Organoid-fibroblast ko-kültürleri, in vivo kök hücre nişini incelemek için bir model sağlar. Burada, özofagus organoid-fibroblast ko-kültürleri için bir protokol tanımlanmıştır. Ek olarak, fibroblast-organoid etkileşimini görselleştirmek için tüm montaj görüntülemesi kullanılır.
Epitel kök ve progenitör hücreleri, yaşam boyunca epitel bariyerinin oluşumuna ve korunmasına katkıda bulunur. Çoğu kök ve progenitör hücre popülasyonu, anatomik olarak farklı yerlerde sıkışıp kalır ve bu da köklülüğü koruyan niş sinyallerle özel etkileşimler sağlar. Epitelyal organoid kültürlerin gelişimi, kök ve progenitör hücrelerin homeostaz ve hastalıktaki rolünü anlamak için güçlü bir araç sağlarken, niş ortam içindeki etkileşim büyük ölçüde yoktur, böylece kök hücre davranışını etkileyen faktörlerin tanımlanmasını engeller. Fibroblastlar epitel sapı ve progenitör kaderini yönlendirmede anahtar rol oynamaktadır. Burada, özofagus progenitör hücre yenilenmesi ve farklılaşmasında fibroblast alt popülasyonlarının tanımlanmasını sağlayan kapsamlı bir organoid-fibroblast ko-kültür protokolü sunulmuştur. Bu protokolde, hem epitel hücrelerini hem de fibroblastları yemek borusundan paralel olarak izole etmek için bir yöntem tanımlanmıştır. Hem özofagus progenitör hücrelerini hem de fibroblast alt popülasyonlarını transgenik muhabir veya vahşi tip farelerden izole etmek için farklı floresan aktive hücre sıralama stratejileri özetlenmiştir. Bu protokol, spesifik fibroblast alt popülasyonlarının izolasyonuna uyum sağlamak için uyarlanabilecek çok yönlü bir yaklaşım sağlar. Özofagus epitelyal organoid mono-kültürlerinin kurulması ve geçiştirilmesi bu protokole dahil edilmiştir ve ko-kültür sistemi ile doğrudan karşılaştırma yapılmasına olanak sağlanmaktadır. Ek olarak, epitelyal-fibroblast etkileşimlerinin ayrıntılı görüntü analizine izin veren bir 3D temizleme yaklaşımı açıklanmaktadır. Toplu olarak, bu protokol, özofagus kök hücre niş bileşenlerini in vitro olarak tanımlamak ve anlamak için karşılaştırmalı ve nispeten yüksek verimli bir yöntemi tanımlamaktadır.
Organoidler, kök ve progenitör hücreleri karakterize etmek ve kök hücre nişinin hücresel bileşenlerinden türetilen sinyal ipuçlarını anlamak için 3D in vitro tahliller olarak kullanılır 1,2,3,4. Fare özofagus organoidleri ilk olarak 2014 yılında tanımlanmıştır ve birkaç makale, özofagus organoidlerini korumak ve geçmek için gerekli olan R-Spondin (RSPO), NOGGIN ve epidermal büyüme faktörü (EGF) gibi büyüme faktörlerini tanımlamıştır 5,6,7, in vivo için benzer sinyal ipuçlarının gerekli olduğunu savunmuştur progenitör hücre yenilenmesi. Bununla birlikte, büyüme faktörleri genellikle fizyolojik olmayan konsantrasyonlarda eklenir ve bu da in vivo sinyal ortamını mutlaka yansıtmayan organoid büyüme koşullarına neden olur.
Fibroblastlar, birçok kök hücre nişinde progenitör hücre özelliklerini destekleyen heterojen stromal hücre popülasyonlarıdır8. Epitelyal progenitör hücrelerin ve fibroblastların aynı organoid kültürde birleştirilmesi, ekzojen olarak takviye edilmiş büyüme faktörlerinin azaltılmış konsantrasyonlarında organoid oluşumunu sağlar. İntestinal ve hepatik epitelden organoid ko-kültür sistemleri tanımlanmıştır, ancak özofagus organoid-fibroblast ko-kültürlerini oluşturmak için bir protokol hala göze çarpmaktadır 9,10,11.
Bu protokolde, transgenik PdgfrαH2BeGFP fare12 veya klasik antikor boyaması olan vahşi tip fareler kullanılarak yemek borusundan fibroblastlar için iki floresan aktive hücre sıralama (FACS) stratejisi özetlenmiştir. Fibroblastların farklı alt popülasyonları, tercih edilen hücre yüzey belirteçleri kullanılarak izole edilebilir, böylece protokole esneklik sağlanır. Ek olarak, fibroblast-organoid etkileşimlerini karakterize etmek için organoid morfolojiyi koruyan bir 3D floresan görüntüleme tekniği kullanılır. Organoid temizleme, organoidlerdeki ışık penetrasyon derinliğini arttırmak, organoid-fibroblast bağlantılarının görselleştirilmesini iyileştirmek ve organoid yapının bütünüyle özetlenmesini sağlamak için hızlı bir yöntem sağlar. Bu protokol, özofagus organoid ko-kültürünü bütün bir montaj görüntüleme stratejisi ile birleştirerek fibroblast-organoid etkileşiminin fonksiyonel karakterizasyonunu sağlar.
Burada sunulan protokol, fonksiyonel özofagus epitel-fibroblast etkileşimlerini araştırmak için in vitro bir model oluşturmaktadır.
Epitel tabakası stromadan ayrılır ve hem epitel hem de stromal bölme için optimize edilmiş bir ayrışma protokolüne izin verir. Epitelyal dissosiyasyon protokolünün optimizasyonuna rağmen, doku kümeleri belirgin kalmaktadır. Her 15 dakikada bir kuvvetli bir şekilde yukarı ve aşağı pipetleme, kümelerin sayısını ve boyutunu önemli ölçüde azaltır. Diğer protokoller, epitel tabakası 5,6’yı daha da ayrıştırmak için tripsin kullanır. Burada, tripsin kullanımı veya ayrışma süresinin daha da arttırılması, epitel hücre canlılığının azalmasına ve organoid oluşturma verimliliğine neden olma eğiliminde olduğu için önerilmez. Epitelin aksine, stroma kolayca ayrışır ve ayrışma çözeltisinde 30 dakika, ~% 90 fibroblast canlılığına sahip tek hücreli bir süspansiyonla sonuçlanır (Şekil 1E). Protokolde epitelyal-stomal ayırma basamağının hariç tutulması, ayrışma süresini önemli ölçüde artırarak fibroblast canlılığının azalmasına ve epitel hücrelerinin veriminin düşmesine neden olur. Ek olarak, epiteli stromadan ayırmak, her popülasyonun hücre sayılarını belirlemek ve ortak kültürleri kurarken epitel hücrelerini ve fibroblastları farklı fare çizgilerinden karıştırmak için bir fırsat sağlar.
Organoid büyüme üzerine fibroblast fonksiyonunun incelenmesi, kök hücre biyolojisinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir 9,10,11,15,16. Yerleşik ko-kültür ortamları ya %10 fetal buzağı serumu (FCS)9,15 ile desteklenen DMEM ya da büyüme faktörü azaltılmış orta10,16’dır. Bu protokolde, büyüme faktörü azaltılmış ortam, fibroblastların büyük ölçüde sessiz olduğu in vivo kök hücre nişindeki koşulları taklit etmek için kullanılır. FCS, ko-kültürlerde fibroblastların aktivasyonu ve proliferasyonu ile sonuçlanan, muhtemelen in vivo durumdan farklı bir fibroblast hücre durumuna karşılık gelen büyüme faktörü bakımından zengin bir serumdur. FCS’yi dışlayarak ve büyüme faktörlerini azaltarak, böylece tek başına ortam (ERdüşük) organoid büyümeyi desteklemez ve fibroblast proliferasyonunu uyarmaz, fibroblastların organoid büyüme üzerindeki etkisini izole etmek mümkündür. Bu ortamda, NOGGIN kaldırılır ve RSPO minimuma indirilir (% 10 RPSO). Hem NOGGIN hem de RSPO’nun özofagus organoid büyümesi için gerekli olduğu gösterilmiştir6. EGF, organoid büyümeyi kendi başına desteklemediği için ko-kültür ortamında tutuldu. Bununla birlikte, fibroblastlar ayrıca EGF ile indirgenmiş bir ortamda organoid büyümesini destekleyebilir (E düşük, R,düşük; Şekil 2B,D).
Organoid ko-kültürler, tripsinizasyon sırasında fibroblastlar kaybolduğu için geçiş yoluyla sürdürülemez. Bununla birlikte, özofagus organoidleri korunabildiğinden, genişletilebildiğinden ve mono-kültürler olarak daha fazla deney için kullanılabildiğinden, organoid pasajlama protokole dahil edilmiştir. Mono-kültürlerden pasajlı organoidler, yeni izole edilmiş fibroblastlarla ortak kültürler oluşturmak için kullanılabilir. Birincil hücrelerin kullanılmasının bir dezavantajı, çoklu organoid ko-kültürleri kurmak için gereken fare sayısıdır. Fibroblastların küçük alt popülasyonlarına odaklanıldığında, elde edilen ko-kültürlerin sayısı sınırlıdır. Diğer protokollerde, fibroblastlar organoid ko-kültürleri kurmak için kullanılmadan önce kültürde ilk önce genişletilir10. Bununla birlikte, fibroblastlar geçiş sırasında morfolojiyi ve kimliği değiştirir, primer deri ve kardiyak fibroblastlar kullanılarak gösterilmiştir17,18. Özofagus fibroblastlarının konvansiyonel 2D geçişi hem morfoloji hem de fenotip değişikliklerine neden olur ve fibroblastların in vitro zenginleştirilmesinin endojen kök hücre nişini fenoskopi yapmayı amaçlayan ko-kültürler için uygun olmadığını gösterir.
Tüm montaj boyama, fibroblast-organoid etkileşimini korumak ve görselleştirmek için bir araç sağlar. Tüm organoidlerin doğrudan kendilerine bağlı fibroblastları olmasa da, çoğu organoidin fibroblastlarla temas halinde olduğu belirtilmelidir (bkz. Şekil 2C). Epitelyal-fibroblast etkileşimlerini sürdürmek için, organoidleri dikkatli bir şekilde ele almak ve kuvvetli pipetleme, vorteks ve yüksek hızlı eğirmeden kaçınmak önemlidir. Optimal fiksasyon, 3D doku mimarisini korumak ve endojen floresanı korumak için önemlidir. 30 dakikalık bir fiksasyon, H2BeGFP sinyalini korumak için yeterlidir ve bu protokolde kullanılan antikorlar için en uygunudur, ancak bu, kullanılan floroforlar ve antikorlar arasında değişebilir. Organoidlerin temizlenmesi ışık saçılımını azaltır ve tüm 3D yapının görselleştirilmesini önemli ölçüde geliştirir. Organoidler küçük olduğundan, temizleme kolay ve hızlıdır; Bununla birlikte, lazer taramalı konfokal mikroskopi kullanarak tüm organoidlerin görüntülenmesi zaman alıcı olabilir, çünkü birden fazla Z-yığınının yapılması gerekir. Dönen disk gibi konfokal mikroskoplar, görüntüleme süresini azaltmak için kullanılabilir.
Genel olarak, fibroblastların varlığında yetiştirilen özofagus organoidleri, özofagus kök hücre nişinin yönlerini anlamak için değerli bir araç sağlar. Ek olarak, tüm montaj temizleme, fibroblastlar ve organoidler arasındaki etkileşimi görselleştirmek için erişilebilir bir yöntem sağlar.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma ERC StG TroyCAN (851241) tarafından desteklenmiştir. E.E. bir Cancerfonden Doktora Sonrası Yardımcısıdır. M.G. bir Ragnar Söderberg Üyesi ve Cancerfonden Junior Araştırmacısıdır. Biyomedikal Akış Sitometri Çekirdek Tesisi, Biyomedikal Görüntüleme Çekirdeği (BIC) ve Karşılaştırmalı Tıp Biyomedikal (KMB) hayvan tesisi de dahil olmak üzere Karolinska Enstitüsü çekirdek tesislerinden gelen teknik yardım için minnettarız. Genander laboratuvarı üyelerine protokolü dikkatlice okudukları ve yorumladıkları için teşekkür ederiz.
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 |