Le co-colture organoide-fibroblasti forniscono un modello per studiare la nicchia delle cellule staminali in vivo . Qui viene descritto un protocollo per le co-colture organoide-fibroblasti esofagee. Inoltre, l’imaging a montaggio intero viene utilizzato per visualizzare l’interazione fibroblasto-organoide.
Le cellule staminali epiteliali e progenitrici contribuiscono alla formazione e al mantenimento della barriera epiteliale per tutta la vita. La maggior parte delle popolazioni di cellule staminali e progenitrici sono nascoste in posizioni anatomicamente distinte, consentendo interazioni esclusive con segnali di nicchia che mantengono la staminalità. Mentre lo sviluppo di colture organoidi epiteliali fornisce un potente strumento per comprendere il ruolo delle cellule staminali e progenitrici nell’omeostasi e nella malattia, l’interazione all’interno dell’ambiente di nicchia è in gran parte assente, ostacolando così l’identificazione dei fattori che influenzano il comportamento delle cellule staminali. I fibroblasti svolgono un ruolo chiave nel dirigere il destino del tronco epiteliale e del progenitore. Qui viene presentato un protocollo completo di co-coltura organoide-fibroblasti che consente la delineazione delle sottopopolazioni di fibroblasti nel rinnovamento e nella differenziazione delle cellule progenitrici esofagee. In questo protocollo, viene descritto un metodo per isolare sia le cellule epiteliali che i fibroblasti in parallelo dall’esofago. Sono delineate distinte strategie di selezione cellulare attivate dalla fluorescenza per isolare sia le cellule progenitrici esofagee che le sottopopolazioni di fibroblasti da topi transgenici reporter o wild-type. Questo protocollo fornisce un approccio versatile che può essere adattato per adattarsi all’isolamento di specifiche sottopopolazioni di fibroblasti. La creazione e il passaggio di monocolture organoidi epiteliali esofagee è incluso in questo protocollo, consentendo un confronto diretto con il sistema di co-coltura. Inoltre, viene descritto un approccio di compensazione 3D che consente un’analisi dettagliata delle immagini delle interazioni epiteliali-fibroblasti. Collettivamente, questo protocollo descrive un metodo comparativo e relativamente ad alto rendimento per identificare e comprendere i componenti di nicchia delle cellule staminali esofagee in vitro.
Gli organoidi sono utilizzati come saggi 3D in vitro per caratterizzare le cellule staminali e progenitrici, nonché per comprendere i segnali di segnalazione derivati dai componenti cellulari della nicchia delle cellule staminali 1,2,3,4. Gli organoidi esofagei di topo sono stati descritti per la prima volta nel 2014 e diversi articoli hanno identificato fattori di crescita, come R-Spondin (RSPO), NOGGIN e fattore di crescita epidermico (EGF), necessari per mantenere e passare gli organoidi esofagei 5,6,7, sostenendo che segnali di segnalazione simili sono necessari per in vivo Rinnovamento delle cellule progenitrici. Tuttavia, i fattori di crescita sono comunemente aggiunti in concentrazioni non fisiologiche, con conseguenti condizioni di crescita organoide che non riflettono necessariamente l’ambiente di segnalazione in vivo.
I fibroblasti sono popolazioni eterogenee di cellule stromali che supportano le proprietà delle cellule progenitrici in molte nicchie di cellule staminali8. La combinazione di cellule progenitrici epiteliali e fibroblasti nella stessa coltura organoide consente la formazione di organoidi in concentrazioni ridotte di fattori di crescita integrati esogenamente. Sono descritti sistemi di co-coltura organoidi da epiteli intestinali ed epatici, ma un protocollo per stabilire co-colture organoidi-fibroblasti esofagei è ancora in sospeso 9,10,11.
In questo protocollo, vengono delineate due strategie di selezione cellulare attivata dalla fluorescenza (FACS) per i fibroblasti dall’esofago, utilizzando topi transgenici PdgfrαH2BeGFP 12 o topi wild-type con colorazione anticorpale classica. Diverse sottopopolazioni di fibroblasti possono essere isolate utilizzando marcatori di superficie cellulare di scelta, fornendo così flessibilità al protocollo. Inoltre, una tecnica di imaging a fluorescenza 3D che preserva la morfologia organoide viene utilizzata per caratterizzare le interazioni fibroblasto-organoide. La pulizia degli organoidi fornisce un metodo rapido per aumentare la profondità di penetrazione della luce negli organoidi, migliorando la visualizzazione delle connessioni organoide-fibroblasti e consentendo la ricapitolazione della struttura organoide nella sua interezza. Questo protocollo combina la co-coltura di organoidi esofagei con una strategia di imaging a montaggio completo, consentendo la caratterizzazione funzionale dell’interazione fibroblasto-organoide.
Il protocollo qui presentato stabilisce un modello in vitro per lo studio delle interazioni funzionali epiteliali-fibroblasti esofagei.
Lo strato epiteliale è separato dallo stroma, consentendo un protocollo di dissociazione ottimizzato sia per il compartimento epiteliale che per quello stromale. Nonostante l’ottimizzazione del protocollo di dissociazione epiteliale, i grumi di tessuto rimangono evidenti. Il pipettaggio su e giù vigorosamente ogni 15 minuti diminuisce sostanzialmente il numero e le dimensioni dei grumi. Altri protocolli utilizzano la tripsina per dissociare ulteriormente lo strato epiteliale 5,6. Qui, l’uso di tripsina, o aumentare ulteriormente il tempo di dissociazione, non è raccomandato, in quanto ciò tende a provocare una diminuzione della vitalità delle cellule epiteliali e dell’efficienza di formazione degli organoidi. In contrasto con l’epitelio, lo stroma è facilmente dissociato e 30 minuti in soluzione di dissociazione si traduce in una sospensione unicellulare con ~ 90% di vitalità dei fibroblasti (Figura 1E). L’esclusione della fase di separazione epiteliale-stomale nel protocollo aumenta sostanzialmente il tempo di dissociazione, con conseguente diminuzione della vitalità dei fibroblasti e una minore resa delle cellule epiteliali. Inoltre, separare l’epitelio dallo stroma offre l’opportunità di determinare il numero di cellule di ciascuna popolazione e mescolare cellule epiteliali e fibroblasti di diverse linee di topo durante la creazione delle co-colture.
Lo studio della funzione dei fibroblasti sulla crescita organoide è un metodo comunemente usato nella biologia delle cellule staminali 9,10,11,15,16. I terreni di co-coltura consolidati sono DMEM integrato con siero fetale di vitello al 10% (FCS)9,15 o con fattore di crescita ridotto10,16. In questo protocollo, il mezzo ridotto del fattore di crescita viene utilizzato per imitare le condizioni nella nicchia delle cellule staminali in vivo, dove i fibroblasti sono in gran parte quiescenti. FCS è un siero ricco di fattori di crescita che provoca l’attivazione e la proliferazione dei fibroblasti nelle co-colture, probabilmente corrispondente a uno stato cellulare di fibroblasti distinto dallo stato in vivo. Escludendo la FCS e riducendo i fattori di crescita, in modo che il mezzo da solo (ERbasso) non supporti la crescita organoide e non stimoli la proliferazione dei fibroblasti, è possibile isolare l’effetto dei fibroblasti sulla crescita degli organoidi. In questo mezzo, NOGGIN viene rimosso e RSPO ridotto al minimo (10% RPSO). Sia NOGGIN che RSPO hanno dimostrato di essere essenziali per la crescita degli organoidi esofagei6. L’EGF è stato mantenuto nel mezzo di cocoltura, in quanto non supporta di per sé la crescita degli organoidi. Tuttavia, i fibroblasti sono anche in grado di supportare la crescita organoide in un mezzo ridotto di EGF (E basso Rbasso; Figura 2B,D).
Le co-colture organoidi non possono essere sostenute attraverso il passaggio poiché i fibroblasti vengono persi durante la tripsinizzazione. Tuttavia, il passaggio degli organoidi è stato incluso nel protocollo poiché gli organoidi esofagei possono essere mantenuti, ampliati e utilizzati per ulteriori esperimenti come mono-colture. Gli organoidi passati da monocolture possono essere utilizzati per creare co-colture con fibroblasti appena isolati. Uno svantaggio dell’uso di cellule primarie è il numero di topi necessari per creare più co-colture di organoidi. Quando ci si concentra su piccole sottopopolazioni di fibroblasti, il numero di co-colture ottenute è limitato. In altri protocolli, i fibroblasti vengono prima espansi in coltura prima di utilizzarli per creare co-colture organoidi10. Tuttavia, i fibroblasti cambiano morfologia e identità durante il passaggio, come dimostrato utilizzando fibroblasti primari cutanei e cardiaci17,18. Il passaggio 2D convenzionale dei fibroblasti esofagei provoca cambiamenti sia di morfologia che di fenotipo, dimostrando che l’arricchimento in vitro dei fibroblasti non è adatto per le co-colture che mirano a fenocopiare la nicchia delle cellule staminali endogene.
La colorazione a montaggio intero fornisce uno strumento per mantenere e visualizzare l’interazione fibroblasto-organoide. Va notato che, mentre non tutti gli organoidi avranno fibroblasti direttamente attaccati ad essi, la maggior parte degli organoidi sono in contatto con fibroblasti (vedi Figura 2C). Per mantenere le interazioni epiteliali-fibroblasti, è importante maneggiare gli organoidi con cura ed evitare il pipettaggio vigoroso, il vortice e la rotazione ad alta velocità. La fissazione ottimale è importante per mantenere l’architettura tissutale 3D e mantenere la fluorescenza endogena. Una fissazione di 30 minuti è sufficiente per mantenere il segnale H2BeGFP ed è ottimale per gli anticorpi utilizzati in questo protocollo, tuttavia questo potrebbe variare tra i fluorofori e gli anticorpi utilizzati. La pulizia degli organoidi riduce la dispersione della luce e migliora sostanzialmente la visualizzazione dell’intera struttura 3D. Poiché gli organoidi sono piccoli, la pulizia è facile e veloce; tuttavia, l’imaging di interi organoidi utilizzando la microscopia confocale a scansione laser può richiedere molto tempo, poiché è necessario creare più stack Z. I microscopi confocali, come il disco rotante, possono essere utilizzati per ridurre i tempi di imaging.
Nel complesso, gli organoidi esofagei cresciuti in presenza di fibroblasti forniscono uno strumento prezioso per comprendere aspetti della nicchia delle cellule staminali esofagee. Inoltre, la compensazione dell’intera montatura fornisce un metodo accessibile per visualizzare l’interazione tra fibroblasti e organoidi.
The authors have nothing to disclose.
Questo studio è stato sostenuto dal CER StG TroyCAN (851241). E.E. è un associato post-dottorato Cancerfonden. M.G. è Ragnar Söderberg Fellow e Cancerfonden Junior Investigator. Siamo grati per l’assistenza tecnica delle strutture principali del Karolinska Institutet, tra cui la Biomedicum Flow Cytometry Core Facility, il Biomedicum Imaging Core (BIC) e la struttura per animali Comparative Medicine Biomedicum (KMB). Ringraziamo i membri del laboratorio Genander per aver attentamente letto e commentato il protocollo.
B-27 Supplement (50X), serum free | Thermo Fisher (Gibco) | 17504001 | |
Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix | fisher scientific | 356231 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 276855-100ML | |
DMEM/F-12 | Thermo Fisher (Gibco) | 11320074 | |
DPBS | Thermo Fisher (Gibco) | 14190250 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | F7524 | |
GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher (Gibco) | 35050061 | |
HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red | Thermo Fisher (Gibco) | 14175-129 | |
Normal Donkey Serum | Jackson Immuno | 017-000-121 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher (Gibco) | 15140122 | |
Triton X-100 solution | Merck | 93443-100ML | |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | Thermo Fisher (Gibco) | 25200-056 | |
Chemicals, Peptides, and recombinant proteins | |||
DAPI Solution | Thermo Fisher | 62248 | |
Dissociation solution: 0.25 mg/ml Liberase TM, 0.25 mg/ml Dnase in HBSS | |||
Dnase I | Sigma-Aldrich | 11284932001 | |
Formaldehyde, 37%, with 10-15% methanol | Sigma-Aldrich | 252549-1L | |
Liberase | Sigma-Aldrich | 5401127001 | |
N-Acetyl-cysteine | Sigma-Aldrich | A9165-25G | |
Noggin murine | Peprotech | 250-38 | |
RapiClear 1.47 | SunJin Lab | #RC147001 | |
Recombinant Mouse EGF Protein, CF | R&D systems | 2028-EG-200 | |
R-spondin-1 murine | Peprotech | 315-32 | |
SYTOX Blue Dead Cell Stain | Thermo Fisher | S34857 | |
Thermolysin | Sigma-Aldrich | T7902-25MG | |
Y-27632 dihydrochloride | Sigma-Aldrich | Y0503-5MG | |
Plastic & Glassware | |||
Corning Sterile Cell Strainers 40um | VWR | 15360801 | |
Corning Sterile Cell Strainers 70um | VWR | 431751 | |
Menzel Deckgläser/ cover slips | Thermo Fisher | Q10143263NR15 | |
SafeSeal reaction tube, 1.5 mL, PP | Sarstedt | 72.706 | |
Snap Cap Low Retention Microcentrifuge Tubes 0.6 mL | Thermo Fisher | 3446 | |
SuperFrost Slides | VWR | 631-9483 | |
Tools | |||
0.05 mm 4 circular well iSpacer | SunJin Lab | #IS204 | |
Dumont #5 forceps, biology tip | F.S.T | 11252-20 | |
ImmEdge Pen | VectorLaboratories | H-4000 | |
Spring Scissors Angled to Side Ball Tip 8mm Cutting Edge | F.S.T | 15033-09 | |
Instruments | |||
Confocal microscope Stellaris 5 | Leica | ||
Dissection microscope ZEISS Stemi 305 | Zeiss | ||
FACS ARIA III | BD Biosciences | ||
Conjugated Antibodies for FACS | |||
Alexa Fluor 647 anti-mouse CD104 Antibody Clone: 346-11A |
123608 | 123608 | |
APC anti-mouse CD26 (DPP-4) Antibody | H194-112 | H194-112 | |
PE/Cy7 anti-mouse/human CD324 (E-Cadherin) Antibody | 147310 | 147310 | |
Antibodies for Immunofluorescence | |||
CD104 (ß-integrin 4) Clone: 346-11A |
BioLegend | 553745 | |
Cytokeratin 14 | Acris Antibodies (AbD Serotec) | BP5009 | |
Cytokeratin13 Clone: EPR3671 |
abcam | ab92551 | |
E-cadherin (CD324) Clone: 2.40E+11 |
Cell Signaling Technology | 3195 | |
Keratin 5 Polyclonal Chicken Antibody, Purified Clone: Poly9059 |
BioLegend | 905901 | |
p63 Clone: 4a4 |
abcam | ab735 | |
Recombinant Anti-KLF4 antibod Clone: EPR20753-25 |
abcam | ab214666 | |
Vimentin | Sigma-Aldrich | AB5733 | |
Secondary antibodies | |||
Donkey anti-species* antibodies with fluorophore of choice | Jackson Immuno |