Human geïnduceerde pluripotente stamcel (hiPSC)-afgeleide intestinale organoids bieden spannende mogelijkheden om te modelleren van ziekten in vitro. We tonen de differentiatie van hiPSCs in intestinale organoids (iHOs), de stimulatie van deze iHOs met cytokines, en de microinjectie van salmonella typhimurium in de iHO lumen, waardoor de studie van een epitheel invasie door deze Pathogen.
De intestinale ‘ organite ‘ (iHO) systeem, waarin 3-D structuren vertegenwoordiger van de epitheel bekleding van de menselijke darm kan worden geproduceerd uit de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) en onderhouden in de cultuur, biedt een spannende kans om te vergemakkelijken de modellering van de epitheel reactie op enterische infecties. In vivo, intestinale epitheelcellen (IECs) spelen een belangrijke rol bij de regulering van de intestinale homeostase en kan direct remmen pathogenen, hoewel de mechanismen waarmee dit gebeurt zijn niet volledig opgehelderd. De cytokine interleukin-22 (IL-22) is aangetoond dat een rol spelen in het onderhoud en de verdediging van de darmepitheel barrière, met inbegrip van het induceren van een release van antimicrobiële peptiden en chemokines in reactie op infectie.
We beschrijven de differentiatie van gezonde controle hiPSCs in iHOs via de toevoeging van specifieke cytokine combinaties om hun cultuurmedium voordat inbedding ze in een kelder membraan matrix op basis van prointestinale cultuursysteem. Eenmaal ingebed, de iHOs worden geteeld in de media aangevuld met Noggin, R-spondin-1, epidermale groeifactor (EFG), CHIR99021, prostaglandine E2, en Y-27632 betahistinedihydrochloride monohydraat. De wekelijkse passages door hand verstoring van iHO fijnstructuur leiden tot de vorming van ontluikde iHOs, met wat die een crypt/vlokken structuur tentoonstellen. Alle iHOs tonen een gedifferentieerd epitheel bestaande uit beker cellen, enteroendocrine cellen, Paneth cellen, en gepolariseerd enterocyten, die kan worden bevestigd via immunokleuring voor specifieke markers van elke cel subset, transmissie elektronenmicroscopie (TEM), en kwantitatieve PCR (qPCR). Om infectie te modelleren, salmonella ENTERICA Serovar typhimurium SL1344 zijn microinjected in het lumen van de iHOs en uitgebroed voor 90 min bij 37 ° c, en een aangepaste gentamicine bescherming assay wordt uitgevoerd om de niveaus van intracellulaire identificeren bacteriële invasie. Sommige iHOs zijn ook voorbehandeld met recombinant Human IL-22 (rhIL-22) voorafgaand aan de infectie om vast te stellen of dit cytokine is beschermend tegen salmonella -infectie.
In de afgelopen jaren, de studie van gastheer-pathogeen interacties is versterkt door de ontwikkeling van ‘ organite ‘ modellen, waarin 3-D voorstellingen van het intestinale epitheel kan worden geproduceerd uit verschillende progenitoren. ‘ Primaire ‘ organoids kan direct worden gegenereerd uit intestinale stamcellen geoogst uit intestinale biopten. Daarnaast kan intestinale organoids worden opgewekt uit hiPSCs. Hetzelfde kan worden gezegd van een groot aantal weefsels, met maag1,Lever 2, pancreas3,4, hersenen5,6, Lung7, en prostaat8 organoids gebruikt door veel onderzoekers te modelleren Ziekte. Er zijn tal van spannende toepassingen van de organite systeem, met inbegrip van modellering kanker9 en drug screening10, maar hier richten we ons op het gebruik van iHOs als een infectie model, met behulp van S. enterica Serovar typhimurium (S. Typhimurium) als voorbeeldige ziekteverwekker en voor behandeling met IL-22 als therapie.
In deze studie, de hiPSCs gebruikt voor het genereren van iHO zijn ‘ Kolf2 ‘ iPSCs, gegenereerd uit een gezond individu en verkrijgbaar bij de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen Initiative Consortium (HipSci; www.hipsci.org), een Open-Access Reference panel van gekenmerkt hiPSC lijnen11. Een voordeel van het gebruik van hiPSCs als progenitoren voor organoids is dat er nu uitgebreide banken van gezonde donor iPSC lijnen beschikbaar, wat betekent dat de resultaten kunnen worden gevalideerd in een aantal cel lijnen met verschillende genetische achtergronden. Bovendien, indien onderzoekers willen kijken naar specifieke ziekte-geassocieerde enkelvoudige nucleotide polymorfismen (SNPs), is het mogelijk om chips te gebruiken/Cas9 om mutaties ingenieur in een gezonde cel lijn, waardoor zowel een mutant lijn en het behoud van de isogenic controlelijn voor vergelijking12. In onze ervaring, hiPSC-afgeleide intestinale organoids zijn groter in omvang dan hun primaire tegenhangers en meer consistent in de cultuur, waardoor voor een minder technisch uitdagende Microinjection en mogelijk waardoor een meer divers scala van pathogenen te worden Studeerde. iHOs kan worden cryogene bewaard, en we hebben gepropageerd iHO culturen voor maximaal een jaar om materiaal te produceren voor experimenten.
In vivo, IECs spelen een belangrijke rol in het reguleren van intestinale homeostase en kan direct remmen pathogenen, hoewel de mechanismen waarmee dit gebeurt zijn niet goed begrepen. De cytokine IL-22 is bekend dat een rol in het onderhoud van de darmepitheel barrière13 hebben en is betrokken bij de inductie en secretie van antimicrobiële peptiden en chemokines in reactie op infectie14. Het wordt geproduceerd door geactiveerde T-cellen (in het bijzonder, Th17 cellen), alsmede door Natural Killer (NK) cellen en bindt aan een heterodimere receptor bestaat uit IL-22R1 en IL-10R2 subeenheden15. De receptor voor IL-22 wordt uitgedrukt basaal op IECs, betekenend dat in het iHO model, het mogelijk is om organoids met rhIL-22 door zijn toevoeging aan cultuurmiddel16eenvoudig voor te behandelen. Één nadeel van het organite systeem is dat het de bijbehorende immune reactie mist die normaal door andere immune cel types wordt geleverd; echter, modellen zijn in opkomst die poging om organoids met intestinale lymfocyten om beter te vertegenwoordigen deze17,18.
Het gebruik van de Microinjection systeem is de sleutel tot het simuleren van infecties in de iHO model, omdat dit maakt de directe levering van pathogenen aan de apicale oppervlak van het epitheel, zoals zou optreden in het geval van in vivo infectie. De toevoeging van fenol rood aan de bacteriële oplossing geïnjecteerd in de iHO markeert degenen die zijn geïnfecteerd, dus het vermijden van herhaalde injecties van dezelfde iHO. Organoids als schepen voor infectie modelleren groeien in gebruik, met pathogenen zoals pylori pylori,19 de Norovirus,20 het rotavirus,21 Shiga toxine-producerende Escherichia coli22, Cryptosporidium23, en de Zika virus24 te hebben aangetoond om te overleven en te repliceren binnen deze systemen. Deze technologie zou kunnen worden toegepast op een breder scala van pathogenen, met name voor organismen die moeilijk zijn om de cultuur, zoals protozoa, of de mens beperkte pathogenen, met het oog op directe informatie over de menselijke epitheel reactie op infectie te verkrijgen.
Dit protocol schetst de differentiatie van hiPSCs in iHOs en hun nut als een model waarin te simuleren enterische infecties. Hieronder geven we een overzicht van de kritieke stappen in het protocol en eventuele wijzigingen of verbeteringen die we hebben aangebracht.
Dit protocol stroomlijnt het differentiatie proces van hiPSCs ten opzichte van eerder gepubliceerde werk25. De eerder gebruikte methodes vereisten de overdracht van hiPSCs van andere hiPSC cultuursystemen (b.v., voeder-afhankelijke hiPSC cultuur) aan chemisch-bepaald middel-Polyvinyl Alcohol (CDM-PVA). Deze overdracht naar CDM-PVA duurt meestal 2 – 3 weken en vereist dagelijkse voeding van de hiPSCs. Dit protocol was ook niet constant efficiënt, met sommige differentiaties die ontbreken; Daarom hebben we trialed differentiatie met dezelfde groeifactoren, maar te beginnen met hiPSCs geteeld in stamcellen cultuurmedium (in plaats van CDM-PVA) en vervanging van CDM-PVA met stamcel cultuurmedium tijdens differentiatie dagen 0 tot 3. Dit is succesvol geweest voor de vijf onafhankelijke hiPSC lijnen tot nu toe trialed, waardoor het differentiatie proces veel sneller en efficiënter. Dit maakt het ook mogelijk weekend-vrije kweken van hiPSCs voorafgaand aan differentiatie, waardoor meer flexibiliteit in de hiPSC cultuur. iHO lijnen geproduceerd door deze methode zijn fenotype voor markers van intestinale epitheel zoals we eerder hebben beschreven voor de hiPSC lijnen Kolf2, Yemz1, en Lise116 en lijken fenotypisch niet te onderscheiden van iHOs geproduceerd met behulp van de vorige Protocol.
Na het zaaien, iHOs vereisen ten minste 1 maand van routine passaging, met splitsing om de 4 – 7 dagen om de rijping te vergemakkelijken. Merk op dat er zal enige variatie in iHO ontwikkeling afhankelijk van de gebruikte iPSC lijn en de dichtheid van de oorspronkelijke cultuur. Tijdens de eerste paar passages, zullen er zichtbaar verontreinigende cellen zijn die niet iHOs zijn. Deze zullen uiteindelijk sterven, waardoor een schone cultuur van sferische en, na ongeveer 4 weken, ontluikde iHOs. Daarnaast kan een in-Hood Imaging systeem worden gebruikt om te selecteren en passage alleen iHOs met de gewenste morfologie. Als iHOs volwassen, zullen zij vereisen splitsing elke 6 – 7 dagen, afhankelijk van de groei en de dichtheid. Als een van de volgende voorkomen, iHOs moet worden gesplitst voorafgaand aan dit punt: de Luminale holten van de iHOs beginnen te vullen met dode cellen, de kelder membraan matrix begint te desintegreren, de iHOs beginnen te groeien uit de kelder membraan matrix, of de cultuur is te dicht en de media begint te gaan geel zeer snel.
Zodra de iHO cultuur is vastgesteld, als op enig moment de verschijning van de iHOs verandert of anders is dan verwacht (bijvoorbeeld, de culturen blijven sferische, in plaats van ontluikende), fenotyping via Immunohistochemistry en qPCR voor cel markers zou moeten worden herhaald om ervoor te zorgen dat de differentiatie van de cel types binnen de iHOs (bijvoorbeeld, beker cellen, Paneth cellen) intact blijft. Als iHOs niet meer onderscheidt, dan zouden zij moeten worden weggegooid en opnieuw onderscheiden of een vroegere passage van iHOs zou moeten worden ontdooid en worden opnieuw samengesteld. Als de iHOs ophouden te differentiëren, de mogelijke oorzaken zijn de leeftijd van de cultuur (als het meer dan 6 maanden oud), de activiteit van de groeifactoren (ervoor te zorgen dat deze worden opnieuw samengesteld volgens de instructies van de fabrikant en bevroren gehouden in kleine fracties te vermijden meerdere Freeze-dooi cycli), te frequente of gewelddadige passages (in het algemeen, passaging moet slechts een keer per week, en als de iHOs handmatig worden gescheiden te krachtig op een regelmatige basis, zullen ze ophouden om volledig te differentiëren).
We vestigden via RNA sequencing dat IL-22 stimulatie 18 uur voorafgaand aan de infectie upreguleert antimicrobiële genen en degenen die betrokken zijn bij de barrière verdediging fenotype. Voorafgaand aan het gebruik van nieuwe iHsO voor analyses die prestimulatie met rhIL-22 (of een alternatieve cytokine impliceren als het systeem voor dit wordt gebruikt), is het raadzaam om de activiteit van genen te controleren die worden gekend om door cytokine (in het geval van IL-22 , gebruikten wij DUOX2 en LCN2) via qPCR na stimulatie van de iHOs, om receptor uitdrukking en intacte signalering te verzekeren. Voorafgaand aan het eerste gebruik van IL-22, hebben we ook uitgevoerd Immunohistochemistry naar de IL-22 receptor op iHOs lokaliseren om vast te stellen dat de expressie van de IL-22 receptor was basal, wat betekent dat de voor stimulatie kan eenvoudig worden bereikt door het toevoegen van rhIL-22 aan de iHO cultuur Medium. Nochtans, als een receptor apicaal wordt uitgedrukt, kan dit protocol moeten worden aangepast om ligands apicaal te leveren.
Valkuilen met betrekking tot de Microinjection systeem zijn over het algemeen gerelateerd aan de delicatesse van de naalden die nodig zijn voor de injectie. Hier gebruiken we commercieel verkrijgbare boor tips met een 6 μm lumen. Het is mogelijk om de injectienaalden trekken uit glazen capillairen26 hoewel dit kan minder uniform, wat leidt tot lekkages van de naald tip of inconsistente volumes worden geïnjecteerd in de iHOs. Het is belangrijk om zeker te zijn dat de injectie heeft plaatsgevonden in de iHO lumen, dat is een reden voor het gebruik van fenol rood als een kleurstof; de iHOs zal zichtbaar uit te breiden en houd de rode entmateriaal, waardoor zekerheid over welke iHOs zijn geïnjecteerd. Af en toe naalden zal verstoppen met puin van de iHO muur; Als dit het geval is, verwijder dan de naald Tip van binnenuit de iHO en druk op de clean -knop op de Microinjection systeem. Dit zal een korte periode van hogere luchtdruk veroorzaken die de stagnatie zou moeten ontruimen. Het zal ook wat lekkage van de bacteriële entmateriaal op de plaat veroorzaken; Daarom, als dit gebeurt, moet de schone actie worden herhaald op alle platen om de gelijkheid van bacteriële entmateriaal per plaat te waarborgen. Één groot voordeel van hiPSC-afgeleide iHOs is hun grootte. Intestinale organoids van muizen en primaire menselijke organoids zijn veel kleiner (meten tot ~ 100 μm en 100 – 300 μm, respectievelijk27, versus 250 – 1500 μm voor hiPSC-afgeleide iHOs), wat betekent dat injecties van grote hoeveelheden organoids langzamer zal zijn. Hierdoor kunnen grootschalige injectie experimenten worden geproefd in de hiPSC-afgeleide iHOs. Het is ook mogelijk om de Luminale inhoud van de iHOs te bestuderen door hen postinfection en manueel het scheiden van iHOs in DPBS te oogsten, die hun Luminale inhoud vrijgeven. Voor de Microinjection raden wij u aan een hoge concentratie van bacteriën te gebruiken. We vonden dat lagere concentraties niet voldoende waren om een reactie te genereren van de IECs bestaande uit de iHOs. Daarnaast was het moeilijk om vervolgens te lokaliseren interne bacteriën met microscopie. Inoculums kan moeten worden geoptimaliseerd voor verschillende bacteriestammen.
Samengevat, hiPSC-afgeleide iHOs bieden een veelbelovend model voor het rechtstreeks ontleden van de epitheel reactie op enterische infecties, hetzij door het bestuderen van intracellulaire invasie telt, beeldvorming, het meten van cytokine niveaus in de iHO supernatants, of het oogsten van RNA om studie transcriptie veranderingen na blootstelling aan pathogenen. Hun nut zal nog duidelijker in de toekomst voor het vaststellen van infectie modellen voor de mens-beperkte pathogenen en in het exploiteren van de mogelijkheden van het gebruik van deze technologie om onderzoek te personaliseren door het bestuderen van specifieke ziekte-gerelateerde genetische mutaties en drugs reacties.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de financiering van de Welkom Trust, de Gates Foundation, en de Cambridge biomedische Research Centre. E.A.L. is een klinisch Ph.D. student ondersteund door de Welkom Trust.
2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250-10ML | |
5 mm glass bottom injection dishes | MatTek corporation | P50G-0-14-F | |
Advanced DMEM/F12 | Gibco | 12634010 | |
Alexa fluor 647 phalloidin | Life Technologies | A22287 | Use at 1:1000 concentration |
B27 serum-free supplement | Life Technologies | 17504044 | Stock concentration 50x, final concentration 1x |
BMP-4 recombinant human protein | R&D | PHC9534 | Stock concentration 10 μg/mL, final concentration 10 ng/mL |
Cell recovery solution (cell lifting solution) | BD | 354253 | |
CHIR99021 | Abcam | ab120890-5mg | Stock concentration 3 mM, final concentration 3 µM |
Collagenase, type IV powder | Life Technologies | 17104019 | Reconstitute at 0.1% |
Corning cryogenic vials | Corning | 430487 | |
Costar TC treated 24 well culture plates | Corning | CLS3527 | |
DAPI dilactate | Sigma-Aldrich | D9564-10MG | Use at 10 nM concentration |
Dulbecco’s PBS (No MgCl2 or CaCl2) | Life Technologies | 14190-144 | |
Dulbecco’s PBS (with MgCl2 and CaCl2) | Sigma-Aldrich | D8662-100ML | |
Epidermal growth factor | R&D | 236-EG-200 | Stock concentration 100 μg/mL, final concentration 100 ng/mL |
Eppendorf TransferMan NK2 (microinjection system) | Eppendorf | 920000011 | |
Eppendorf Femtojet express (microinjection system) | Eppendorf | 5248 000.017 | |
Essential 8 Flex medium kit (stem cell culture medium) | Life Technologies | A2858501 | |
EVOS XL imaging system (in-hood imaging system) | |||
Gentamicin | Sigma-Aldrich | G1272-10ML | Stock concentration 10 mg/mL, final concentration 0.1 mg/mL |
Goat anti-Salmonella, CSA-1 | Insight Biotechnology | 02-91-99 | Use at 1:20 concentration |
HEPES 1 M | Life Technologies | 15630056 | |
KnockOut Serum Replacement (setrum replacment) | Gibco | 10828010 | |
GlutaMAX supplement (glutamine supplement | ThermoFisher | ||
L-glutamine | Life Technologies | A2916801 | Stock concentration 200 mM, final concentration 2 mM |
LY294002 | Promega UK | V1201 | Stock concentration 50 mM, final concentration 10μM |
Matrigel, GFR, phenol free (basement membrane matrix) | Corning | 356231 | |
MEM non-essential amino acids solution (100x) | Gibco | 11140035 | |
N2 serum-free supplement | Life Technologies | 17502048 | Stock concentration 100x, final concentration 1x |
Penicillin-streptomycin | Life Technologies | 15140163 | Stock concentration 10,000 U/mL, final concentration 100 U/mL |
Phenol red | Sigma-Aldrich | P0290-100ML | |
Piezo Drill Tip Mouse ICSI, 25° tip angle, 6 µm inner diameter | Eppendorf | 5195000087 | |
Prostaglandin E2 | Sigma | P0409-1MG | Stock concentration 2.5 mM, final concentration 2.5 mM |
Recombinant human FGF basic | R&D | 233-FB-025 | Stock concentration 100 μg/mL, final concentration 100 ng/mL |
Recombinant human IL-22 | R&D | 6057-NG-100 | Stock concentration 100 μg/mL, final concentration 100 ng/mL |
Recombinant human Noggin | R&D | 6057-NG-100 | Stock concentration 100 μg/mL, final concentration 100 ng/mL |
Recombinant human R-spondin1 | R&D | 4645-RS-025 | Stock concentration 25 mg/mL, final concentration 500 ng/mL |
Recombinant human/mouse/rat Activin A | R&D | 338-AC-050 | Stock concentration 100 μg/mL, final concentration 100 ng/mL |
Recovery cell culture freezing medium (cell freezing medium) | Gibco | 12648010 | |
Retinoic acid | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | Stock concentration 3μM, final concentration 3mM |
RPMI 1640 media with Glutamax supplement (RPMI Medium with L-glutamine supplement) | Life Technologies | 61870010 | |
Triton X-100 (cell lysis buffer) | Sigma-Aldrich | RES9690T-A101X | Use at 1% concentration |
Versene (EDTA solution) | Life Technologies | 15040066 | |
Vitronectin XF | Stemcell Technologies | 7180 | |
Y-27632 dihydrochloride monohydrate | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG | Stock concentration 3 mM, final concentration 10 mM |