Cultura tridimensional de criptas colônicas murinas para estudar a função das células-tronco intestinais ex vivo
Summary
O presente protocolo descreve o estabelecimento de um sistema organoide colônico murino para estudar a atividade e o funcionamento das células-tronco colônicas em um modelo knockout de claudina-7.
Abstract
O epitélio intestinal se regenera a cada 5-7 dias e é controlado pela população de células-tronco epiteliais intestinais (IESC) localizada na parte inferior da região da cripta. Os IESCs incluem células-tronco ativas, que se auto-renovam e se diferenciam em vários tipos de células epiteliais, e células-tronco quiescentes, que servem como células-tronco de reserva em caso de lesão. A regeneração do epitélio intestinal é controlada pelas capacidades de auto-renovação e diferenciação dessas IESCs ativas. Além disso, o equilíbrio da população de células-tronco criptas e a manutenção do nicho de células-tronco são essenciais para a regeneração intestinal. A cultura organoide é uma abordagem importante e atraente para estudar proteínas, moléculas de sinalização e pistas ambientais que regulam a sobrevivência e as funções das células-tronco. Este modelo é menos caro, menos demorado e mais manipulável do que os modelos animais. Os organoides também imitam o microambiente tecidual, proporcionando relevância in vivo. O presente protocolo descreve o isolamento de criptas colônicas, incorporando essas células de cripta isoladas em um sistema de matriz de gel tridimensional e cultivando células de cripta para formar organoides colônicos capazes de auto-organização, proliferação, auto-renovação e diferenciação. Este modelo permite manipular o ambiente – nocauteando proteínas específicas, como a claudina-7, ativando/desativando vias de sinalização, etc. – para estudar como esses efeitos influenciam o funcionamento das células-tronco colônicas. Especificamente, o papel da proteína claudina-7 de junção apertada na função das células-tronco colônicas foi examinado. Claudin-7 é vital para manter a homeostase intestinal e função de barreira e integridade. O knockout da claudina-7 em camundongos induz um fenótipo semelhante à doença inflamatória intestinal, exibindo inflamação intestinal, hiperplasia epitelial, perda de peso, ulcerações mucosas, descamação de células epiteliais e adenomas. Anteriormente, foi relatado que a claudina-7 é necessária para as funções das células-tronco epiteliais intestinais no intestino delgado. Neste protocolo, um sistema de cultura organoide colônica é estabelecido para estudar o papel da claudina-7 no intestino grosso.
Introduction
A cultura organoide intestinal é um sistema tridimensional (3D) ex vivo no qual as células-tronco são isoladas das criptas intestinais do tecido primário e plaqueadas em uma matriz de gel 1,2. Essas células-tronco são capazes de auto-renovação, auto-organização e funcionalidade de órgãos2. Os organoides imitam o microambiente tecidual e são mais semelhantes aos modelos in vivo do que os modelos de cultura celular in vitro bidimensionais (2D), embora menos manipuláveis que as células 3,4. Esse modelo elimina obstáculos encontrados em modelos 2D, como a falta de aderências célula-célula adequadas, interações célula-matriz e populações homogêneas, e também reduz as limitações dos modelos animais, incluindo altos custos e longos períodos de tempo5. Os organoides intestinais – também conhecidos como colonóides para aqueles cultivados a partir de células-tronco derivadas de criptas colônicas – são essencialmente mini-órgãos que contêm um epitélio, incluindo todos os tipos de células que estariam presentes in vivo, bem como um lúmen. Esse modelo permite a manipulação do sistema para estudar diversos aspectos do intestino, como o nicho de células-tronco, a fisiologia intestinal, a fisiopatologia e a morfogênese intestinal 3,5,6. Também fornece um ótimo modelo para a descoberta de medicamentos, estudando distúrbios intestinais humanos, como doença inflamatória intestinal (DII) e câncer colorretal, desenvolvimento de tratamento personalizado específico do paciente e estudo da regeneração tecidual 4,7,8,9. Além disso, o sistema organoide também pode ser utilizado para estudar a comunicação celular, o metabolismo de fármacos, a viabilidade, a proliferação e a resposta a estímulos 7,8. Embora os modelos animais possam ser usados para testar potenciais terapêuticas para condições patológicas intestinais, eles são bastante limitados, pois o estudo de várias drogas ao mesmo tempo representa um desafio. Há mais variáveis de confusão in vivo, e o custo e o tempo associados são altos e longos, respectivamente. Por outro lado, o sistema de cultura de organoides permite a triagem de muitas terapêuticas de uma só vez em um período de tempo mais curto e também permite o tratamento personalizado por meio do uso de cultura organoide derivada do paciente 4,8. A capacidade dos organoides colônicos de imitar a organização, o microambiente e a funcionalidade dos tecidos também os torna um excelente modelo para o estudo da regeneração e do reparo tecidual9. Nosso laboratório estabeleceu um sistema de cultura organoide do intestino delgado para estudar o efeito da claudina-7 nas funções das células-tronco do intestino delgado10. Neste estudo, um sistema de cultura de organoides do intestino grosso é estabelecido para estudar a capacidade, ou a falta de habilidade, das células-tronco de se auto-renovarem, diferenciarem e proliferarem em um modelo condicional de nocaute de claudina-7 (cKO).
A Claudin-7 é uma proteína de junção apertada (TJ) muito importante, altamente expressa no intestino e essencial para a manutenção da função e integridade do TJ11. Camundongos cKO sofrem de fenótipo semelhante ao da DII, exibindo inflamação grave, ulcerações, descamação de células epiteliais, adenomas e aumento dos níveis de citocinas11,12. Embora seja amplamente aceito que os claudins são vitais para a função de barreira epitelial, novos papéis para os claudins estão surgindo; estão envolvidos na proliferação, migração, progressão do câncer e função das células-tronco 10,12,13,14,15,16,17. Atualmente, não se sabe como a claudina-7 afeta o nicho de células-tronco e a função das células-tronco colônicas. Como o intestino se auto-renova rapidamente aproximadamente a cada 5-7 dias, a manutenção do nicho de células-tronco e o bom funcionamento das células-tronco ativas são vitais18. Aqui, um sistema é estabelecido para examinar os potenciais efeitos regulatórios da claudina-7 no nicho de células-tronco colônicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
A cultura organoide é um excelente modelo para o estudo da função das células-tronco, fisiologia intestinal, descoberta de medicamentos, doenças intestinais humanas e regeneração e reparo tecidual 7,8,9,10,11,26. Embora tenha muitas vantagens, pode ser um desafio estabelecer. Deve-se ter cuidado em todas as etapas ao l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi financiado pelo NIH DK103166.
Materials
| 0.09 cubic feet space-saver vacuum desiccator | United States Plastic Corp | 78564 | anesthesia chamber |
| 0.5 M EDTA pH 8.0 | Invitrogen | AM9261 | |
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | ThermoFisher | 69715 | |
| 15 mL conical centrifuge tubes | Fisher Scientific | 14-959-53A | |
| 1x Dulbecco’s Phosphate buffered saline | Gibco | 14190-144 | |
| 2-methylbutane | Sigma | 277258 | |
| 4% paraformaldehyde | ThermoFisher | J61899.AK | |
| 4-hydroxytamoxifen (4OH-TAM) | Sigma | 579002 | |
| 50 mL conical centrifuge tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| 70 µm nylon cell strainer | Corning | 352350 | |
| 96 well culture plate | Greiner Bio-One | 655180 | |
| B-27 Supplement (50x) | Gibco | 12587-010 | |
| Bovine serum albumin | Fisher Scientific | BP1605-100 | |
| Claudin-7 anti-murine rabbit antibody | Immuno-Biological Laboratories | 18875 | |
| Cover glass (24 x 50-1.5) | Fisher Scientific | 12544E | |
| Cryomolds | vwr | 25608-916 | |
| Cultrex RCF BME, Type 2 | R&D Systems | 3533-005-02 | gel matrix |
| Cy3 anti-rabbit antibody | Jackson Immunoresearch | 111-165-003 | |
| Dewar Flask | Thomas Scientific | 1173F61 | |
| DMEM High Glucose with L-Glutamine | ATCC | 30-2002 | |
| EVOS FLoid Imaging System | ThermoFisher | 4477136 | |
| Fluoro-Gel II with DAPI | Electron Microscopy Sciences | 17985-50 | |
| GlutaMAX (100x) | Gibco | 35050-061 | |
| Glycine | JT Baker | 4059-02 | |
| HEPES (1 M) Buffer Solution | Gibco | 15630-080 | |
| Hoechst | ThermoFisher | 62249 | |
| In situ cell death detection kit, TMR Red | Roche | 12156792910 | |
| Isoflurane | Pivetal | 07-893-8440 | |
| L-WRN Media | Harvard Medical School Gastrointestinal Organoid Derivation and Culture Core | N/A | |
| Mouse surgical kit | Kent Scientific Corporation | INSMOUSEKIT | |
| Murine EGF | PeproTech | 315-09-500UG | |
| N2 Supplement (100x) | Gibco | 17502-048 | |
| Optimum cutting temperature (OCT) compound | Agar Scientific | AGR1180 | |
| Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
| Sequenza Rack | vwr | 10129-584 | |
| Sodium Citrate | Fisher Scientific | S-279 | |
| Sucrose | Sigma | S9378 | |
| Triton X-100 | Sigma | X100 | |
| Vacuum filter (0.22 µm; cellulose acetate) | Corning | 430769 | |
| Y-27632 dihydrochloride | Tocris Bioscience | 1254 |
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