop, och det är inte tillrådligt att smälta/trypsinize epitelceller i enstaka cellsuspensioner. - Kombinera 1 del av stromaceller med 3 delar av epitelceller i volym.
- Pipettera 50 μL (60 000 celler) av den kombinerade cellsuspensionen i den cell seedning kammaren av aguppstod mögel.
- När aguppstod formar fylls med celler, försiktigt tillsätt 400 μL av färska Organoid media i brunnen av 24-brunnen plattan.
Anmärkning: Mediet når strax under ytan av aguppstod rätter och kommer inte att orsaka cellerna att flyta ut i formar. Efter 2 − 3 dagar, celler kommer att bosätta sig och börja bilda organoider. - Byt medium varannan dag med 500 μL Organoid-media.
- Efter 2-3 dagar, ändra medium till en som kompletteras med 0,1 nM estradiol (E) och 0,8 nM testosteron (T) för att främja organisationen av epitelial och stromaceller.
Anmärkning: Även om organisationen av epitelial och stromaceller kan förekomma med eller utan hormoner, mer organoider kommer att organisera i närvaro av hormoner.
3. skörd av Endometrieorganoider för experiment
Anmärkning: Efter att experimentet är gjort kan endometrieorganoider bearbetas för histologi eller RNA-analys. Följande steg beskriver hur du bearbetar organoider.
-
Histologi
- Lös 1,5% aguppstod i fosfatbuffrad saltlösning (PBS) genom kokning. Låt vätskan aguppstod svalna till cirka 50 ° c.
- Under en dissekera Mikroskop, luta 24-brunnen plattan och Pipettera försiktigt ut mediet från utsidan av aguppkommit mögel. Pipettera försiktigt ut mediet från insidan av aguppkommit mögel för att undvika att störa organoider.
- Under en dissekera Mikroskop, försiktigt Pipettera 70-75 μL av varm (50 ° c) 1,5% Agreste i kammaren av aguppstod skålen. Var noga med att inte störa organoider.
- Låt svalna vid 4 ° c i 5 min.
- Tillsätt 4% PARAFORMALDEHYD (PFA) i varje brunn av den 24 brunnen plattan och fixa hela förseglade aguppstod mögel som innehåller organoider över natten vid 4 ° c. Förvara sedan i 70% etanol vid 4 ° c tills den är klar att bearbeta för paraffin inbäddning.
-
RNA-isolering
- Under en dissekera Mikroskop, luta 24-brunnen plattan och Pipettera försiktigt ut mediet från kammaren av aguppstod mögel.
- Pipettera kraftfullt 1 mL färskt Organoid medium direkt i Agros mögel så att organoiderna spolas ut ur mikrobrunnarna. Var noga med att inte skapa för många bubblor.
- Upprepa pipettering igen med samma medium från steg 3.2.2.
- Samla alla medel som innehåller organoider. Centrifugera vid max hastighet för att samla in organoider och fortsätt till RNA-extraktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En schematisk del av protokollet avbildas i figur 1. Livmoder vävnad erhölls från kirurgi efter det granskades av patologer. Endometriefodret separerades från myometrium genom skrapning och endometrievävnaden var enzymatiskt smälta till celler enligt beskrivningen i protokollet. Epitelial och stromacellstumörer celler sattes i mikrobrunnar i aguppstod formar. Efter 7 dagar i kulturen behandlades organoider med E och T i ytterligare 7 − 14 dagar.
För histologisk bearbetning, den agat formar som innehåller endometrieorganoider var förseglade med aguppstod följt av fixering med 4% PFA över natten. Dessa formar behandlades för standard paraffin inbäddning, sektioneras och färgas för histologi, immunofluorescens eller immunohistokemi. Den hematoxylin och eosin (H & E) färgning (figur 2a) avslöjade en sfäroid-liknande struktur med ett enda lager av celler kantar utsidan och celler i centrum. Cellspecifika markörer för endometrieepitelial (E-cadherin) och stromaceller (vimentin) avslöjade epitelceller som omger Organoid med stromaceller i centrum (figur 2B).
Markörer för endometriefysiologi bekräftade att endometrieorganoider behöll vissa egenskaper hos den infödda vävnaden. Trikrom färgning, som fläckar kollagen blått och röda celler, visade närvaron av kollagen i centrum där stromaceller var bosatt, visar aktiv produktion och utsöndring av kollagen av stromaceller som liknar den infödda vävnaden (figur 3 A). Dessutom, immunohistokemisk färgning avslöjade närvaron av östrogenreceptorer (ER), androgenreceptorer (AR), och progesteronreceptorer (PR) i både epitelial och stromaceller (figur 3B).
Figur 1: generering av scaffold-fria 3D endometrieorganoider från mänskliga primära endometrieceller. Livmoder vävnad erhölls från premenopausala endometrievävnader med godartad patologi och endometriefodret var censurerade från vävnaden pjäs. Vid enzymatisk matsmältning, endometrieepitelial och stromaceller celler var seedade i 1,5% aguppstod formar på en 3:1 förhållande i volym och upprätthålls i könshormon-fritt medium för upp till 7 dagar. Estradiol (E) och testosteron (T) lades till 3D-kulturer för att efterlikna nivåerna av E och T under follikulär fas av en menstruationscykel10 och för att främja organisationen av organoider. Anpassad från Teerawat et al., Jcem, (2019)11.
Figur 2: histologi och immunofluorescensfärgning av cellspecifika markörer på endometrieorganoider. Organoider observerades efter 14 dagar av stegvis hormonbehandling imitera den follikulära fasen av en normal menstruationscykel (0,1 Nm e och 0,8 nm t för 7 dagar, 1 Nm e och 0,8 nm t i ytterligare 6 dagar, följt av 1 Nm e och 1,25 nm t för 1 dag). A) H & E färgning utfördes på paraffin inbäddade organoider. (B) cellspecifika markörer bedömdes genom Immunofluorescerande färgning av E-cadherin (epitelial, röd), vimentin (stromal, grön) och 4 ′, 6-diamidino-2-fenylindol (DAPI, Nucleus, blå) som avslöjade strukturell organisering av cellerna i organoider. Skalstapel = 20 μm. anpassad från Teerawat et al., Jcem, (2019) <11. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: endometrieorganoider uppvisar egenskaper hos inhemsk vävnad efter 14 dagars follikulär fas hormonbehandling. (A) trikrom färgning gjordes för att visualisera kollagen (blå) och celler (röd). Trikrom fläcken utfördes på endometrievävnad (vänster panel) och endometrieorganoider (skala barer = 20 μm, höger panel). B) immunohistokemisk FÄRGNING för er, ar och PR utfördes i endometrievävnad (Scale bar = 100 μm botten paneler) och endometrieorganoider (Scale bar = 20 μm, övre paneler). Positiv fläck visas i brunt och hematoxylin fläck lösning lades till som räknaren fläcken visas i blått. Anpassad från Teerawat et al., Jcem, (2019)11. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har genererat mänskliga endometrieorganoider bestående av epiteliala och stromaceller i endometriet utan användning av exogena byggnadsmaterial. Även om det redan har visats att primära endometrieepitelceller kan bilda organoider6,7, var dessa celler inbäddade i en gelatinös matris av proteiner som utsöndras av mus sarkom celler (se tabell över material) för att hjälpa form sfäroid-liknande strukturer. Dessutom, endometriestromaceller var frånvarande. Vi spekulerar att stromaceller i vårt system, som är en viktig stödjande komponent i endometrievävnad, förutsatt att ställningen för epitelceller att följa och parakrin signalering inträffade mellan celltyper. Organisationen av epitelcellerna runt stromaceller visade en aktiv interaktion mellan de två celltyper som gav fysiologisk ledtrådar. Som hormonell respons av endometriet förlitar sig på parakrin interaktioner mellan epitelial och stromacellstumörer celler4,8,9, våra flercelliga organoider ger en suppleant, mer komplex härma av den infödda Vävnad.
De organoider som genererades här var mestadels somatiska celler, även om en liten procent av cellerna var stamliknande. Vi har ännu inte förpassat dessa organoider för flera generationer och vet inte om de skulle överleva och propagera. Dessutom är endometrieorganoider heterogena i naturen i att inte alla organoider innehöll samma antal epitelial, stromacellstumörer eller stamceller, även de som kommer från samma vävnad. Storlekar av organoider skilde sig också och medan de flesta celler bildas sfäroid som strukturer, lösa celler inom varje mikrobrunn observerades. Närvaron av E och T verkade främja Organoid formation med den specifika organisationen av epitelceller kantar utsidan och stromaceller i centrum. Vi har inte testat om E eller T ensam skulle främja Organoid formation och vad den optimala längden på behandlingen skulle vara. Ytterligare testning av parametrar och villkor skulle vara fördelaktigt att generera den idealiska endometrieorganoider lämpade för försöket planerat.
Medium är en viktig del av odling av organoider för att främja tillväxt och överlevnad. Från vår erfarenhet av att arbeta med endometrieceller, tillväxt av epitelceller i kulturen är den mest utmanande i motsats till stromaceller som propagerar väl. Olika medier testades, inklusive Organoid Media val (tabell över material), som används för att generera mammosfärer och tumorspheres av bröstcancer, som är av epitelceller ursprung. Våra tester visade att detta medium tillät organoider att bibehålla sin strukturella integritet och lönsamhet under loppet av 14 − 28 dagars kulturer. Effekten av detta medium på stromaceller, behöver dock ytterligare utredning. Trots sin överlevnad och produktion av kollagen i Organoid media, den spridnings frekvens som observerats i 3D-kulturen var mycket mindre än i monolayers. Den minskade spridningen kan dock bero på 3D-strukturen också. Med tanke på att de Organoid-medier som används är kommersiellt tillgängliga, förblir medelstora komponenter oklara på grund av sin egen natur.
I framtida studier, vi föreställa öka komplexiteten i dessa endometrieorganoider att införliva andra celltyper som finns i endometrium, inklusive endoteliala och immunceller. Detta är bara början av ingenjörskonst en komplett endometriehärma som kan användas för att studera biologi, funktion, sjukdom, och att testa droger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Denna studie finansierades av NIEHS/NIH/NCATS UG3 Grant (ES029073) och Northwestern Feinberg School of Medicine Bridge Fund (JJK). Vi skulle vilja erkänna den nordvästra patologi Core facility för bearbetning av fasta organoider för paraffin inbäddning. Vi skulle vilja erkänna hela UG3 Team inklusive Woodruff, Burdette och Urbanek Labs för insiktsfulla diskussioner och samarbeten.
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).
