Ce protocole décrit comment infecter les organoïdes intestinaux humains de leur côté apical ou basolatéral pour caractériser les interactions hôte/pathogène au niveau de la cellule unique à l’aide de la technologie de séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNAseq).
Les organoïdes intestinaux humains constituent le meilleur modèle cellulaire pour étudier les infections pathogènes du tractus gastro-intestinal. Ces organoïdes peuvent être dérivés de toutes les sections du tractus gastro-intestinal (gastrique, jéjunum, duodénum, iléon, côlon, rectum) et, lors de la différenciation, contiennent la plupart des types de cellules que l’on trouve naturellement dans chaque section individuelle. Par exemple, les organoïdes intestinaux contiennent des entérocytes absorbant les nutriments, des cellules sécrétoires (Goblet, Paneth et entéroendocrinien), des cellules souches, ainsi que tous les intermédiaires de différenciation spécifiques à la lignée (par exemple, les types de cellules précoces ou immatures). Le plus grand avantage de l’utilisation d’organoïdes dérivés du tractus gastro-intestinal pour étudier les maladies infectieuses est la possibilité d’identifier avec précision quel type de cellule est ciblé par l’agent pathogène entérique et de déterminer si les différentes sections du tractus gastro-intestinal et leurs types de cellules spécifiques répondent de la même manière aux défis pathogènes. Au cours des dernières années, des modèles gastro-intestinaux, ainsi que des organoïdes d’autres tissus, ont été utilisés pour étudier le tropisme viral et les mécanismes de la pathogenèse. Cependant, l’utilisation de tous les avantages de l’utilisation d’organoïdes lors de l’utilisation de virus hautement pathogènes représente un défi technique et nécessite des considérations strictes de biosécurité. De plus, comme les organoïdes sont souvent cultivés en trois dimensions, le côté basolatéral des cellules est orienté vers l’extérieur de l’organoïde tandis que leur côté apical est orienté vers l’intérieur (lumen) des organoïdes. Cette organisation pose un défi pour les agents pathogènes entériques, car de nombreuses infections entériques se déclenchent du côté apical/luminal des cellules après l’ingestion. Le manuscrit suivant fournira un protocole complet pour préparer les organoïdes intestinaux humains à l’infection par des agents pathogènes entériques en tenant compte du côté infectieux (apical vs basolatéral) pour effectuer un séquençage de l’ARN unicellulaire afin de caractériser les interactions hôte/pathogène spécifiques au type cellulaire. Cette méthode détaille la préparation des organoïdes ainsi que les considérations nécessaires pour effectuer ces travaux dans des conditions de confinement de niveau de biosécurité 3 (BSL-3).
L’étude du tropisme spécifique au type cellulaire et de la réponse immunitaire spécifique au type cellulaire aux virus entériques humains a été historiquement difficile en raison de l’absence de modèles cellulaires humains primaires. Cette limitation a maintenant été partiellement éradiquée avec le développement d’organoïdes1. Dans le cas du tractus gastro-intestinal, des modèles organoïdes gastriques et intestinaux ont été développés pour les humains et plusieurs autres espèces (parexemple, murin, bovin, félin, chauve-souris)2,3,4,5,6. Les organoïdes intestinaux reproduisent l’architecture structurelle de l’épithélium intestinal humain et contiennent des structures ressemblant à des cryptes et des villosités, des lignées intestinales fonctionnelles et ont même été utilisés pour identifier des lignées cellulaires auparavant inconnues. Deux approches différentes peuvent être utilisées pour développer des organoïdes intestinaux. Tout d’abord, les cellules souches intestinales contenant des cryptes sont isolées à partir de résections tissulaires ou de biopsies et cultivées dans des conditions de culture spécifiques (par exemple, Wnt3A, R-spondine, Noggin et EGF) pour se dilater, puis différencient les cellules souches de la plupart des lignées cellulaires intestinales (parexemple, les entérocytes, les cellules Paneth, les cellules Gobelet, les cellules entéroendocrines)7. Cette méthode permet d’isoler les organoïdes de toutes les sections du tractus gastro-intestinal(parexemple, l’estomac, le duodénum, le jéjunum, l’iléon et le côlon). La deuxième méthode repose sur des cellules souches pluripotentes ou embryonnaires induites par l’homme, qui sont ensuite différenciées par étapes en cellules épithéliales intestinales8. Ces organoïdes induits à base de cellules souches sont souvent décrits comme étant de nature plus embryonnaire que les organoïdes dérivés du patient. Bien que tous ces modèles organoïdes aient été essentiels pour démêler les signaux de développement nécessaires à la formation du tractus intestinal, leur utilisation dans la recherche sur les maladies infectieuses en est encore à ses balbutiements.
Le virus entérique est un terme général couvrant tous les virus qui infectent par le tractus gastro-intestinal, tels que les picornavirus(parexemple, EV-71), les réovirus (par exemple, le rotavirus) et les calicivirus (par exemple, le norovirus)9. Les virus entériques initient leur cycle de vie infectieux par l’ingestion d’aliments et d’eau contaminés, ce qui expose les populations des pays en développement à un risque élevé en raison du rejet de déchets non traités dans l’environnement et du manque de soins médicaux après l’apparition de l’infection10. Selon le type d’agent pathogène, l’infection peut entraîner une gastro-entérite, des vomissements et / ou une diarrhée aqueuse en raison d’une fuite de la muqueuse intestinale. Les norovirus humains sont un agent pathogène entérique très répandu et hautement infectieux, qui entraîne plus de 600 millions d’infections et 15 millions d’hospitalisations dans le monde11. Les organoïdes ont joué un rôle clé dans la recherche sur les norovirus car ils soutiennent l’infection et la réplication du norovirus humain, qui ne pouvait auparavant pas être cultivé dans des modèles de culture cellulaire standard12.
Au cours des deux dernières décennies, les coronavirus sont devenus des agents pathogènes humains clés13. Cette famille comprend le MERS hautement pathogène, le SARS-CoV-1 et le SARS-CoV-2, qui nécessitent des confinements stricts des niveaux de sécurité lors de la recherche sur ces virus. Fait intéressant, bien que ces trois agents pathogènes soient principalement reconnus pour leurs symptômes respiratoires induits et leur détresse, il est maintenant évident que ces virus n’infectent pas seulement les voies respiratoires, mais aussi d’autres organes. Une pathologie importante induite chez les patients infectés par le SARS-CoV-2 en plus de la détresse respiratoire est la présence de symptômes gastro-intestinaux14. Une fraction des patients infectés par le SRAS-CoV-2 présente de tels symptômes, allant d’une diarrhée très légère à une diarrhée sévère. De plus, les génomes du SRAS-CoV-2 peuvent être détectés dans les biopsies des selles et du tractus gastro-intestinal de patients infectés15. Il est important de noter que la présence de symptômes gastro-intestinaux ne se limite pas au SRAS-CoV-2, car ils ont également été observés chez des patients infectés par le MERS et le SARS-CoV-1. Pour comprendre comment le SRAS-CoV-2 induit la détresse gastro-intestinale et identifier précisément le tropisme du SARS-CoV-2 dans le tractus gastro-intestinal, les organoïdes intestinaux humains ont été un outil clé et sont maintenant exploités pour démêler les réponses spécifiques au type cellulaire à cet agent pathogène16,17.
Le profilage transcriptionnel d’une population cellulaire (séquençage de l’ARN en vrac) est une pratique courante lors de l’évaluation des infections pathogènes des lignées cellulaires immortalisées ainsi que des organoïdes. Bien que cela nous permette de déterminer les changements globaux en réponse aux agents pathogènes (par exemple, la régulation à la hausse des cytokines), l’ARNiq en vrac ne nous permet pas de déterminer pourquoi des cellules spécifiques d’une population sont plus sujettes à l’infection que d’autres. Le séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNAseq) est devenu un outil puissant pour démêler les programmes transcriptionnels spécifiques à la lignée cellulaire et peut être utilisé pour déterminer comment ces programmes soutiennent ou répriment l’infection virale18,19. La première description de scRNAseq date de 2009 et a été utilisée pour évaluer les profils de transcription des différentes cellules trouvées dans un blastomère de souris20. Ces technologies ont maintenant été étendues et peuvent être mises en œuvre via plusieurs plates-formes différentes. Les premières versions de cette technologie utilisaient un trieur de cellules activé par fluorescence (FACS) pour séparer les cellules individuelles pour le séquençage, qui était souvent limité à des plaques de 96 ou 384 puits, donnant ainsi 300 cellules individuelles à analyser par échantillon21. Ces méthodes ont maintenant été avancées par les plates-formes de séquençage unicellulaire, qui utilisent un dispositif microfluidique pour encapsuler des cellules individuelles dans des gouttelettes individuelles avec des billes contenant un code-barres. Cette technologie permet de capturer jusqu’à 10 000 cellules par condition d’échantillon.
La combinaison de la technologie organoïde avec scRNAseq nous permet d’étudier l’impact des agents pathogènes entériques sur le tractus gastro-intestinal d’une manière spécifique au type de cellule. Cependant, plusieurs considérations techniques et de biosécurité doivent être prises en compte. Tout d’abord, les méthodes classiques de culture d’organoïdes (organoïdes 3 dimensionnels (3D), intégrés dans une matrice extracellulaire (ECM)) exposent le côté basolatéral des cellules épithéliales à l’extérieur de l’organoïde. Comme les agents pathogènes entériques initient leur infection par l’ingestion d’aliments / d’eau contaminés, l’infection commence le plus souvent par le côté apical des cellules, qui n’est pas accessible dans ces organoïdes intestinaux 3D. Par conséquent, les organoïdes doivent être préparés à rendre le côté apical accessible à l’infection pathogène soit par ensemencement 2D, exposant ainsi directement le côté apical des cellules, soit par microinjection22,23. Deuxièmement, pour effectuer scRNAseq d’échantillons biologiques infectés, il est important de considérer leur nature infectieuse. Bien que des méthodes permettant de fixer les cellules et d’inactiver les agents pathogènes avant l’isolement unicellulaire pour l’ARSQ ultérieur aient été proposées, ces méthodes entraînent souvent une diminution de la qualité du séquençage18. Le protocole ci-dessous décrira plusieurs approches pour infecter les organoïdes intestinaux avec des virus entériques en tenant compte du côté infectieux (infection apicale vs basolatérale) (Figure 1). En outre, le protocole comprendra un flux de travail pour dissocier et isoler des cellules individuelles d’organoïdes infectés par des virus hautement pathogènes pour scRNAseq. Le protocole mettra en évidence les étapes clés qui doivent être mises en œuvre lorsque l’on travaille dans des conditions de confinement de niveau de biosécurité 3 (BSL-3) afin d’éviter la génération d’aérosols et la contamination potentielle.
Les agents pathogènes entériques initient le plus souvent leur cycle de vie en infectant les cellules épithéliales intestinales de leur côté apical face à la lumière de l’intestin. Alors que les organoïdes sont bien connus pour être un bon modèle pour reproduire la complexité cellulaire et l’organisation de l’épithélium intestinal, leur organisation en tant que structures tridimensionnelles fermées rend leur membrane apicale inaccessible à l’agent pathogène. Ce protocole décrivait des méthodes pour infecter les organoïdes intestinaux de leur côté apical, de leur côté basolatéral ou des deux avec des agents pathogènes BLS-3. Ces protocoles peuvent facilement être adaptés pour étudier tout agent pathogène entérique sous confinement BSL-2 ou BLS-3 ou tout autre modèle organoïde en suivant quelques étapes critiques qui sont mises en évidence ci-dessous. La méthode décrite ci-dessus est pour l’isolement et la préparation de gouttelettes unicellulaires conformément à la réglementation en Allemagne. À titre de clause de non-responsabilité, ce protocole ne décrit pas les mesures de manipulation de la biosécurité (procédures d’exploitation normalisées) qui doivent être prises dans les conditions BSL-3. Il est également important d’insister sur le fait que les réglementations peuvent varier d’un autre pays et que les autorités locales doivent être contactées pour s’assurer que toutes les réglementations locales sont respectées.
L’une des étapes critiques de l’ensemencement d’organoïdes en deux dimensions pour l’infection apicale consiste à contrôler que les cellules se différencient de la même manière que lorsqu’elles sont cultivées en tant qu’organoïdes tridimensionnels classiques. Selon l’agent pathogène entérique, le tropisme pourrait être limité à des cellules très rares ou à des cellules qui doivent être très différenciées. Dans ce cas, l’utilisation d’un organoïde bidimensionnel qui ne se différencie pas complètement pourrait entraîner la conclusion erronée que cet agent pathogène entérique ne peut pas infecter les organoïdes intestinaux. Il est suggéré, si possible, d’effectuer des infections en utilisant les trois configurations de ce protocole : organoïde 2D pour l’infection apicale uniquement (section 2), organoïdes 3D ouverts fissurés pour l’infection apicale et basolatérale (rubrique 3), et organoïdes 3D complets pour l’infection basolatérale uniquement (rubrique 3). Cette approche aidera à discerner la voie d’entrée de l’agent pathogène (apical vs basolatéral) et permettra également de contrôler qu’un niveau de différenciation similaire a été atteint. Une alternative à l’infection apicale 2D est la microinjection, qui utilisera un organoïde 3D mais délivrera l’agent pathogène directement dans le côté apical (voir Bartfeld et al.27 pour plus de détails). Cette méthode nécessite un injecteur qualifié pour s’assurer que l’agent pathogène est correctement placé et que les organoïdes restent intacts. La microinjection est couramment utilisée dans le confinement BSL-2 et peut ne pas convenir au confinement BSL-3.
Une autre considération importante lors de la réalisation d’expériences d’infection dans des organoïdes ensemencés en 2D est la densité cellulaire finale. Comme mentionné à l’étape 2.3, 100 à 150 organoïdes seront ensemencés dans un puits d’une plaque de 48 puits ou un puits d’une glissière de chambre à fond de verre de 8 puits. Selon la ligne organoïde et la personne qui manipule les organoïdes, la taille de ces organoïdes peut être significativement différente. Cela pourrait entraîner des densités de cellules très différentes dans la glissière de la plaque de 48 puits ou de la chambre à fond de verre de 8 puits. Selon le virus entérique, certains virus préfèrent des cellules plus clairsemées, tandis que d’autres seront également capables d’infecter les cellules confluentes. L’origine moléculaire de telles différences d’infectiosité pour différentes confluences cellulaires n’est pas claire; par conséquent, des expériences pilotes visant à trouver la meilleure densité cellulaire pour l’agent pathogène entérique de choix devraient être effectuées avant d’effectuer une caractérisation plus poussée en aval.
Souvent, le tri FACS est effectué avant d’effectuer l’émulsion de gouttelettes unicellulaire. Cette étape est souvent utilisée pour séparer les cellules mortes des cellules vivantes et les cellules simples des doublets. Lorsque vous travaillez avec des agents pathogènes BSL-3, il faut que l’installation soit équipée d’un trieur FACS approprié, ce qui n’est pas souvent le cas. De plus, toutes les cellules d’un organoïde n’ont pas la même taille et il est souvent difficile de faire la distinction entre un doublet ou une cellule plus grande, ce qui entraîne un risque de sélection négative contre un type de cellule spécifique. En outre, il y a encore des discussions sur le terrain pour savoir si le temps nécessaire pour trier entre 5 000 et 10 000 pour chaque échantillon pourrait entraîner une modification significative du profil de transcription des cellules individuelles. Bien que des méthodes de fixation cellulaire compatibles avec le séquençage unicellulaire (p. ex. méthanol et ARNaassique) aient été décrites, il a été observé que cela entraînait une diminution de la qualité du séquençage18. Enfin, on soupçonne que le tri des cellules à l’aide de marqueurs de mort cellulaire peut également conduire à un biais. Compte tenu de la prolifération directionnelle et de la différenciation des cellules à travers l’axe crypte-villosités, les cellules les plus différenciées, qui vont être éliminées et libérées, sont situées à l’extrémité des villosités. Ces cellules sont souvent positives pour différents marqueurs des voies de mort cellulaire(p. ex., apoptose, nécrose et nécroptose); cependant, lorsque l’on examine l’infection à rotavirus de l’intestin de la souris, la pointe des villosités est la zone la plus infectée28. Ainsi, filtrer les cellules qui peuvent sembler positives pour les marqueurs de mort entraînerait une sélection négative des cellules infectées qui peuvent représenter l’infection physiologique. Actuellement, il n’existe pas de bonne solution pour trier et fixer les organoïdes avant le séquençage unicellulaire. L’utilisation de cellules vivantes et non triées est recommandée car d’autres études sont nécessaires pour trouver des protocoles alternatifs appropriés.
Le séquençage unicellulaire a révolutionné la façon dont les réponses cellulaires peuvent être évaluées. Cette technique permet d’identifier les réponses spécifiques à la lignée cellulaire à la fois dans les conditions basales et sous les infections pathogènes. Cette méthode a ouvert des portes dans de nombreux domaines qui étaient auparavant limités par des lectures en vrac. Bien que cette méthode soit très puissante, elle a ses limites. Une limitation clé est l’analyse bioinformatique approfondie qui est nécessaire en aval du séquençage. Ceci est particulièrement important lors de l’analyse des tissus et de l’attribution de types de cellules où il n’y a actuellement aucune annotation. Avoir un bioinformaticien qualifié est nécessaire pour soutenir toutes les études unicellulaires.
Ce protocole décrit comment ensemencer et manipuler les organoïdes intestinaux humains, les infecter avec des agents pathogènes entériques et effectuer scRNAseq. L’adaptation de cette approche à d’autres organes est maintenant possible, car des systèmes de modèles organoïdes ont été développés pour la plupart des organes. Les organoïdes pulmonaires et hépatiques sont organisés de la même manière que les organoïdes intestinaux et, en tant que tels, l’utilisation d’une approche analogue pourrait être transposée à ces organoïdes. Le contrôle critique sera de valider que lorsqu’ils sont cultivés en deux dimensions ou fissurés, ces organoïdes atteignent une différenciation similaire à celle de leurs homologues organoïdes 3D. Les caractéristiques spécifiques et les gènes qui définissent un statut différencié sont spécifiques à chaque modèle d’organe. D’autres modèles organoïdes tels que les organoïdes rénaux et vasculaires, de grandes structures denses, nécessiteront des méthodes supplémentaires pour dissocier en série ces structures en cellules uniques.
The authors have nothing to disclose.
Megan Stanifer et Steeve Boulant ont été soutenus par des subventions de recherche de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): (Numéro de projet 240245660, 278001972, 415089553 et 272983813 à Steeve Boulant et 416072091 à Megan Stanifer), l’État du Bade-Wurtemberg et le Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF 01KI20239B à MS et 01KI20198A et (NUM-COVID 19, Organo-Strat 01KX2021) à SB. Des schémas ont été créés dans BioRender.
Recombinant mouse noggin | Peprotech | Cat#250-38 | |
[Leu15]-Gastrin I | Sigma-Aldrich | Cat# G9145 | |
0.05% Trypsin-EDTA | Thermo Fischer Scientific | Cat#25300054 | |
24-well non-cell culture treated plate | Corning | Cat#3738 | |
8-well glass bottom chamber slide | iBIDI | Cart#80827 | |
A83-01 | Tocris | Cat#2939 | |
Advanced DMEM/F12 | Thermo Fischer Scientific | Cat# 12634010 | |
B27 | Thermo Fischer Scientific | Cat#17504-044 | |
Chromium Controller & Next GEM Accessory Kit | 10X Genomics | Cat#1000202 | Used in the preparation of single cell solution and preparation of Gel beads-in-emulsion (GEM) |
Chromium Next GEM Chip G Single Cell Kit | 10X Genomics | Cat #1000127 | Used in the preparation of single cell solution and preparation of Gel beads-in-emulsion (GEM) |
Chromium Next GEM Single Cell 3′ Kit v3.1 | 10X Genomics | Cat#1000268 | Used in the preparation of single cell solution and preparation of Gel beads-in-emulsion (GEM) |
Collagen from human placenta | Sigma Aldrich | Cat#C5533-5MG | |
CYP34A forward | Eurofins | GATGGCTCTCATCCCAGACTT | Primers used to check for differentiation |
CYP3A4 reverse | Eurofins | AGTCCATGTGAATGGGTTCC | Primers used to check for differentiation |
DMEM/F12 | Thermo Fischer Scientific | Cat#11320074 | |
EDTA | Sigma Aldrich | Car#E9884 | |
Fast Read 102 counting slides | Biosigma | Cat# BVS100 | |
Fetal Bovein Serum (FBS) | Capricorn | Cat#FBS-12A | |
GlutaMAX | Thermo Fischer Scientific | Cat# 35050061 | |
HEPES | Thermo Fischer Scientific | Cat3 15630080 | |
L-WRN cells | ATCC | CRL-3276 | This cell line is used to make the conditioned media containg Wnt 3A, R-Spondin and Noggin. The protocol for the production of the conditioned media can be found on the manufacterures site. |
MatriGel. GFR, LDEV free | Corning | Cat#354230 | |
MUC-2 forward | Eurofins | TGTAGGCATCGCTCTTCTCA | Primers used to check for differentiation |
MUC-2 reverse | Eurofins | GACACCATCTACCTCACCCG | Primers used to check for differentiation |
N-acetyl-cysteine | Sigma Aldrich | Cat# A9165 | |
OLMF4 forward | Eurofins | ACCTTTCCCGTGGACAGAGT | Primers used to check for differentiation |
OLMF4 reverse | Eurofins | TGGACATATTCCCTCACTTTGGA | Primers used to check for differentiation |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fischer Scientific | Cat#15140122 | |
Recombinant human FGF basic | Peprotech | Cat#100-18B | |
Recombinant human IGF-1 | BioLegend | Cat#590904 | |
Recombinant mouse EGF | Thermo Fischer Scientific | Cat# PMG8043 | |
SI forward | Eurofins | AATCCTTTTGGCATCCAGATT | Primers used to check for differentiation |
SI reverse | Eurofins | GCAGCCAAGAATCCCAAT | Primers used to check for differentiation |
TrypLE Express | Thermo Fischer Scientific | Cat#12605036 | |
Y-27632 | Caymann Chemicals | Cat#10005583 |