Summary
本稿では、新しい腸器官培養システムを用いて、 生体 実験を行うホストとマイクロバイオームの相互作用を分析する独自の方法を紹介する。
Abstract
腸組織の構造は、宿主と腸内微生物叢との間の密接かつ相互的な相互作用を促進する。これらのクロストークは、局所的および全身的な恒常性を維持するために重要です。腸内微生物叢組成(ジスビオシス)の変化は、幅広いヒト疾患に関連する。宿主-微生物叢相互作用を解剖する方法には、生理学的組織構造の保存( 生体内 動物モデルを使用する場合)と実験因子の制御レベル(単純な インビトロ 細胞培養システム)の間の固有のトレードオフが含まれます。このトレードオフに対処するために、Yissacharらは最近、腸管臓器培養システムを開発した。このシステムは、素朴な結腸組織構造および細胞機構を維持し、また、緊密な実験的制御を可能にし、 生体内で容易に行うことができない実験を促進する。これは、様々な腸成分(上皮、免疫、神経要素など)の発光摂動(嫌気性または好気性微生物、マウスまたはヒト、薬物および代謝産物からの全微生物叢サンプルを含む)の短期的な応答を解剖するのに最適です。ここでは、カスタムメイドの腸培養装置を用いて、複数の腸管断片の器官培養に最適化されたプロトコルの詳細な説明を提示する。発光摂動に対する宿主応答は、組織切片または全実装組織断片の免疫蛍光染色、蛍光インザビトゥーハイブリダイゼーション(FISH)、またはタイムラプスイメージングによって可視化することができる。次世代シーケンシング、フローサイトメトリー、各種細胞・生化学的アッセイなど、幅広い読み出しをサポートします。全体として、この3次元の器官培養システムは、大規模で無傷の腸組織の培養をサポートし、局所的な腸内環境における宿主微生物叢相互作用の高解像度分析および視覚化のための広範な用途を有する。
Introduction
腸は、細胞が相互に相互作用し、相互に通信することを可能にする特定の構造で組織された細胞タイプ(上皮細胞、免疫系細胞、ニューロンなど)の広い範囲を含む非常に複雑な器官であり、発光含有量(微生物叢、食物など)1.現在、宿主-微生物叢相互作用を分析するために利用可能な研究ツールボックスには、生体外細胞培養と生体内動物モデル2が含まれる。生体内動物モデルは生理的組織構造3を提供するが、実験制御が不十分であり、実験条件を操作する能力が限られている。一方、インビトロ培養システムは、微生物4を補うことができる一次細胞または細胞株を使用し、実験パラメータを厳密に制御するが、細胞の複雑さと組織アーキテクチャを欠いている。現代のin vitroアッセイは、マウスまたはヒト源由来の上皮オルガノイドのような健康で病理学的なヒト組織サンプルの高度な使用を可能にする。もう一つの例は、ヒト大腸上皮細胞株(Caco2)、細胞外マトリックスおよび微小流体チャネルを含む「チップ上の腸」アッセイであり、腸不変8の生理学的状態を模倣する。しかし、in vitroサンプルのように高度かつ革新的であるように、それらは正常な組織アーキテクチャまたはナイーブな細胞組成を維持しない。
その問題に対処するために、Yissacharらの開発は、インビボモデルとインビトロモデルの両方の利点から恩恵を受け、インタクトな腸の断片を維持するex vivo器官培養システム9(図1)を最近開発した。 このex vivo腸臓器培養システムは、6つの大腸組織の多重化培養をサポートするカスタムメイドの培養装置に基づいており、システムの入力と出力を制御しながら、同等の条件下で実験的入力を調べることができます。最近の研究では、このシステムが個々の腸内細菌9、ヒト微生物叢サンプル10および微生物代謝産物11に対する腸内応答を分析するのに有用であることを実証した。このシステムは、初めて、宿主、微生物および環境成分に対する高いレベルの制御を伴うこれらの初期の宿主微生物叢相互作用の研究を可能にする。さらに、リアルタイムで、実験全体を通してシステムを監視し、操作することができます。
図1: 腸管培養装置の概略図 腸組織全体の断片は、チャンバー(上)の出力および入力ポートに取り付けられ、ポンプは内腔内および外部媒体室内の媒体流れを調節する。全体の装置(底部)は6つのそのような部屋を含んでいる。この図は、2017年のYissacharらから変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Protocol
このプロトコルは、動物福祉のための倫理委員会によって承認された動物ケアガイドラインに従います。
1. 実験準備
- 腸臓器培養装置の製造(3日間)
- 3Dプリンタを使用して、臓器培養装置(デバイスには6つの井戸があり、24の小さな穴と大きな穴があり、デバイスカバーの蓋)(3Dファイルが添付されています)の再利用可能なプラスチック金型を印刷します。
注:これらのプラスチック金型は、多数のデバイスの製造に使用することができます。 - デバイスモールド内の適切な位置に鈍端の針(22G及び18G)を挿入し、デバイスと蓋の1セットに対して約20gのポリジメチルシロキサン(PDMS)ミックス(1:10重量比、塩基対触媒)を投射します。
- 30分間真空チャンバーに金型を入れ、PDMSミックスから気泡を除去します。
- 一晩55°Cで金型をインキュベートし、PDMS重合を完了する。
- PDMSが設定されたら、金型から針を引き出し、プラスチック金型から培養装置と蓋を慎重に放出します。
- 外科用ブレードを使用して、井戸の輪郭からPDMS残基を除去します。PDMSデバイスとデバイスカバーを無毒シリコン接着剤を使用してカバーガラス(75mm x 50 mmマイクロスライド)に取り付け、部品を一晩セットします(デバイスの滑らかな側に接着剤を塗布してください)。
- ルーメン用に 22 G 針を 12 本、井戸用に 12 本の 18 G 針を挿入します。シリコーンを使用して所定の位置にすべての針を固定し、一晩に設定してみましょう。2本の18G針を蓋蓋に挿入し、腸内臓器培養装置に出入りする適切な空気の流れを行います。
- 水で満たされた注射器を使用して、すべての針の漏れを確認してください。井戸に水を満たして、井戸から漏れがないことを確認します。
- 結腸に接続される各22 G針に2つの外科結び目を置きます。デバイスと蓋をオートクレーブの紙袋に入れ、オートクレーブで殺菌します。
- 3Dプリンタを使用して、臓器培養装置(デバイスには6つの井戸があり、24の小さな穴と大きな穴があり、デバイスカバーの蓋)(3Dファイルが添付されています)の再利用可能なプラスチック金型を印刷します。
- 培養培地 (0.5時間)
- 生物学的フードには、次の(50 mLチューブ)を混合する:イコーブの修飾ダルベッコ培地(IMDM)の37 mL、KSR血清置換の10 mL、B27サプリメントの1 mL、0.5 mLのN2サプリメント、0.5 mLの1 M HEPESバッファー、および0.5 mLの非必須アミノ酸。
- フィルター、4 °Cで完全な培地を保存します。
- チューブおよび外科用ツールの準備
- 入力ルーメン、入力ウェル、出力ルーメン、および出力ウェル(12短いチューブと12の長いチューブ)のためのチューブの適切な長さをカットします。チューブの各側面に適切なアダプターを接続します。
- 手術用具を準備する:ストレートハサミ、4倍の薄い鉗子、および2x鋭い鉗子。
- チューブと手術用具をオートクレーブの紙袋に入れ、オートクレーブを使って滅菌します。
- 発光入力(所望の刺激 -細菌、便、薬物など)を準備します。
- 実験の前に、細菌培養物の細菌負荷を、連続希釈液12によって決定し、好気性および/または嫌気性条件下で培養する。
- 細菌負荷を算出した後、滅菌組織培養液中の細菌培養物を希釈し、必要な細菌濃度を得る。フェカルサンプルの場合は、100 μmのストレーナーを使用してフィルターを使用します。
注:非細菌刺激(薬物、代謝物など)については、腸内培養培地を用いて必要な濃度まで物質を希釈してください。
2. 実験のセットアップ準備
- 臓器培養インキュベーターの内部で、ヒーターユニットをオンにし、37°Cに設定します。
- ポンプだけでなく、入力および出力のスポイツを設定します。
- 組織培養培地入力
- 生物学的または層流フードで、完全な培養培地で入力井戸注射器を充填する。最終的なボリュームは、実験の継続時間と流量によって異なります。通常、1 mL/h に加えて、パージ用の追加の媒体を加えた。
- Luerロックアダプターを使用して、チューブを注射器に接続します。充填した注射器をスポイトポンプに入れる。
- 入力シリンジをパージします。井戸媒体がすべてのチューブから廃棄物ガラスに流出することを確認してください。
- ルミナル入力
- 発光インプットシリンジに刺激処理(細菌、薬物など)を充填します。ボリュームは、実験の継続時間と流量(通常は30 μL/h+パージ用の追加メディア)によって異なります。
- Luerロックアダプターを使用して、チューブを注射器に接続します。充填した注射器をスポイトポンプに入れる。
- 入力シリンジをパージします。刺激がすべてのチューブから廃棄物ガラスに流れ出ることを確認してください。異なる刺激を汚染しないように注意してください。
- 出力
- 出力シリンジポンプに空の注射器を入れます(ポンプモードを「離脱」に設定します)。
- デバイスのセットアップ
- 穏やかで最小限の流れのために、ガス混合物(95%O2 + 5%CO2)の流量を制御するレギュレータを設定します。
- 薄層フードでデバイスを調べます。
- 無菌IMDMで装置の針を洗い流し、針を洗います。
- 滅菌培養培地を装置の各ウェルに500μL加えます。
- 組織解剖の準備
- 薄層フードの内側に無菌の外科用具を入れてください。
- 滅菌IMDMで10mLの注射器を充填し、結腸のフラッシュのための滅菌(オートクレーブ)22G鈍エンド針を接続します。
3. 臓器文化
- マウスの犠牲と組織解剖
- ラミナルフードで、切断によって12-14日齢のマウスを犠牲にします。70%エタノールでマウスをスプレーし、プラスチックプレートの上にマウスを置きます。
- 鋭利なはさみと鉗子を使用して、マウスを解剖し、すべての脂肪と結合組織を切断することによって胃からアヌスに消化管を取り出します。コロンを切り、新しい皿の上に置きます。
注:結腸組織との接触を最小限に抑えてください。結腸組織の中央部に触れないでください。組織を穏やかに、組織の端にのみ保持します。
- コロンフラッシュと洗浄
- 解剖顕微鏡の下で、調製した10 mLシリンジで滅菌IMDM(近位側)で結腸含有量を静かに洗い流します(ステップ2.7.2)。腸組織から便を取り除いた後、0.5 mLの無菌IMDMで満たされた新しい6ウェルプレートに結腸を入れる。
- デバイスへのコロンの接続
- 組織を取り、慎重に22 G針に接続し、2つの糸でしっかりと結びます。この時点で、ルーメンの流れ(近位=入力、遠位=出力)への結腸の正しい方向を維持することが不可欠です。6つの組織すべてに対して、手順3.2~3.3を繰り返します。
- 入力針 Luer ロックがメディアから空であることを確認します。ない場合は、それらを空にします。入力針 Luer ロックに刺激を加えます (ルーメンへの気泡の侵入を避けるため)。適切な刺激を与えたコロンごとにこの手順を繰り返します。
- すべてのティッシュが接続されていることを確認し、カバーカバーをデバイスの上に置きます。
- 臓器培養装置をポンプに接続する
- 予熱温度制御チャンバー(37°C)に装置を入れます。
- 接続ガスの流れ
- 適切な入力針を使用して、ガスアダプターをカバーリッドに接続します。
- 入力および出力チューブをデバイスに接続します。
注: 近位コロン側を入力用の浴槽に接続します。
- 刺激入力でルーメンをパージします。
- 腸内に光刺激を穏やかに流し、出力管内の媒体の流れを確認します。
- 外付けの媒体を洗浄します。
- 外部媒体を3回洗浄します(ポンプは600 μL/minの速度で、入力と出力の両方をうまく行います)。各洗浄は1分かかります(井戸を空にして開始)。
- 実験を開始します。
- 次の速度でポンプを起動します。
流量:ルーメン:入力- 30 μL/h、出力- 35 μL/h
外部媒体:入力- 1000 μL/h、出力- 950 μL/h
メモ:実験時間は30分から24時間の間で変化する可能性があります。
- 次の速度でポンプを起動します。
- 実験終了(大腸臓器培養時は最大24時間)
- デバイスからすべてのチューブを取り外します。
- 針から組織を取り外し、目的の読み出しに進みます。
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Representative Results
腸器官培養システムは、組織生存率 ex vivoを維持する。 組織生存率の評価は培養期間を通じて行った。大腸組織断片を腸内臓器培養系でインキュベートし、2/12/24時間培養後に固定した。腸上皮細胞(IEC)層の完全性をE-カドヘリンおよびサイトケラチン-18抗体を用いた免疫蛍光染色により検証した。同様に、粘液で満たされたゴブレット細胞は、内腔内の大腸上皮および粘液分泌物中で、Ki-67染色で示されるように、大腸性陰窩での増殖と同様にIECを検出した(図2)。これらの結果と他の9 は腸管の培養システムが腸機能および構造 ex vivoを維持することを示す。
急速な転写宿主応答は、セグメント化された糸状細菌(SFB)による腸内コロニー形成によって引き起こされた。腸内で誘発された初期の事象を調べるために、2つの異なる免疫調節腸内微生物によるコロニー形成を用いた。原発微生物をセグメント化した糸状菌(SFB)は、小腸13におけるTh17細胞の分化を誘導することが以前に示された。SFB陰性SPFマウスを屠殺し、小腸(SI)(i腸)のセグメントを解剖し、腸臓器培養系に接続した。SFBは、vitro14で培養することが困難であるため、臓器培養物は、コントロールとして、SFB単植民地化マウス15またはFESペレットからの胎児ペレットの懸濁液を注入した。SFBは、腸上皮13,16への付着を通じてTh17を誘導した。したがって、腸組織のex vivoコロニー形成後のSFBの空間的局在化の評価が必要であった。(図3a)に示すように、典型的なSFBフィラメントは、SFB導入後2時間の蛍光を用いてSI絨毛と密接に関連して検出された。さらに、透過型電子顕微鏡は、SI上皮ブラシ境界の数ミクロン以内にSFBを提示した(図3b)。その時点で、Yissacharらは、SFBと小腸上皮との主要な関連が組織における転写応答を活性化したかどうかを調べた。全組織サンプルの遺伝子発現プロファイルを、三重化で、SFBとの注入後2時間で作製した。対照培養物には、GFまたはB.fragilis-モノコロナイズマウスの便懸濁液を注入した(非Th17誘導対照として)。図3cは、SFBによって説得された変化が主にGF制御と比較して小振幅であったことを示す。
図2:腸器官培養システムは、組織の生存率 ex vivoを維持する。 ムチン-2およびサイトケラチン-18(上)、Eカドヘリン(中央)およびKi-67(下)の免疫蛍光染色。腸臓器培養装置で2/12/24時間培養した、解剖したばかりの大腸組織および組織の共焦点イメージング。スケールバー、40ミリメートル。この図は、2017年のYissacharらから変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:SFBによる代表的な署名の粘膜会合と迅速な転写のトリガ(A, B)SFBは、SFB特異的プローブ(赤色)または(B)電子顕微鏡法で(A)FISHによって可視化された培養小腸セグメントにおいて2時間後に腸上皮と関連する。(C) SFBによる腸内遺伝子発現の誘導SI臓器培養物には、SFB単植民地化マウスまたはGFコントロールからの便の上清を含む微生物を注入し、組織全体における遺伝子発現のマイクロアレイプロファイリングの前に2時間培養した。SFBまたはGF注入培養を比較する「火山プロット」における遺伝子発現の変化。生体内のSI全体でSFBによって上下調節されたトランスクリプトが強調表示されます(それぞれ赤と青)。この図は、2017年のYissacharらから変更されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
この記事では、Yissacharらの最近開発した ex vivo 腸器官培養に最適化されたプロトコルについて説明します(9 および未公開データを公開)。腸器官培養システムは、発光の流れを維持しながら、無傷の腸断片の多重化培養をサポートする。それは、イントラおよび超発光環境(刺激用量、暴露時間および流量を含む)を完全に制御し、ナイーブな腸組織構造とその細胞複雑性9を維持する。
プロトコルの重要な手順には、次のものがあります。(1)組織解剖は、組織の損傷を最小限に抑えるために、最小限の時間で、そして非常に穏やかに行われるべきである(これは、損傷した部位を通して細胞死および発光内容の漏出につながる可能性がある)。(2)入力ポートを近位結腸に接続し、出力ポートを結腸の遠位端に接続することにより、装置内の組織の向きを維持する。(3)腸をデバイスに接続した後、組織が無傷であり、照明内ポートへの接続ポイントが漏れていないことを確認します。それは内腔内の細菌刺激を維持し、可能な限り無菌を維持する必要があります外部環境を汚染しません。(4) 12-14日のマウスから組織を解剖する。若いマウスでは、結腸は小さく、穏やかで、異なる取り扱いと培養条件を必要とします(データは示されていません)。古いマウスの組織は有意に大きく、組織の生存率および培養期間に影響を与える。(5)腸の応答の変動を減らすために、各デバイスのlittermateマウスから解剖した組織を使用する( インビボ 実験計画と同様に、内因性マイクロバイオーム組成のばらつきを減らす)。
腸管培養システムの現在の制限は、以下を含む。(1) 各デバイスには 6 つのチャネルが含まれており、1 回の実験でテストできるさまざまな条件の数を制限します。(2) 12-14日のマウスから組織を解剖する(上記参照)。したがって、腸内免疫系と上皮バリアは最終的な成熟に達していない。(3)培養期間が24時間を超えると培養における組織の生存率が損なわれる(大腸組織の場合、小腸の場合は少ない)。(4) このプロトコルは、特別な機器(すなわち、注射器ポンプ、カスタムメイドインキュベーター、その他)の購入を必要とします。
要約すると、腸器官培養システムは、単純なインビトロアッセイと複雑なインビボ実験の中間実験ステップとして機能する。これは、腸生理学の保存(生体内モデルによく似ている)と高い制御性(単純なインビトロアッセイのように)の組み合わせを提供しています - このシステムの重要かつユニークな利点。この利点は、マウスでは容易に行うことができない実験を促進する(すなわち、高い時間分解能で腸内存在細胞の早期応答を追跡する)。最近では、腸内微生物叢(特定の微生物と全ヒト由来微生物叢)と腸の免疫と神経系9,10との間の驚くべきつながりを発見することができました。全体的に、この強力でユニークなツールは、幅広い読み出し技術(次世代シーケンシング、イメージング、細胞分類など)と組み合わせることができ、健康と病気における宿主微生物叢相互作用に関する新しい洞察を提供します。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
Yissacharラボの過去および現在のメンバーに感謝し、腸臓器培養システムプロトコルの最適化に貢献しました。原稿の批判的な編集に対して、ヤエル・ローレに感謝します。この研究は、イスラエル科学財団(助成金第3114831)、イスラエル科学財団 - ブロードインスティテュート共同プログラム(助成金8165162)、ガズナー医学研究基金(イスラエル)によって支援されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Device | |||
| 18 Gauge Blunt Needle | Mcmaster | 75165a754 | |
| 22 Gauge Blunt Needle | Mcmaster | 75165a758 | |
| All Purpose Adhesive Selant 100% Silicone | DAP | 688 | |
| Cubic Vacuum Desiccator VDC-21+ 2 Shelves | AAAD4021 | ||
| Glass Slide 1 mm Thick | Corning | 2947-75X50 | |
| Mini Incubator im-10 | AAH24315K | ||
| MPC 301E Vacuum PUMP | VI-412711 | ||
| Plastic Quick Turn Tube Coupling Plugs | Mcmaster | 51525k121 | |
| plastic Quick Turn Tube Coupling Sockets | Mcmaster | 52525k211 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer | Dow | Polydimethylsiloxane, PDMS | |
| Tubing | Mcmaster | 6516t11 | |
| Zortrax M200 | Zortrax | Zortrax Z-SUITE, Autodesk Fusion 360 | |
| Zortrax M200 Materials: z-ultrat | Zortrax | ||
| Medium | |||
| B27 Supplement (50x), Serum Free | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | |
| HEPES Buffer (1M) | Thermo Fisher Scientific | 15630056 | |
| Iscove's Modified Dulbecco's Medium with Phenol Red (1x) | Thermo Fisher Scientific | 12440061 | |
| Knock-Out Serum | Thermo Fisher Scientific | 10828028 | |
| N2 Supplement (100x) | Thermo Fisher Scientific | A1370701 | |
| Non Essential Amino Acid (100x) | Thermo Fisher Scientific | 11140035 | |
| Surgical Tools | |||
| Large Scissors | Aseltech | 11-00-10 | |
| Sharp Forceps | F.S.T | 11297-10 | |
| Silk Braided Surgical Thread | SMI | 8010G | |
| Straight Scissors | F.S.T | 14091-09 | |
| Thin Forceps | F.S.T | 11051-10 | |
| Organ System | |||
| 0.1 µm Filter | Life Gene | ||
| 0.22 µm Filter | Life Gene | ||
| 5 mL Luer Lock Syringe | B-D | 309649 | |
| Greenough Stereo Microscope | ZEISS | Stemi 305 | |
| Recirculating Precision Air Heater "CUBE" | CUBE-2-LIS | ||
| Syringe Pump | new era pump systems inc | nep-ne-1600-em |
References
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