Bu protokol, sitokinler gibi sitotoksik pertürbagenlere yanıt olarak insan kolonik organoidlerinde hücre ölümünü araştırmak ve ölçmek için basit ve uygun maliyetli bir yöntemi tanımlar. Yaklaşım, sitotoksik uyaranlara tek organoid tepkileri ölçmek için bir floresan hücre ölüm boyası (SYTOX Yeşil Nükleik Asit Boyası), canlı floresan mikroskobu ve açık kaynaklı görüntü analiz yazılımı kullanır.
Ülseratif kolit (UC) ve Crohn hastalığı (CH) gibi inflamatuar bağırsak hastalıkları (IBD) olan hastalarda bağırsak epitel hücresi (IEC) ölümü artmıştır. Bu, bağırsak bariyeri fonksiyonundaki kusurlara, inflamasyonun alevlenmesine ve hastalık immünopatogenezine katkıda bulunabilir. Sitokinler ve ölüm reseptör ligandları, IEC ölümündeki bu artıştan kısmen sorumludur. TNF-α ve IFN-γ gibi IBD ile ilgili sitokinler, hem bağımsız olarak hem de kombinasyon halinde IEC’lere karşı sitotoksiktir. Bu protokol, bir floresan hücre ölüm boyası (SYTOX Yeşil Nükleik Asit Boyası), canlı floresan mikroskobu ve açık kaynaklı görüntü analiz yazılımı kullanarak CD hastasından türetilen kolon organoidlerinde sitokin kaynaklı sitotoksisiteyi ölçmek için basit ve pratik bir testi tanımlar. Ayrıca, organoid sitotoksisiteye dayalı bir pertürbagen etkileşim katsayısını (CPI) hesaplamak için Bliss bağımsızlık matematiksel modelinin nasıl kullanılacağını da gösteriyoruz. CPI, sitokin kombinasyonları veya diğer pertürbaj türleri arasındaki etkileşimlerin antagonistik, katkı maddesi veya sinerjik olup olmadığını belirlemek için kullanılabilir. Bu protokol, hasta kaynaklı kolonik organoidler kullanılarak sitokinlerin ve diğer pertürbagenlerin sitotoksik aktivitesini araştırmak için uygulanabilir.
Bağırsak epiteli, bağırsak lümeninin içeriği ile alttaki dokular arasında fiziksel, yarı geçirgen bir bariyer oluşturur. Bu bariyeri etkili bir şekilde korumak için, bağırsak epitel hücreleri (IEC’ler), sürekli bir hücre ölümü ve rejenerasyon döngüsü ile son derece yüksek bir hücresel döngüye uğrar. Bununla birlikte, inflamatuar bağırsak hastalığı (IBD) gibi enflamatuar bozukluklar sırasında, daha yüksek seviyelerde anormal hücre ölümü meydana gelir1. Bu, bariyer fonksiyonunda ve bağışıklık sisteminin aktivasyonunda bir bozulmayı teşvik ederek daha fazla iltihabı tetikleyebilir. Bir IBD formu olan Crohn hastalığında (CH), sitokin sinyallemesinin artan IEC ölüm seviyelerine katkıda bulunduğu gösterilmiştir2. Sitokin sinyalinin IEC’lerin hücre ölümünü nasıl indüklediğini inceleyerek, IBD ve diğer bağırsak enflamatuar bozuklukları olan hastalar için daha iyi tedavilerin geliştirilebileceği umulmaktadır1.
Biyoloji ve ilaç hedefi keşif araştırmalarında, sinerjinin genellikle, bireysel uyaranların kombinasyonları ile tedavi edilen bir biyolojik sistemin, tek başına tek uyaranların birleşik ilave etkilerinden daha büyük bir kombinasyona yanıt göstermesi durumunda ortaya çıktığı anlaşılmaktadır. Sitokinler arasındaki sinerjik etkileşimler, doğuştan gelen antiviral tepkilerin yönlendirilmesinde iyi belgelenmiştir3. Sitokinlerin, IECS4 de dahil olmak üzere sinerjik olarak hücre ölümünü indüklediği bilinmektedir. Bununla birlikte, sinerjik sitotoksik sitokin sinyallemesinin IBD gibi bağırsak inflamatuar bozukluklarında oynadığı rol yeterince çalışılmamıştır.
İnsan bağırsak organoidleri, bağırsak epitel kök hücrelerinden üretilen in vitro olarak üretilen 3D mikro dokulardır. Bağırsak organoidleri, IBD’li hastalardan elde edilen bağırsak mukozal biyopsilerinden yetiştirilebilir ve hastalığın birçok özelliğini korur 5,6. Organoidlerin, bağırsak iltihabıbağlamında sitokin sitotoksisitesini incelemek için ideal bir model sistem olduğu kanıtlanmıştır 7,8. Daha önce, grubumuz CD hastasından türetilen kolon organoidlerinde (kolonoidler) IBD ile ilişkili sitokinler IFN-γ ve TNF-α’nin sinerjik öldürme etkilerini karakterize etmiştir9,10. Bununla birlikte, bu sinerjik hücre ölümü biçimine aracılık etmede yer alan kesin mekanizmalar belirsizliğini korumaktadır. Ayrıca, bağırsak inflamatuar bozuklukları ile ilgili potansiyel olarak daha birçok karakterize edilmemiş sitotoksik sitokin etkileşimi vardır.
Bağırsak organoidlerinde hücre ölümünü incelemek için çeşitli protokoller mevcuttur 10,11,12,13; Ancak, her birinin dezavantajları vardır. Bu tekniklerin bazıları sadece hücre canlılığını ölçer ve hücre ölümünü doğrudan ölçmez, tek organoid tepkileri değerlendiremez veya pahalı ekipman ve karmaşık protokoller gerektirir. Bağırsak organoidlerinde organoid hücre ölümünü ve pertürbagen etkileşimlerini ölçmek için sağlam ve basit metodolojilere ihtiyaç vardır. Sunduğumuz protokol, sitotoksik sitokinlere tek organoid yanıtları ölçmek için basit ve ucuz bir yaklaşımdır, ancak her türlü uyaran veya pertürbagen için kullanılabilir. Ayrıca, sitotoksik sitokin etkileşimlerini tanımlayan bir pertürbaj etkileşim katsayısını (CPI) hesaplamak için Bliss bağımsızlık sinerjisi modelinin nasıl kullanılacağını da gösteriyoruz.
Bağırsak organoidlerinde hücre ölümünün kantitatif analizleri için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bağırsak organoid morfolojisinin bozulmasını ışık mikroskobu ile incelemek, sitotoksik maddelerin etkilerini ölçmek için basit bir yaklaşımdır11. Bununla birlikte, morfolojik değişiklikler hücre ölümünün doğrudan bir ölçümü değildir ve yöntem sadece yarı kantitatiftir. Başka bir yöntem, bir MTT veya ATP testi10,11 kullanarak organoid metabolik aktiviteyi değerlendirmektir. Bu tahlillerin yalnızca hücre canlılığındaki değişiklikleri belirleyebileceğini ve bir hücre ölümü tahlili ile doğrulanması gerektiğini belirtmek önemlidir. DNA bağlayıcı boyalar kullanılarak yapılan diğer florometrik hücre ölümü deneyleri bildirilmiştir12,13. Floresan mikroplaka okuyucu kullanan görüntüleme dışı bir yaklaşım mümkündür ve yüksek verimsağlar 12. Bununla birlikte, bu yöntem tüm bir kuyunun ortalama sinyalini ölçer ve bu da onu heterojen popülasyonlar için uygun hale getirmez. Ayrıca Z yükseklik ayarlı bir mikroplaka okuyucunun kullanılmasını gerektirir. Floresan görüntüleme tabanlı teknikler, tek organoid analizi için kullanılabilir ve hücresel/hücre altı ve morfolojik verileri yakalayabilir. Otomatik konfokal yüksek içerikli görüntüleme (HCI) sistemleri, yüksek aktarım hızıyla büyük miktarda veri üretebilir13. Ne yazık ki, konfokal HCI özel ekipmana ihtiyaç duyar, karmaşık protokoller kullanır, tipik olarak ticari görüntü analiz yazılımı gerektirir ve pahalıdır.
Birden fazla zaman noktasında kolonoid hücre ölümünün kantitatif analizi için protokolümüz basit, basit ve ucuzdur. Bununla birlikte, otomatik HCI ve plaka okuyucu sistemleriyle karşılaştırıldığında, zaman alıcıdır ve verimi azaltmıştır. Yöntemimizin bir diğer sınırlaması, konfokal mikroskopinin aksine geniş alan kullanımıdır. Konfokal mikroskopi, odak dışı sinyali azalttığı ve seri optik kesitler (Z-yığınları) elde edebildiği için organoidler gibi kalın 3D numuneleri görüntülemek için daha uygundur. Bununla birlikte, konfokal görüntüleme tipik olarak daha uzun çekim süreleri ve fototoksisiteyi/fotobleaching’i artıran yüksek yoğunluklu lazerler gerektirir. SYTOX Green gibi floresan hücre ölümü boyalarının yalnızca nekroz, geç apoptozla ilişkili ikincil nekroz, nekrotoz ve piroptoz21 gibi hücre zarı bütünlüğünün kaybolduğu hücre ölümü formlarını ölçmek için uygun olduğuna dikkat etmek çok önemlidir. Kaspaza bağımlı apoptoz gibi, hücre zarının en azından hücre ölümünün erken aşamalarında geçirimsiz kaldığı bazı düzenlenmiş hücre ölümü biçimleri vardır. Bununla birlikte, bu protokol, bir kaspaz 3/7 aktivite floresan raportörünün22 görüntülenmesini de içerecek şekilde kolayca değiştirilebilir. Bu, spesifik hücre ölümü modalitesini karakterize etmeye yardımcı olmak için ek veriler sağlayacaktır.
Protokolümüzü, daha önce CD hasta kaynaklı organoidlerde (2) bildirdiğimiz sitokinler IFN-γ ve TNF-α arasındaki sitotoksik sinerjik etkileşimi göstermek için kullandık 9,10. Bu sinerjizm formunun fizyolojik önemi, hemofagositik lenfohistiyositoz ve sepsis23’ün murin modellerinde de gösterilmiştir. Biyolojik ajanların kombinasyonları arasındaki sinerjiyi ölçmek için çeşitli matematiksel referans modelleri ve yaklaşımlar uygulanmıştır 24,25. Karmaşıklıkları, dikkate aldıkları faktörlerin sayısı ve bir etkileşimin sinerjik olduğunu düşünme eşiği açısından farklılık gösterirler24,25. Bazı modeller, test edilen biyolojik ajanlar hakkında önceden bilgi sahibi olmaya ihtiyaç duyar, ajanların aktivitesi hakkında belirli varsayımlarda bulunur ve her tek ve kombinasyon tedavisi için kapsamlı doz-yanıt eğrileri gerektirebilir25. Sinerjiyi ölçmek için seçtiğimiz yöntem, daha önce kemoterapi ilaç kombinasyonlarının kanser hücre hattı proliferasyonu26 üzerindeki inhibitör etkilerini ölçmek için kullanılan ilaç etkileşim katsayısı (CDI) modelinin bir modifikasyonudur. CDI bir Bliss bağımsızlık modelidir; iki perturbagenin tahmin edilen birleşik etkisini hesaplarken, Bliss bağımsızlığı, bunların ayrı yolları hedeflediklerini ve bağımsız etki mekanizmalarına sahip olduklarını varsayar27. Pertürbagenler arasındaki bir etkileşimin sinerjik olması için, gerçek birleşik etkinin tahmin edilen etkiden daha büyük olması gerekir. IFN-γ ve TNF-α’nin farklı reseptörlere ve aşağı akış sinyalizasyon bileşenlerine sahip olduğu bilindiğinden, bu model deney kurulumumuz için uygundur. Ayrıca, Bliss bağımsızlığı, sinerjizmi ölçmek için bir etkileşim katsayısının hesaplanmasına izin verir ve doz-yanıt veri kümeleri gerektirmez.
Bu protokol için en iyi sonuçları elde etmek için dikkate alınması gereken birkaç önemli faktör vardır. Kolonoidlerin yüksek bir yoğunluğa yayılması (Şekil 1Bi), çaplarının yaklaşık 25-50 μm olması ve hücreleri tohumlamaya çalışmadan önce aktif olarak çoğalmaları önemlidir. Tahliller için optimal olmayan kolonoid kültürlerinin kullanılması, yetersiz hücre sayısına, düşük kolonoid geri kazanımına ve tutarsız deneylere neden olabilir. Tekrarlanabilir sonuçlar için, kolonoidlerin yoğunluğunu deneyler arasında tutarlı bir şekilde tohumlamak da önemlidir. İnflamatuar sitokinlere in vitro yanıtın hücre tohumlama yoğunluğu28,29’dan etkilenebileceği daha önce gösterilmiştir. Diğer bir yaygın sorun, BME kubbesinde görüntülemeyi etkileyebilecek hava kabarcıklarının oluşmasıdır. Bu, ters pipetleme tekniği kullanılarak önlenebilir. Bu teknik aynı zamanda daha tutarlı tohumlama ile sonuçlanır.
Ayrıca, birden fazla zaman noktası görüntülüyorsanız, her zaman noktası için bir Maksimum Toksisite koşulu hazırlayın. İyonik olmayan bir yüzey aktif madde olan Triton-X 100, sitotoksisite deneyleri için yaygın olarak pozitif bir kontrol (Maksimum Toksisite koşulu) olarak kullanılır. Triton-X 100 ilavesi, kolonoidleri parçalayıp öldürerek floresan hücre ölüm boyasının hücrelere girmesine izin verir. Daha önceki bir zaman noktasından bir Maksimum Toksisite koşulunun kullanılması, floresan sinyalin zamanla bozulması nedeniyle verilerin yanlış ve tutarsız normalleştirilmesine neden olur.
Dikkate alınması gereken son bir nokta, kolonoid kültürü için kullanılan BME seçimidir. BME’nin birkaç ticari üreticisi vardır; ancak protokolümüz için sadece Malzeme Tablosunda yer alan markayı test ettik. Hasta kaynaklı pankreas kanseri organoidlerini kullanan yeni bir çalışma, BME’nin ticari kaynağının hücre proliferasyon oranlarını değiştirdiğini, ancak kemoterapi ilaçlarına veya gen ekspresyonuna yanıt üzerinde önemli bir etkisi olmadığını buldu30. Bunu göz önünde bulundurarak, protokolümüz için sonuç eğiliminin BME markaları arasında benzer olmasını bekliyoruz, ancak aynı markayı tutarlı bir şekilde kullanmanızı öneririz.
Bu protokolün, CD hastasından türetilmiş kolonoidler kullanılarak IFN-γ ve TNF-α kaynaklı hücre ölümünün analizi için nasıl kullanılabileceğini gösterdik. Hasta kaynaklı bağırsak organoidleri, TNF-α31’in sitotoksik etkilerine karşı artan duyarlılık da dahil olmak üzere hastalığın birçok özelliğini korudukları için CD’yi incelemek için güçlü bir araçtır. Bununla birlikte, protokol, sitokinler dışındaki pertürbagenlerin veya kolorektal kanser gibi IBD dışındaki hastalık durumlarının sitotoksik etkilerini araştırmak için kolayca değiştirilebilir (protokolü IBD olmayan kolonoidler kullanarak başarıyla test ettik). Bu yöntemin hücre ölüm mekanizmaları, epitel bariyer fonksiyonu veya bağırsak mukozal immünolojisi ile ilgili herhangi bir araştırma alanı için yararlı olduğuna inanıyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, hastalara bilgilendirilmiş onamları ve araştırma çalışmasına katılımları için ve klinik personele mükemmel yardımları için teşekkür eder. Şekil 1A , BioRender.com ile oluşturulmuştur. Bu çalışma, İrlanda Bilim Vakfı’ndan alınan hibelerle desteklenmiştir – yani K.N.’ye bir kariyer geliştirme ödülü (CDA) (SFI-13 / CDA / 2171), bir araştırma merkezi hibesi (SFI-12 / RC / 2273) ve APC Microbiome Ireland’a bir araştırma merkezi konuştu ödülü (SFI-14 / SP / 2710). P.F. ayrıca SFI/20/RP/9007’den fon aldı.
Advanced DMEM/F12 | Gibco | 12634010 | |
Amphotericin B Solution | Sigma-Merck | A2942 | |
A-83-01 | Sigma-Merck | SML0788 | |
BioRender | Science Suite Inc. | N/A | Scientific illustration software |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Merck | A2058 | Essentially IgG-free, low endotoxin |
B27 Supplement | Invitrogen | 17504-044 | |
CHIR-99021 | Sigma-Merck | SML1046 | |
Costar 48-well Clear TC-treated Multiple Well Plates, Individually Wrapped, Sterile | Corning | 3548 | |
Cultrex Basement Membrane Extract, Type 2, Pathclear | R&D Systems | 3532-010-02 | Basement membrane extract |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Merck | D2650 | |
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline | Sigma-Merck | D8537 | |
EVOS FL Digital Inverted Fluorescence Microscope | Invitrogen | AMF4300 | Digital inverted epifluorescence microscope |
EVOS 40x Objective, fluorite, LWD, phase-contrast | ThermoFisher Scientific | AMEP4683 | Long working distance 40x fluorescence objective |
Fiji/ImageJ (Windows version) | Open-source software | N/A | Image analysis software |
Foetal Bovine Serum | Sigma-Merck | F9665 | |
Gentamicin Solution | Sigma-Merck | G1397 | |
Gentle Cell Dissociation Reagent | STEMCELL Technologies | 100-0485 | Enzyme-free cell dissociation reagent |
GlutaMAX-1 | Gibco | 35050061 | L-alanyl-L-glutamine dipeptide supplement |
GraphPad Prism 5 (Windows version) | Dotmatics | N/A | Data graphics and statistics software |
Greiner 15 mL Polypropylene Centrifuge Tube, Sterile with conical bottom & Screw Cap | Cruinn | 188261CI | |
HEPES 1 M | Gibco | 15630080 | |
Human recombinant EGF (animal free) | Peprotech | AF-100-15 | |
N-Acetylcysteine | Sigma-Merck | A9165 | |
Nicotinamide | Sigma-Merck | N0636 | |
Normocin | InvivoGen | ant-nr-05 | Broad range antimicrobial reagent |
Nunc Edge 96-Well, Nunclon Delta-Treated, Flat-Bottom Microplate | ThermoFisher Scientific | 15543115 | |
N2 supplement | Invitrogen | 17502-048 | |
Recombinant Human IFN-gamma Protein | R&D Systems | 285-IF | Resuspend in sterile filtered 0.1% PBS/BSA |
Recombinant Human TNF-alpha Protein | R&D Systems | 210-TA | Resuspend in sterile filtered 0.1% PBS/BSA |
SB202190 | Sigma-Merck | S7067 | |
Snap Cap Low Retention Microcentrifuge Tubes | ThermoFisher Scientific | 3451 | |
SYTOX Green Nucleic Acid Stain – 5 mM Solution in DMSO | Invitrogen | S7020 | Fluorescent cell death dye, protect from light |
Triton X-100 | Sigma-Merck | 93420 | |
Trypan Blue solution | Sigma-Merck | T8154 | |
Tryple Express | Gibco | 12604013 | Enzymatic dissociation reagent |
Y-27632 | MedChemExpress | HY-10071 | Inhibitor of ROCK-I and ROCK-II |
.