קביעת חדירות מעיים באמצעות לוציפר צהוב במודל אנטרואיד אפיקל-אאוט
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתווה שיטה המשתמשת בצהוב לוציפר במודל אנטרואיד אפיקלי-אאוט כדי לקבוע חדירות מעיים. שיטה זו יכולה לשמש כדי לקבוע חדירות paracellular ב enteroids כי מודל מחלות מעי דלקתיות כגון דלקת אנטרוקוליטיס נמקית.
Abstract
אנטרואידים הם כלי מחקר מתפתח בחקר מחלות מעי דלקתיות כגון דלקת מעי נמקית (NEC). הם גדלים באופן מסורתי בקונפורמציה הבזולטרלית-החוצה (BO), שבה פני השטח האפיקליים של תא האפיתל פונים לומן הפנימי. במודל זה, הגישה למשטח הזוהר של אנטרוידים לצורך טיפול וניסויים היא מאתגרת, מה שמגביל את היכולת לחקור אינטראקציות בין פונדקאי לפתוגן. כדי לעקוף זאת, נוצר מודל ילודים (AO) לדלקת אנטרוקוליטיס נמקית. מאחר ששינויים בחדירות תאי אפיתל במעיים הם פתוגנומיים עבור NEC, פרוטוקול זה מתאר שימוש בלוציפר צהוב (LY) כסמן של חדירות על-תאית. LY חוצה את מחסום אפיתל המעי דרך כל שלושת המסלולים העל-תאיים העיקריים: נקבוביות, דליפה ובלתי מוגבלות. השימוש ב-LY במודל AO מאפשר מחקר רחב יותר של חדירות ב-NEC. לאחר אישור IRB והסכמת ההורים, נאספו דגימות כירורגיות של רקמת מעיים מילודים פגים אנושיים. תאי גזע מעיים נקטפו באמצעות בידוד קריפטה ושימשו לגידול אנטרואידים. אנטרואידים גודלו לבגרות ולאחר מכן הפכו AO או הושארו בקונפורמציה BO. אלה לא טופלו (בקרה) או טופלו בליפופוליסכריד (LPS) והיו נתונים לתנאים היפוקסיים להשראת NEC במבחנה . LY שימש להערכת חדירות. צביעה אימונופלואורסצנטית של החלבון האפיקלי זונולה occludens-1 והחלבון הבזולטרלי β-קטנין אישרה את קונפורמציית AO. גם אנטרואידים מסוג AO וגם BO שטופלו ב-LPS ובהיפוקסיה הדגימו חדירות על-תאית מוגברת באופן משמעותי בהשוואה לקבוצת הביקורת. גם אנטרואידים של AO וגם של BO הראו ספיגה מוגברת של LY לתוך לומן של האנטרואידים שטופלו בהשוואה לבקרים. השימוש ב-LY במודל אנטרואידי AO מאפשר לחקור את כל שלושת המסלולים העיקריים של חדירות על-תאית. זה גם מאפשר לחקור אינטראקציות פונדקאי-פתוגן וכיצד זה עשוי להשפיע על חדירות בהשוואה למודל אנטרואיד BO.
Introduction
אנטרואידים הם מבנים תלת-ממדיים (3D) שמקורם בתאי גזע אנושיים מוגבלים באיברים 1,2. הם מורכבים לחלוטין משושלת אפיתל ומכילים את כל סוגי תאי אפיתל המעי המובחנים2. אנטרואידים גם שומרים על קוטביות תאית המורכבת ממשטח לומינלי אפיקלי היוצר תא פנימי ומשטח בזולטרלי הפונה למדיה הסובבת. אנטרואידים הם מודל ייחודי בכך שהם משמרים את המאפיינים של המארח שממנו הם נוצרו3. לפיכך, אנטרוידים שנוצרו מתינוקות אנושיים פגים מייצגים מודל שימושי לחקר מחלות המשפיעות בעיקר על אוכלוסייה זו, כגון דלקת אנטרוקוליטיס נמקית (NEC).
המודל האנטרואידי המסורתי גדל בקונפורמציה בזולטרלית-החוצה (BO), שבה האנטרואיד עטוף בכיפה של מטריצת קרום מרתף (BMM). BMM משרה את האנטרואיד לשמור על מבנה תלת-ממדי עם המשטח הבזולטרלי מבחוץ. אנטרוידים BO הם מודל מתאים ל-NEC המגשר על הפער בין קווי תאים אנושיים ראשוניים דו-ממדיים (דו-ממדיים) לבין מודלים של חיות in vivo 2,4. NEC מושרה באנטרוואידים על ידי הצבת פתוגנים כגון LPS או חיידקים בתקשורת המקיפה את האנטרואידים, ולאחר מכן חשיפה לתנאים היפוקסיים 2,3. האתגר עם מודל ה-NEC האנטרואידי BO הוא שהוא אינו מאפשר מחקר יעיל של אינטראקציות פונדקאי-פתוגן, המתרחשות על פני השטח האפיקליים in vivo. שינויים בחדירות המעיים נובעים מאינטראקציות אלה בין המארח לפתוגן. כדי להבין טוב יותר כיצד חדירות משפיעה על הבסיס הפתופיזיולוגי של המחלה, יש ליצור מודל הכולל טיפול במשטח האפי.
Co et al. היו הראשונים שהדגימו כי ניתן לגרום לאנטרואידים בוגרים של BO ליצור קונפורמציה אפיקל-אאוט (AO) על ידי הסרת כיפות ה-BMM והחייאתן במדיה5. מאמר זה הראה כי אנטרואידים AO שמרו על קוטביות אפיתל נכונה, הכילו את כל סוגי תאי המעי, שמרו על מחסום אפיתל המעיים ואפשרו גישה למשטח האפיקלי5. שימוש באנטרואואידים AO כמודל NEC משיג שכפול פיזיולוגי של תהליך המחלה ומחקר של אינטראקציות פונדקאי-פתוגן.
אחד התורמים העיקריים לפתופיזיולוגיה של NEC הוא חדירות מעיים מוגברת6. מספר מולקולות הוצעו כדרך לבדוק חדירות מעיים במבחנה7. בין אלה, לוציפר צהוב (LY) הוא צבע הידרופילי עם עירור ופליטה פסגות ב 428 ננומטר ו 540 ננומטר, בהתאמה8. כאשר הוא חוצה את כל המסלולים העל-תאיים העיקריים, הוא שימש להערכת חדירות על-תאית ביישומים שונים, כולל מחסומי דם-מוח ואפיתל מעיים 8,9. היישום המסורתי של LY משתמש בתאים הגדלים במונו-שכבות על משטח חדיר למחצה10. LY מוחל על פני השטח האפיקליים וחוצה דרך חלבוני צומת הדוקים פארא-תאיים כדי להתכנס בצד הבזולטרלי. ריכוזי LY גבוהים יותר בתא הבזולטרלי מצביעים על ירידה בחלבוני צומת הדוקים עם פירוק מחסום תאי אפיתל במעיים לאחר מכן וחדירות מוגברת10. זה תואר גם במודלים אנטרואידים של 3D BO שבהם LY נוסף למדיה ואנטרוידים בודדים צולמו לקליטה של LY לתוך לומן11. למרות שזה מאפשר ניתוח איכותי באמצעות הדמיה של קליטת LY, ניתוח כמותי מוגבל. פרוטוקול זה מתווה טכניקה ייחודית המשתמשת ב- LY כדי להעריך חדירות פארא-תאית באמצעות מודל אנטרואיד NEC במבחנה באנטרואידים של AO תוך שמירה על כיוון תלת-ממדי. שיטה זו יכולה לשמש הן לניתוח איכותי והן כמותי של חדירות.
Protocol
Representative Results
Discussion
חדירות המעי מורכבת ומשקפת את תפקוד מחסום האפיתל. מחסום המעי מורכב משכבה אחת של תאי אפיתל המתווכת הובלה טרנס-תאית ופארא-תאית14. חדירות פארא-תאית מסתמכת על חלבוני צומת הדוקים האוטמים את החלל שבין תאי אפיתל14. בתוך ההובלה העל-תאית הזו, ישנם שלושה מסלולים נפרדים שבאמצע?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לאשלי נלסון מהמרכז הרפואי של אוניברסיטת רוצ’סטר על עזרתה האינסטרומנטלית במודל האנטרואיד שלנו. ברצוננו להודות גם למחלקה לכירורגיית ילדים באוניברסיטת אוקלהומה על תמיכתם בפרויקט זה. עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לבריאות [NIH Grant R03 DK117216-01A1], מרכז אוקלהומה לחקר תאי גזע בוגרים, ומענק קרן הבריאות הפרסביטריאנית #20180587 שהוענק למחלקה לכירורגיה במרכז למדעי הבריאות של אוניברסיטת אוקלהומה.
Materials
| [leu] 15-gastrin 1 | Millipore Sigma | G9145-.1MG | |
| 100 µm sterile cell strainer | Corning | 431752 | |
| 100% LWRN conditioned media | Made in-house following Miyoshi et al.12 | ||
| 24-well tissue culture plate | Corning | 3526 | |
| 96-well black, clear bottom plate | Greiner Bio-One | 655090 | |
| A-83-01 | R&D Systems | 2939/10 | |
| Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit secondary ab, 1:1000 | Invitrogen | A-11034 | |
| Alexa Fluor 594 goat anti-mouse secondary ab, 1:1000 | Invitrogen | A-11032 | |
| Amphotericin B | Thermo Fisher Scientific | 15290026 | |
| Anti-zonula occludens-1 rabbit primary ab, 1:200 | Cell Signaling | #D6L1E | |
| Anti-β-catenin mouse primary ab, 1:100 | Cell Signaling | #14-2567-82 | |
| B-27 supplement minus Vitamin A | Thermo Fisher Scientific | 17504-044 | |
| Barrier PAP pen | Scientific Device Laboratory | 9804-02 | |
| BMM (Matrigel) | Corning | CB-40230C | |
| Cell Recovery Solution | Corning | 354270 | |
| Dissecting scissors | |||
| DMEM | Thermo Fisher Scientific | 11-965-118 | |
| DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 11320-082 | |
| DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14-190-144 | |
| Epidermal Growth Factor (EGF) | Millipore Sigma | GF144 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Millipore Sigma | EDS-500G | |
| EVOS m7000 Imaging system | Invitrogen | AMF7000 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Gemini Bio-Products | 100-525 | |
| Fluoroshield with DAPI | Millipore Sigma | F6057-20mL | |
| Forceps | |||
| Gentamicin | Thermo Fisher Scientific | 15-750-060 | |
| Glass coverslips | |||
| GlutaMAX | Thermo Fisher Scientific | 35050-061 | |
| GraphPad Prism 9 | Dotmatics | ||
| Insulin | Thermo Fisher Scientific | 12585014 | |
| Lipopolysaccharide (LPS) | Millipore Sigma | L2630-25MG | |
| Lucifer Yellow CH, Lithium Salt | Invitrogen | L453 | |
| Modular incubator chamber | Billups Rothenberg Inc. | MIC101 | |
| N-2 supplement | Thermo Fisher Scientific | 17502-048 | |
| N-2-hydroxyethylpiperazine-N-2-ethane sulfonic acid (HEPES) | Thermo Fisher Scientific | 15630-080 | |
| N-Acetylcysteine | Millipore Sigma | A9165-5G | |
| Nicotinamide | Millipore Sigma | N0636-100G | |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-148 | |
| Refrigerated swinging bucket centrifuge | |||
| Refrigerated tabletop microcentrifuge | |||
| RPMI 1640 Medium | Thermo Fisher Scientific | 11875093 | |
| SB202190 | Millipore Sigma | S7067-5MG | |
| SpectraMax iD3 microplate reader | Molecular devices | ||
| Tube Revolver Rotator | ThermoFisher Scientific | 88881001 | |
| Ultra-low attachment 24-well tissue culture plate | Corning | 3473 | |
| Y-27632, ROCK inhibitor (RI) | Tocris | 1254 |
References
- Ranganathan, S., Smith, E. M., Foulke-Abel, J. D., Barry, E. M. Research in a time of enteroids and organoids: How the human gut model has transformed the study of enteric bacterial pathogens. Gut Microbes. 12 (1), 1795492 (2020).
- De Fazio, L., et al. Necrotizing enterocolitis: Overview on in vitro models. International Journal of Molecular Sciences. 22 (13), 6761 (2021).
- Kovler, M. L., Sodhi, C. P., Hackam, D. J. Precision-based modeling approaches for necrotizing enterocolitis. Disease Models & Mechanisms. 13 (6), (2020).
- Ares, G. J., Buonpane, C., Yuan, C., Wood, D., Hunter, C. J. A novel human epithelial enteroid model of necrotizing enterocolitis. Journal of Visualized Experiments. (146), e59194 (2019).
- Co, J. Y., et al. Controlling epithelial polarity: A human enteroid model for host-pathogen interactions. Cell Reports. 26 (9), 2509-2520 (2019).
- Buonpane, C., et al. ROCK1 inhibitor stabilizes E-cadherin and improves barrier function in experimental necrotizing enterocolitis. The American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 318 (4), 781-792 (2020).
- Hill, D. R., Huang, S., Tsai, Y. H., Spence, J. R., Young, V. B. Real-time measurement of epithelial barrier permeability in human intestinal organoids. Journal of Visualized Experiments. (130), e56960 (2017).
- Lian, P., Braber, S., Varasteh, S., Wichers, H. J., Folkerts, G. Hypoxia and heat stress affect epithelial integrity in a Caco-2/HT-29 co-culture. Scientific Reports. 11, 13186 (2021).
- Zhao, W., Han, L., Bae, Y., Manickam, D. S. Lucifer yellow – A robust paracellular permeability marker in a cell model of the human blood-brain barrier. Journal of Visualized Experiments. (150), e58900 (2019).
- Manabe, A., et al. Chlorpheniramine increases paracellular permeability to marker fluorescein lucifer yellow mediated by internalization of occludin in murine colonic epithelial cells. Biological and Pharmaceutical Bulletin. 40 (8), 1299-1305 (2017).
- Bardenbacher, M., et al. Permeability analyses and three dimensional imaging of interferon gamma-induced barrier disintegration in intestinal organoids. Stem Cell Research. 35, 101383 (2019).
- Miyoshi, H., Stappenbeck, T. S. In vitro expansion and genetic modification of gastrointestinal stem cells in spheroid culture. Nature Protocols. 8 (12), 2471-2482 (2013).
- Buonpane, C., et al. Experimental modeling of necrotizing enterocolitis in human infant intestinal enteroids. Journal of Investigative Surgery. 35 (1), 111-118 (2022).
- Chanez-Paredes, S. D., Abtahi, S., Kuo, W. -. T., Turner, J. R. Differentiating between tight junction-dependent and tight junction-independent intestinal barrier loss in vivo. Methods in Molecular Biology. 2367, 249-271 (2021).
- Shen, L., Weber, C. R., Raleigh, D. R., Yu, D., Turner, J. R. Tight junction pore and leak pathways: A dynamic duo. Annual Review of Physiology. 73, 283-309 (2011).
- Monaco, A., Ovryn, B., Axis, J., Amsler, K. The epithelial cell leak pathway. International Journal of Molecular Sciences. 22 (14), 7677 (2021).
- Srinivasan, B., et al. TEER measurement techniques for in vitro barrier model systems. Journal of Laboratory Automation. 20 (2), 107-126 (2015).
- Kasendra, M., et al. Development of a primary human Small Intestine-on-a-Chip using biopsy-derived organoids. Scientific Reports. 8, 2871 (2018).
- Stroulios, G., et al. Culture methods to study apical-specific interactions using intestinal organoid models. Journal of Visualized Experiments. (169), e62330 (2021).
- Frost, T. S., Jiang, L., Lynch, R. M., Zohar, Y. Permeability of epithelial/endothelial barriers in transwells and microfluidic bilayer devices. Micromachines. 10 (8), 533 (2019).
