We describe a method to establish human enteroids from small intestinal crypts and colonoids from colon crypts collected from both surgical tissue and biopsies. In this methodological article, we present the culture modalities that are essential for the successful growth and maintenance of human enteroids and colonoids.
The epithelium of the gastrointestinal tract is constantly renewed as it turns over. This process is triggered by the proliferation of intestinal stem cells (ISCs) and progeny that progressively migrate and differentiate toward the tip of the villi. These processes, essential for gastrointestinal homeostasis, have been extensively studied using multiple approaches. Ex vivo technologies, especially primary cell cultures have proven to be promising for understanding intestinal epithelial functions. A long-term primary culture system for mouse intestinal crypts has been established to generate 3-dimensional epithelial organoids. These epithelial structures contain crypt- and villus-like domains reminiscent of normal gut epithelium. Commonly, termed “enteroids” when derived from small intestine and “colonoids” when derived from colon, they are different from organoids that also contain mesenchyme tissue. Additionally, these enteroids/colonoids continuously produce all cell types found normally within the intestinal epithelium. This in vitro organ-like culture system is rapidly becoming the new gold standard for investigation of intestinal stem cell biology and epithelial cell physiology. This technology has been recently transferred to the study of human gut. The establishment of human derived epithelial enteroids and colonoids from small intestine and colon has been possible through the utilization of specific culture media that allow their growth and maintenance over time. Here, we describe a method to establish a small intestinal and colon crypt-derived system from human whole tissue or biopsies. We emphasize the culture modalities that are essential for the successful growth and maintenance of human enteroids and colonoids.
胃肠道的衬里上皮细胞是在不断更新。这个过程是由肠干细胞(ISCS),它连续地产生子代迅速更换肠上皮,因为它翻转的增殖触发。增殖隔室包括所述ISC的被限制在隐窝的底部。综合监控系统产生的后代最终分化成吸收或分泌谱系。走出地下室,并到绒毛或表面上皮细胞逐步分化,因为他们去角质前向上迁移到管腔1。 ISC的产生所有肠上皮细胞类型,包括肠,微皱细胞,肠内分泌细胞,杯状细胞,绒头细胞和帕内特细胞。结肠的特点是多为结肠和杯状细胞组成的长形墓穴,有散肠内分泌和一簇细胞2。
体外 CULTURE系统构成有前途的工具,学习ISC维护和肠组织的动态平衡。然而,这是难以依靠组织培养技术的生理条件不充分再现和上皮微环境经常改变3,4。在ISC领域的一个重大进步是建立组织培养技术来维护和使用已定义的生长因子来替代正常的肠道利基信号扩大个体鼠ISC的。长期培养条件由Sato等人描述的,在其中单隐窝或从肠道上皮分离的干细胞的生长,以形成3维的上皮结构,包括多个隐窝样结构域5-7。这些立体结构发生裂变的事件不断扩大。有趣的是,所有的具体来源的组织中的肠细胞类型产生和以及被挤压成的内腔8。使用该系统的变型,上皮组织体可以从胃,小肠和结肠中产生。更具体地,从小肠上皮组织体是enteroids 9,以及那些从结肠是colonoids 9,10。这些上皮类器官培养系统已被用于测试分离的单细胞的充当干细胞在体外培养 ,从而检测分离的细胞5,6,10-15的“干细胞”的能力。其他研究者已经使用既enteroids和colonoids研究个体的上皮细胞16-21的功能。因此,enteroid和colonoid培养物可以被用于评估两个干和非干细胞的功能,并提供新的洞察肠子内基本细胞相互作用。
在2011年,佐藤和同事产生来自人小肠和结肠22,23衍生上皮组织体的长期培养。除了在介质组合物中,人上皮enteroids差异和colonoids表现出相同的特点及其小鼠对应。此外,他们可以从患病组织诸如巴雷特食管,腺瘤或腺癌,和囊性纤维化22,24产生。人类enteroids构成宝贵的系统来研究肠干细胞和上皮粘膜生物学,并作为一个新的实验系统,研究正常和异常消化道生理3。
这里,我们描述的方法来建立enteroids和colonoids来自人小肠和结肠隐窝( 图1)。在这种方法审查,我们强调从整个组织活检地下室集合。我们概括的培养方式,这对于成功的生长和维持人类enteroids和colonoids和由该模型所进行的可能的实验策略是至关重要的。
这种方法提供了一个完整的系统复制肠上皮细胞系和上皮动态构成来研究肠上皮生物学的有用工具。本文介绍的方法是改编自原鼠研究佐藤和Clevers 22有效地导致人类enteroids和colonoids。在这里,我们手动拾取隐窝通过显微解剖,以避免任何细胞污染物。此方法允许隐窝的直接可视化,并通过“摇动”导致稠度加班相比原来隐窝集合。其他小组开发出了类似的工艺使用略有不同的方法尤其是胶原酶25取代螯合通过EDTA。除了 在隐窝集合的差异,这些工艺使用一个所需生长人类enteroids中培养22限定的介质。为了增加在隐窝播种生长效率,我们增加GSK3抑制剂(CHIR99021)对于前两天12。
组织或活检的处理是很重要的,并隐窝隔离应尽快组织到达在实验室进行的。然而,延迟隐窝分离和培养可进行到组织收集后24小时(数据未示出)如前对小鼠组织26进行说明。肠组织应放置在一个锥形管完全填充用DPBS,以避免组织破坏,并应保持在4℃。延迟准备允许组织装运,但在运输过程中应避免温度变化。所需的初始隐窝电镀的总时间是约2小时,用15至30分钟来处理所述组织和1至2小时,以分离和板隐窝。组织的显微切割是一种清洁的隐窝制备的一个关键因素和谓词。然而,地穴释放握手中各种协议描述的可能22,23。
尽管与鼠enteroid(enteroids)系统的相似性,人类enteroids需要特定的分子,以提高和维持其随时间增长。生长因子,EGF,头蛋白,R-脊椎蛋白被类似地使用与鼠上皮组织体。然而,使用的Wnt-3A是至关重要的。我们注意到,形成以及生长效率大于使用的Wnt-3A条件培养基比人类重组蛋白质。与此同时,我们展示了使用的糖原合酶激酶3(CHIR99021)12抑制剂改善培养条件。重组生长因子可通过的Wnt-3A,R脊椎蛋白,头蛋白和调节介质代替。阿的Wnt-3A表达L-细胞系可购(ATCC)。其它基团已经开发的R-脊椎-1- 23,27,Noggin- 19,和的Wnt-3A / R-spondin3 / Noggin- 28表达细胞系。两个小分子抑制剂在培养中使用了我直径和所必需的培养29的维护。 A-83-01是转化生长因子β和激活素/交点受体的选择性抑制剂(激活素样激酶4,5,7)和SB202190是p38促分裂原活化蛋白激酶抑制剂(MAPK)。这两种抑制剂已被分别用来维持人类诱导多能干细胞自我更新和建立人类天真多能干细胞30-32。此外,烟酰胺,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的前体,需要保持enteroids和colonoids膨胀在一个长期的方式22,29。
在EDTA螯合是重要的一步,因为它决定了从地穴编制的产量。我们已经成功了2mM EDTA处理。然而,EDTA浓度可以从2mM的进行修改,以对组织类型为15mM。在这种情况下,温育时间,必须凭经验确定。最初的电镀后,隐窝将全面-Up和最终形成enteroids。然而,enteroids或colonoids往往表现出“干”型形成球体几乎没有分化的细胞。在这种情况下,分化可以通过抽出的Wnt-3A,烟酰胺和p38蛋白抑制剂来启动。使用的Notch抑制剂诸如DAPT或DBZ有助于enteroids 22内增强的分化。
该模型概括肠生理学与来自干细胞区室所产生的含有吸收和分泌分化谱系持续隐窝出芽事件以及绒毛状上皮域。有趣的是,该系统不包含任何间充质细胞,并使用特定的介质的条件,以满足利基信号要求。
像的小鼠模型,人类enteroids可以从分离的肠上皮细胞中产生,以测试这些细胞以用作干细胞的能力。塞弗RAL研究使用的分化标志物(CD44,CD24和CD166)和EPHB2阳性细胞群的细胞来丰富与干性12,23,33。总之,这些研究表明人类enteroids培养物的效用,用于测试的干性。其他研究者使用该模型来调查肠道疾病,如感染性腹泻病,囊性纤维化,或结肠直肠癌22,34-37。这些研究表明,人类enteroids构成具有可能性的可靠的人类疾病模型走向个性化的筛选。人类enteroids可以使用DNA转染或感染病毒颗粒38转基因。这提供了一个有力的工具,以在人上皮组织体或正确的基因突变中研究基因的特定功能。近日,施万克和他的同事证明的可能性,以编辑的基因组与CRISPR / Cas9制度和纠正CFTR基因交流造成的基因突变ystic纤维化24。人类enteroids构成宝贵的系统来研究肠干细胞和上皮粘膜生物学,并作为一个新的实验系统,研究正常和异常消化道生理学。
The authors have nothing to disclose.
We gratefully acknowledge Dr. Hans Clevers (Hubrecht Institute for Developmental Biology and Stem Cell Research, Netherlands) for the kind gift of TOPflash cells.
This project was supported in part by NIH-R01DK083325 (MAH); NIH P30 DK078392 (Digestive Health Center); NIH UL1RR026314 (CTSA).
Name of Reagent | Company | Catalog Number |
Dulbecco’s Phosphate buffered saline Ca2+, Mg2+ free (DPBS) | Life technologies; Gibco | 14190-144 |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | 431788 |
Sorbitol | Fischer Scientific | BP439-500 |
Sucrose | Fischer Scientific | BP220-1 |
Bovine serum albumin (BSA) Fraction V | Fischer Scientific | BP1600-100 |
Gzntamycin/Amphotericin B solution | Life technologies; Gibco | R-015-10 |
Wnt-3A conditionned medium | in house | – |
Advanced DMEM/F12 | Life technologies; Gibco | 12634-028 |
HEPES 1M | Life technologies; Gibco | 15630-080 |
GlutaMAX (glutamine) | Life technologies; Gibco | 35050-061 |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life technologies; Gibco | 15140-148 |
N2 Supplement | Life technologies; Gibco | 17502-048 |
B27 Supplement | Life technologies; Gibco | 17504-044 |
N-Acetylcysteine | Sigma-Aldrich | A9165-5G |
Nicotidamide | Sigma-Aldrich | N0636 |
Matrigel, GFR, Phenol free (basement membrane matrix) | Corning | 356231 |
human recombinant Noggin | R&D | 6057-NG/CF |
human recombinant R-Spondin | Preprotech | 120-38 |
human recombinant EGF | Sigma-Aldrich | E9644-.2MG |
Y-27632 | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG |
A-83-01 | Tocris | 2939 |
SB202190 | Sigma-Aldrich | S7067-5MG |
human [Leu]15-Gastrin 1 | Sigma-Aldrich | G9145-.1MG |
CHIR99021 | Stemgent | 04-0004 |
Thiazovivin | Stemgent | 04-0017 |
TrypLE Express Enzyme (1X), phenol red (cell dissociation enzyme) | Life technologies; Gibco | 12605-010 |
Fetal Bovine Serum | Life technologies; Gibco | 10082-147 |
CTS Synth-a-Freeze Medium (freezing medium) | Life technologies; Gibco | A13713-01 |
L Wnt-3A cell line | ATCC | CRL-2647 |
Renilla luciferase assay | Promega | E2710 |
human recombinant Wnt-3A | R&D | 5036-WN/CF |
HEK293 TOPflash cell line | – | – |