هنا، هناك أربع طرق لتوليد الخصية العضوية من خلايا الخصية الخصية الخصية حديثي الولادة الأولية هي وصفها، أي المصفوفة خارج الخلية (ECM) وبيئات الثقافة 2D و 3D الخالية من ECM. هذه التقنيات لها تطبيقات بحثية متعددة ومفيدة بشكل خاص لدراسة تطوير الخصية وعلم وظائف الأعضاء في المختبر.
توفر الخصية أداة لدراسة تطور الخصية، ونشوء الحيوانات المنوية، والغدد الصماء في المختبر. وقد تم تطوير عدة طرق من أجل خلق الأعضاء الخصية. يعتمد العديد من هذه الطرق على المصفوفة خارج الخلية (ECM) لتعزيز تجميع الأنسجة من جديد ، ومع ذلك ، هناك اختلافات بين الأساليب من حيث مورفولوجيا الأنسجة والوظائف الحيوية. وعلاوة على ذلك، هناك عدد قليل من المقارنات المباشرة بين الأساليب المنشورة. هنا، يتم إجراء مقارنة مباشرة من خلال دراسة الاختلافات في بروتوكولات توليد الأعضاء، مع النتائج المقدمة. أربعة أساليب الجيل الأركيولوجي: (1) 2D ECM خالية، (2) 2D ECM، (3) 3D ECM خالية، و (4) 3D ECM الثقافة هي الموصوفة. واستخدمت ثلاثة معايير أولية لتقييم توليد الخصية العضوية. هذه هي التجميع الذاتي الخلوي ، وإدراج أنواع الخلايا الرئيسية (Sertoli ، Leydig ، والجرثومة ، والخلايا المحيطية) ، والهندسة المعمارية الأنسجة المجزأة بشكل مناسب. من البيئات الأربع التي تم اختبارها، ولدت 2D ECM و 3D ECM-الثقافات organoids مع المورفولوجيا الداخلية الأكثر شبها الخصيتين الأصلية، بما في ذلك تقسيم دي نوفو من أنواع الخلايا الأنبوبية مقابل الخلالي، وتطوير هياكل تشبه الأنابيب، ودالة الغدد الصماء على المدى الطويل المنشأة. استخدمت جميع الأساليب التي تمت دراستها تعليق خلايا الخصية الأولية غير المُنَتَجة واستخدمت موارد الثقافة التي يمكن الوصول إليها بشكل شائع. وتوفر تقنيات توليد الخصية هذه مجموعة أدوات يسهل الوصول إليها ويمكن استنساخها للمبادرات البحثية في تكوين الأعضاء الخصية وعلم وظائف الأعضاء في المختبر.
الخصية هي تقنية رائدة لدراسة تطوير الخصية ، والحيوانات المنوية ، وعلم وظائف الأعضاء في المختبر1،2،3،4. وقد تم استكشاف عدة طرق لتوليد organoid; وتشمل هذه مجموعة متنوعة من المصفوفة خارج الخلية (ECM) وECM- أنظمة الثقافة الخالية، في كل من ثنائي الأبعاد (2D) وثلاثية الأبعاد (3D) التوجهات. يمكن أن تعزز أساليب التوليد المختلفة استراتيجيات تجميع خلوية متميزة؛ وهذا يؤدي إلى مستوى عال من التباين المورفولوجي والوظيفي بين النماذج العضوية المنشورة. الغرض من هذه المقالة هو مناقشة الحالة الراهنة للنماذج الخصية في المختبر، ولخدمة كنموذج للمحققين في المستقبل، عند تصميم التجارب الخصية. وفي إطار هذه الدراسة، تم تحديد أربعة نماذج مختلفة من نماذج النظم الثقافية وتتميز في العملية التجريبية والنتائج البيولوجية. وتشمل هذه: 2D ECM-Free، 2D ECM، 3D ECM-Free، و 3D ECM الأساليب ثقافة. تهدف الاستراتيجيات المعروضة هنا إلى أن تكون بسيطة وسهلة الاستخدام وقابلة للاستنساخ بشكل كبير بين مختلف المختبرات ومجموعات البحث.
تاريخيا للخصية، وقد استخدمت التسمية “في المختبر”، لعدة طرق مختلفة لثقافة الأنسجة والخلايا الخصية. وتشمل هذه الأنسجة العضوية / أساليب زراعة الجهاز (أي ثقافة explant)5، معزولة ثقافة أنبوب شبهيرول6، ثقافة الخلية الخصية7، وطرق دي نوفو تكوين الأنسجة (أي، وانشاءات البيولوجية والأجهزة)1. وقد أجريت التحقيقات الأولى في الحيوانات المنوية في المختبر قبل ما يقرب من 100 سنة، مع ثقافة الخصية الأرانب explants في 19208، وفي وقت لاحق في عام 1937 مع explants الماوس9. ضمن هذه التجارب الأولية لوحظ spermatogonia إلى حد كبير منحطة عبر الأسبوع الأول من الثقافة، على الرغم من أن بعض الخلايا التفريق meioticly تم تحديدها. تذكرنا هذه التقارير التاريخية، تم إحياء ثقافة explant testis الأمثل في عام 2011 لتصبح تقنية مجدية لدراسة الخصية10. منذ عام 2011، أنتجت ثقافة explant الحيوانات المنوية المختصة الخصوبة في تقارير متعددة11,12,13. ومع ذلك ، بسبب اعتماد ثقافة explant على أنابيب الخصية الأصلية الموجودة مسبقًا ، فإن هذه التطورات الأخيرة توصف بدقة أكبر كأمثلة على وظيفة الخصية “ex vivo” وتولد الحيوانات المنوية ، وظيفة الأنسجة التي تم الحفاظ عليها أو استئنافها عند إزالتها من جسم الكائن الحي. على الرغم من انتشارها في الأدب، على المدى الطويل صيانة الخلايا الجرثومية والتمايز داخل explants الخصية هو التحدي لتكرار14،,15،,16،,17،,18، وخاصة على مدى الأطر الزمنية طويلة بما يكفي لمراقبة كاملة في المختبر الحيوانات المنوية (~ 35 يوما في الفئران19 و 74 في البشر20). ومن المثير للاهتمام أن نقدر أن العديد من التحديات نفسها التي واجهتها قبل 100 سنة، لا تزال من ذوي الخبرة داخل الحيوانات المنوية السابقين vivo اليوم.
مختلفة عن النهج الجسم الحي السابق، والعضوية الخصية هي دي نوفو تجميعها microtissues ولدت تماما في المختبر من مصادر خلوية (أي الخلايا الخصية الأولية). توفر الخصية العضية استراتيجية مبتكرة للتحايل على الاعتماد التاريخي للحقل على الأنسجة المحلية الموجودة من قبل ، واختخيص بيولوجيا الخصية تمامًا في المختبر. هناك متطلبات متعددة مشتركة بين معظم نماذج الأنسجة العضوية; وتشمل هذه (1) في مورفولوجيا الأنسجة vivo-mimetic أو الهندسة المعمارية، (2) أنواع الخلايا الرئيسية المتعددة من الأنسجة الممثلة، (3) التجميع الذاتي أو التنظيم الذاتي في جيلهم، و (4) القدرة على محاكاة مستوى ما من وظيفة الأنسجة الممثلة وعلم وظائف الأعضاء21،,22،,23،,24. بالنسبة للخصيتين ، يمكن التقاط هذا في أربع علامات رئيسية: (1) إدراج أنواع خلايا الخصية الرئيسية ، الجرثومة، Sertoli، Leydig، peritubular، وغيرها من الخلايا الخلالية، (2) خلية موجهة الجمعية الأنسجة، (3) أنواع الخلايا المجزأة بشكل مناسب في مقصورات أنبوبي منفصلة (الجرثومة وSertoli) والمناطق الخلالي (جميع أنواع الخلايا الأخرى)، و (4) درجة ما من وظيفة الأنسجة (على سبيل المثال، إفراز هرمون أو استجابات الأنسجة، والحفاظ على الخلايا الجرثومية والتمايز). وبالنظر إلى التحديات التاريخية في الحفاظ على تمايز الخلايا الجرثومية السابقين في الجسم الحي وفي المختبر، فإن تلخيص في الهياكل الخصية المحنية -المحاكاة (أي الهياكل التي تشبه الأنابيب شبه المنيفيرة) مع علامات إضافية توحي بمحاكاة فسيولوجيا الخصية (على سبيل المثال، وظيفة الغدد الصماء)، هي معالم ذات أولوية نحو توليد الغدد الصماء التي قد تستمر يوماً ما في الحفاظ على تكوين الحيوانات المنوية في المختبر.
غالبية الأساليب العضوية الخصية المنشورة الاستفادة من ECM المتاحة تجاريا (مثل الكولاجين أو تركيبات ECM الملكية)25،26،27 أو ECMs حسب المصدر (أي، الخصيص decellularized الهيدروجين المستمدة من ECM)28،29،30. ECM خارجية يعزز تكوين الأنسجة دي نوفو من خلال توفير سقالة الجمعية داعمة لتوليد الأنسجة. وقد أتاحت أساليب ECM مستوى مثير للإعجاب من تكوين الأنسجة، بما في ذلك بعض وجود الخلايا الجرثومية ومورفولوجيا الأنسجة المحاكاة25،28. ومع ذلك، فإن ECMs التي يستخدمونها ليست متاحة دائماً عالمياً (أي هيدروجيلات مشتقة من ECM غير الخلوية)، وتتطلب بعض الطرق التوجهات المتطورة من الجل والخلايا البذر (مثل تدرجات 3 طبقات من ECM والطباعة ثلاثية الأبعاد)25و31,,و32. سقال طرق خالية (على سبيل المثال، معلقة قطرة ولوحات الثقافة nonadherent)33،34،35 كما ولدت organoids قوية وقابلة للاستنساخ للغاية دون الحاجة إلى المواد الهلامية ECM أو السقالات. ومع ذلك، فإن مورفولوجيا الأنسجة لهذه العضوية الخالية من السقالات غالباً ما تختلف عن الخصيتين الجسمية، ومعظم هذه التقارير تتضمن إضافة كيماوية بيولوجية ECM لتعزيز تكوين الأنسجة33،34،36، أو بدلاً من ذلك ، تعتمد على الطرد المركزي لتجميع الخلايا القسري وضغط34، مما يجعلها أقل مثالية لدراسة الهجرة الموجهة نحو الخلايا والتنظيم الذاتي.
تتضمن أساليب التوليد العضوية الأربعة المعروضة في هذه المخطوطة استراتيجيات مستقلة تعتمد على ECM، كل منها يستخدم البذر الخلوي البسيط الذي يتيح مراقبة التجميع الذاتي العضوي القائم على الخلية. يمكن تنفيذ التقنيات الأربعة جميعها من نفس التعليقات الخلوية أو يمكن أن تستفيد من مجموعات مخصصة ومخصبة من نوع الخلية. قوة هذه الطرق هي القدرة على مراقبة تجميع الأعضاء الذاتية في الوقت الحقيقي ، ومقارنة مباشرة كيف تتجمع الهياكل الخصية ذاتيا بين البيئة المجهرية المختلفة. وينبغي النظر في الاختلافات الظاهرية بين هذه الأساليب الثقافية الأربعة لتأثيرها على السؤال البحثي أو موضوع المحقق. وتنتج كل طريقة التركيبات البيولوجية أو الأعضاء في غضون 24 ساعة أو أقل. في الختام، فإن الأساليب المعروضة هنا توفر مجموعة من تقنيات التجميع العضوي لدراسة تجميع الخصية العضوية، وتطوير الأنسجة، وعلم وظائف الأعضاء الخصية في المختبر.
مع الانتهاء من هذا البروتوكول الجيل العضوي، سيكون للمستخدم أربع تقنيات ثقافة مختلفة متاحة لهم لتجميع التشييد الخصية و organoids في أي ECM أو ECM-البيئات الخالية من. الأهم من ذلك، جميع الأساليب الأربع تسمح للباحث لمراقبة غير الغازية التجميع الذاتي organoid مع مرور الوقت من خلال التصوير الفاصل الزمني …
The authors have nothing to disclose.
تم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة، المعهد الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية (NICHD) F31 HD089693، والمعهد الوطني لعلوم الصحة البيئية / المركز الوطني للنهوض بالعلوم الترجمية (NIEHS/NCATS) UH3TR001207 و4UH3ES029073-03، وSessed.000.03 توماس ج. واتكين.
الكتاب يود أن أشكر اريك و. روث لمساعدتهم في المجهر الإلكترون انتقال. وقد استفاد هذا العمل من مرفق BioCryo التابع لمركز جامعة نورث وسترنللعلوم والتكنولوجيات النووية (NUANCE) التابع لجامعة نورث وسترن، الذي تلقى الدعم من الموارد التجريبية لتكنولوجيا النانو (SHyNE) (NSF ECCS-1542205)؛ برنامج MRSEC (NSF DMR-1720139) في مركز أبحاث المواد؛ المعهد الدولي لتكنولوجيا النانو (IIN)؛ وولاية إلينوي، من خلال IIN. كما استخدمت معدات CryoCluster، التي تلقت الدعم من برنامج التصوير بالرنين المغناطيسي (NSF DMR-1229693). تم تصميم الرسومات في الشكل 1 باستخدام BioRender.com.
0.22 um Media Sterile Filters | Millipore Sigma | scgpu05re | For sterile filtering media |
3βHSD primary antibody | Cosmo Bio Co | K0607 | Leydig cell marker, 1:500 dilution |
AlexaFluor 568 α-Mouse | Thermo Fisher Scientific | A-21202 | Fluorescence-tagged secondary antibody |
AlexaFluor 568 α-Rabbit | Thermo Fisher Scientific | A10042 | Fluorescence-tagged secondary antibody |
Alpha Minimum Essential Medium | Thermo Fisher Scientific | 11-095-080 | Base of culture media |
Collagenase I | Worthington Bio | LS004197 | For dissociation solution 1 |
Corning Matrigel Membrane Matrix, LDEV-free | Corning | 354234 | Extracellular matrix used for casting 2D and 3D ECM culture gels |
Countess Cell counter | Thermo Fisher Scientific | C10227 | Autmated cell counter (hemacytometer machine) |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Thermo Fisher Scientific | C10228 | Hemacytometer slide for use with Countess automated counter |
DDX4 primary antibody | Abcam | 138540 | Spermatogonia marker, 1:500 dilution |
Deoxyribonuclease I (2,280 u/mgDW) | Worthington Bio | LS002140 | For dissociation solution 1 |
DPBS 1X, + CaCl + MgCl | Thermo Fisher Scientific | 14040182 | For reconstituting Hyaluronidase |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline +Ca/+Mg | Thermo Fisher Scientific | 14040117 | PBS |
Embryo Grade H2O | MIllipore Sigma | W1503 | For reconstituting Collagenase I and Dnase I |
Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | For quencing enzyme dissocation solutions |
Follicle stimulating hormone | Abcam | ab51888 | For long-term organoid culture |
Human chorionic gonadotropin | Millipore Sigma | C1063 | For long-term organoid culture |
Hyaluronidase, from bovine testes | Millipore Sigma | H4272 | For dissociation solution 2 |
Inhibin B Enzyme-linked Immunosorbent Assay | Ansh Labs | AL-107 | Inhibin B ELISA Kit |
KnockOut Serum Replacement | Thermo Fisher Scientific | 10828-028 | Serum source for Basal media |
MicroTissues 3D Petri Dish micro-mold spheroids (24-35, 5×7 array) | Millipore Sigma | Z764051 | For 3D ECM-Free organoid fabrication |
Nunc, Lab Tek II Chamber Slide System, 4-well | Thermo Fisher Scientific | 12-565-7 | For 2D ECM-free, and 2D, 3D ECM culture |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15-140-122 | Antibiotic for media |
Richard-Allan Scientific; Histogel, Specimen processing gel | Thermo Fisher Scientific | HG-4000-012 | For aiding paraffin embedding |
SOX9 primary antibody | Millipore Sigma | AB5535 | Sertoli Marker, 1:500 dilution |
Tedklad Global Mouse Chow (Breeder) | Teklad Global | 2920 | Mouse food without phytoestrogens |
Tedklad Global Mouse Chow (Maintenance) | Teklad Global | 2916 | Mouse food without phytoestrogens |
Testosterone Enzyme-linked Immunosorbent Assay | Calbiotech | TE373S | Testosterone ELISA Kit |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | For cell counting |
αSMA primary antibody | Millipore Sigma | A2547 | Peritubular marker, 1:500 dilution |
βCatenin primary antibody | BD Biosciences | 610154 | Sertoli Cytoplasm marker, 1:100 dilution |