Dieses Protokoll beschreibt, wie die Differenzierung von M-Zellen in menschlichen Stammzell-abgeleiteten ilealen Monolayern und Methoden zur Beurteilung ihrer Entwicklung induziert werden kann.
M (Mikrofalte) Zellen des Darms funktionieren Antigen aus dem apikalen Lumen zu den zugrunde liegenden Peyer-Pflastern und Laminaproprien, wo sich Immunzellen befinden, und tragen somit zur Schleimhautimmunität im Darm bei. Ein vollständiges Verständnis, wie sich M-Zellen im Darm unterscheiden, sowie die molekularen Mechanismen der Antigenaufnahme durch M-Zellen fehlen. Dies liegt daran, dass M-Zellen eine seltene Population von Zellen im Darm sind und weil In-vitro-Modelle für M-Zellen nicht robust sind. Die Entdeckung eines sich selbst erneuernden Stammzellkultursystems des Darms, sogenannte Enteroide, hat neue Möglichkeiten zur Kultivierung von M-Zellen geschaffen. Enteroide sind vorteilhaft gegenüber Standard-kultivierten Zelllinien, da sie in mehrere Hauptzelltypen im Darm unterschieden werden können, einschließlich Kelchenzellen, Paneth-Zellen, enteroendokrine Zellen und Enterozyten. Das Zytokin RANKL ist für die M-Zellentwicklung von wesentlicher Bedeutung, und die Zugabe von RANKL und TNF-A zu Kulturmedien fördert eine Teilmenge von Zellen aus ilealen Enteroiden, um sich in M-Zellen zu differenzieren. Das folgende Protokoll beschreibt eine Methode zur Differenzierung von M-Zellen in einem transwell epitheliaal polarisierten Monoschichtsystem des Darms mit humanen Ileal-Enteroiden. Diese Methode kann auf die Untersuchung der M-Zellentwicklung und -funktion angewendet werden.
M (Mikrofalte) Zellen sind spezialisierte Darmepithelzellen, die in erster Linie im Follikelassoziierten Epithel (FAE) des Darms überhängenden kleinen lymphoiden Regionen gefunden werden, die Peyer-Pflaster1. M-Zellen haben kurze unregelmäßige apikale Mikrovilli und sind auf ihrer basolateralen Seite tief invaginated, wodurch Immunzellen sich eng an ihren Zellkörper befinden2. Diese einzigartige Morphologie ermöglicht es M-Zellen, Antigen aus dem apikalen Lumen des Darms zu proben und direkt an die zugrunde liegenden Immunzellen2zu liefern. Auf diese Weise sind M-Zellen wichtig für die Immunüberwachung im Darm, können aber auch von Krankheitserregern für den Eintritt in die Lamina propria1,2,3,4,5, 6,7.
Die Untersuchung von M-Zellen wurde durch mehrere Faktoren behindert. Zunächst werden M-Zellen in geringer Häufigkeit in der Maus und im menschlichen Darmgefunden 8. In kultivierten Zellsystemen wurden M-Zell-ähnliche Zellen induziert, durch Ko-Kultivierung einer polarisierten Adenokarzinom-Zelllinie, Caco-2, mit entweder B-Lymphozyten aus Maus-Peyer-Pflastern oder der B-Zell-Lymphom-Zelllinie, Raji B9,10, zu unterscheiden. . Dies führt zu einer Teilmenge von Caco-2-Zellen, die die M-Zellmarker Sialyl Lewis A Antigen und UEA-1 im polarisierten Epithel9,10ausdrücken. (Diese Marker werden auch auf Kelchenzellen in Darmgeweben exprimiert, so dass heutzutage weniger häufig als definitive M-Zellmarker11,12verwendet werden.) Dieses Caco-2-M-Zellsystem wurde zur Untersuchung der Partikelaufnahme und der Bakterientranslokation13,14verwendet. Caco-2-Zellen sind jedoch eine etablierte Zelllinie aus einem großen Darmadenokarzinom mit dem Verwirrenden Faktor, dass verschiedene Quellen von Caco-2-Zellen verschiedene Phänotypen unter den Laboren15zeigen. Darüber hinaus können sie die Transkriptionsniveaus echter M-Zellen möglicherweise nicht vollständig rekapitulieren, da sie keine Expression der derzeit bekannten M-Zellmarker GP2 und SpiB16haben. Daher sind zusätzliche und physiologisch relevantere Kulturmodelle erforderlich, um die Entwicklung und Funktion von M-Zellen untersuchen zu können.
Innerhalb der letzten zehn Jahre hat sich das Feld der enteroidabgeleiteten Modellsysteme des Darms rasch von der ersten Entdeckung entwickelt, dass Darmstammzellen aus der menschlichen Darmbiopsie sich in der Kultur selbst vermehren und sich selbst erneuern könnten. 17 , 18. Wichtig ist, dass die Entfernung von Stammzellförderfaktoren aus den Wachstumsmedien es diesen Stammzellkulturen ermöglicht, sich in die vielen Zelltypen im Darm zu differenzieren18. Darüber hinaus legen neuere Arbeiten die Bedeutung der RANKL-RANK-Signalisierung bei der M-Zellentwicklung im Darm19,20nahe. Der RANK-Rezeptor ist ein Mitglied der TNF-Familie von Rezeptoren, die auf Epithel-Vorläuferzellen im Darm19 exprimiert wird, während RANKL (der RANK-Rezeptor-Ligand) durch Stromalzellen der Peyer-Pflaster freigesetzt wird20. Da die epithelialen Zelltypen in ilealen Enteroiden keine RANKL produzieren, kann die M-Zelldifferenzierung in ilealen enteroiden Kulturen durch die Zugabe von RANKL zu den Kulturmedien21,22induziert werden. Die Aufnahme von TNF in die Kulturmedien unterstützt die M-Zellentwicklung in ilealen Enteroiden23. Hier beschreiben wir die Methoden zur Induktion der Differenzierung von M-Zellen in Darmmonolayern, die von menschlichen ilealen Enteroiden abgeleitet sind. Unsere Methoden basieren zum Teil auf Modifikationen aus den folgenden Protokollen21,22,23.
Um Monolayer zu entwickeln, die sich richtig in die wichtigsten Darmzelltypen und M-Zellen differenzieren, ist es wichtig, sich mehrerer Faktoren bewusst zu sein. Ileale Enteroide müssen aus ECM-Kulturen geerntet werden, die undifferenziert sind und einen hohen Anteil an Lgr5+ Stammzellen haben. Optisch sollte die Mehrheit der ilealen Enteroide in den ECM-Kulturen nicht abgedunkelt und multilobular sein, und die LGR5-Expression sollte in diesen Kulturen durch qRT-PCR-Analyse nachgewiesen werden. Die Qualitätskontrolle konditionierter Medien ist für die Verbreitung undifferenzierter Kulturen im Laufe der Zeit unerlässlich und muss für jede produzierte Charge konditionierter Medien abgeschlossen werden. Die Qualitätskontrolle kann durch das Testen einer neuen Mediencharge auf einigen ECM-Kulturen und den Vergleich der Morphologie der ilealen Enteroide mit einer früheren Charge von Medien im Laufe einer Woche abgeschlossen werden. Die LGR5-Expression sollte in den ilealen Enteroidkulturen, die in der neuen Mediencharge angebaut werden, im Vergleich zur vorherigen Charge relativ ähnlich bleiben.
Bei der Vorbereitung der ilealen Enteroide für die Aussaat als Monolayer ist es wichtig, die Zelllösung nach der Inkubation mit Trypsin kräftig zu pipetten, um die ilealen Enteroide in einzelne Zellen aufzuteilen. Zellklumpen können zu mehrschichtigen Bildungen führen, wenn sie für Monolayer gesät werden. Darüber hinaus ist es wichtig, empirisch die Anzahl der Zellen zu bestimmen, die erforderlich sind, um eine Monoschicht für jede einzelne ileale Enteroidlinie zu bilden, die erhalten wird. Typischerweise kann dieser Wert zwischen 2,5 x 105 – 5,0 x 105 Zellen/Gut reichen, hängt aber vom Grad der zystischen bis nicht zystischen ilealen Enteroide in Kulturen ab und variiert für jede einzelne ileale Enteroidlinie. Aus Erfahrung erfordern ileale Enteroide, die in ECM angebaut werden und weniger zystisch erscheinen, eine höhere Zellsaatdichte, um Monolayer zu erreichen. Es ist ratsam, die obere Kammer nach 1 Tag des Wachstums zu waschen, indem Sie die Medien 2-3 Mal sanft nach oben und unten pfeifen und durch frische Wachstumsmedien ersetzen. Dieser Prozess löst Zellen, die auf anderen Zellen gelandet sind, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer mehrschichtigen Bildung verringert wird. Die Umstellung der Medien in der oberen Kammer von Wachstumsmedien auf M-Zellmedien, wenn die Monolayer zu 80 % konfluent sind, was normalerweise bei Tag 2 nach der Aussaat auftritt, trägt zu einer guten M-Zelldifferenzierung bei. Die Zugabe von RANKL/TNF a in die obere Kammer während der M-Zell-Induktion führt nicht zur Entwicklung einer größeren Anzahl von M-Zellen pro Monoschicht und kann daher aus den oberen Kammermedien herausgelassen werden. Transwells unterschiedlicher Porengrößen können in diesem Protokoll verwendet werden, ohne die Entwicklung von M-Zellen zu beeinträchtigen; Allerdings muss die Zellsädichte für Personen mit größeren Porengrößen optimiert werden. Kollagen IV kann für ECM als Kellermembran-Proteinbeschichtung für Transwells oder Brunnenplatten ersetzt werden, die für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind.
Ileal enteroid-abgeleitete Monolayer auf Transwells bieten ein Zweikammersystem, das die Erstellung definierter apikaler und basolateraler Oberflächen ermöglicht, so dass die 4-5 verschiedenen Arten von epitheliaalen Darmzellen polarisieren können, um Oberflächenmarker auf jedem Seite relativ zu der im Darm gefundenen. Beiden Seiten können zusätzliche Faktoren hinzugefügt werden, z. B. Partikel, Infektionserreger oder andere Zelltypen. Bis heute gibt es jedoch noch einige Einschränkungen. Wie beschrieben, ist dieses System ein statisches System, das physiologischen Fluss, Darmkontraktionen und Darmgehalt fehlt. Darüber hinaus geht die Villus-Crypt-Architektur durch die Bildung einer flachen Monoschicht verloren. Diesen Systemen fehlen Peyers Patchregionen, Immunzellen und Stromalzellen. Ob der Mangel an Immun- und Stromalzellen, die sich eng unter M-Zellen befinden, die Invaginationen beeinflusst, die in diesem System nicht beobachtet werden, und andere physiologische Funktionen ist ein wichtiger zukünftiger Untersuchungsbereich. Dieses Protokoll kann an eine 96-Well-Platte oder ein Multi-Well-Plattenformat angepasst werden. Das Verfahren zur Beschichtung der 96-Well-Platte mit ECM und der Aussaat mit Einzelzellen aus ilealen Enteroiden bleibt das gleiche wie bei Transwells. Die Titration der Zellsädichte, die erforderlich ist, um Monolayer zu erhalten, muss durchgeführt werden, reicht aber in der Regel von 1,0 x 105 – 3,0 x 105 Zellen/Gut in einem 96-Well-Plattenformat. M-Zellen werden induziert, indem die Wachstumsmedien durch M-Zellmedien ersetzt werden, wenn die Monolayer in der Regel durch Tage 1-3 zusammenfließen, abhängig von der anfänglichen Zellsaatdichte.
Diese Methode zur Unterscheidung von M-Zellen von ilealen Enteroiden in vitro bietet signifikante Verbesserungen gegenüber der Caco-2-Methode. Die ilealen Enteroide sind Primärzellen und mindestens 4-5 Epithelzellentypen sind im System vorhanden. Darüber hinaus können ileale enteroide Linien, die von verschiedenen Menschen abgeleitet wurden, untersucht werden, um zu untersuchen, wie Genetik oder Krankheitszustand die Entwicklung und das Verhalten von M-Zellen beeinflussen. Eine zusätzliche Manipulation der ilealen Enteroide während der M-Zelldifferenzierung ermöglicht ein besseres Verständnis der M-Zellentwicklung einschließlich der Charakterisierung von M-Zellvorläuferzellen. Da die molekularen Mechanismen der M-Zellphagozytose und Transzytose noch nicht vollständig verstanden sind3,29, bietet dieses Modell die Möglichkeit, Antigen- und Partikelaufnahme durch M-Zellen zu untersuchen und zu visualisieren.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von NIAID U19AI131126 an Dr. Isberg (Tufts University School of Medicine) und Dr. Kaplan (Tufts University) unterstützt; (JM ist Projektleiter von Project 2) und NIAID R21AI128093 an JM. ACF wurde teilweise von NIAID T32AI007077 unterstützt. SEB und MKE wurden von NIAID U19AI116497-05 unterstützt. Wir danken den Mitgliedern des Mecsas-Labors, des Ng-Labors und Dr. Isberg an der Tufts University School of Medicine für nützliche Diskussionen. Die konfokale Bildgebung wurde am Tufts Center for Neuroscience Research, P30 NS047243, durchgeführt.
[Leu15]-Gastrin I | Sigma-Aldrich | G9145 | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: PBS Stock Concentration: 10 µM Final Concentration: 10 nM |
0.5M EDTA | Invitrogen | 15575020 | For breaking up ECM Solvent: PBS Stock Concentration: 0.5 M Final Concentration: 0.5 mM |
40 µm cell strainer | Corning | 352340 | For excluding clumps from single cells Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
A-8301 | Sigma-Aldrich | SML0788-5MG | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: DMSO Stock Concentration: 500 µM Final Concentration: 500 nM |
Advanced DMEM/F12 | Invitrogen | 12634-028 | MCMGF+ and DM Basal medium Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Alexa Fluor 594 goat anti-mouse IgG | Thermo Fisher | A-11005 | For secondary stain Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 1:200 |
Alexa Fluor 647 Phalloidin | Invitrogen | A22287 | Optional secondary stain for F-actin Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 1:100 |
B27 Supplement | Invitrogen | 17504-044 | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: Stock Concentration: 50x Final Concentration: 1x |
Bovine Serum Albumin | Chem-Impex | 00535 | 5% for blocking solution Solvent: PBS Stock Concentration: Final Concentration: 0.01 |
Chloroform | Fisher Scientific | C298-500 | For RNA isolation Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Circle coverslips | Thomas Scientific | 1157B50 | For mounting membrane on glass slide Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) | Thermo Fisher | 62247 | For secondary stain Solvent: PBS Stock Concentration: 100x Final Concentration: 1x |
DEPC Treated RNAse free H2O | Fisher Scientific | BP561-1 | For RNA isolation Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
DNA Removal Kit | Invitrogen | AM1906 | For RNA isolation Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Ethyl Alcohol, 200 proof | Sigma Aldrich | EX0276-4 | For RNA isolation Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Feather Scalpels | VWR | 100499-580 | For cutting membrane from transwells Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Gibco | 26140079 | For inactivating trypsin Solvent: Advanced DMEM/F12 Stock Concentration: 1 Final Concentration: 0.1 |
Glass slides | Mercedes Scientific | MER 7200/90/WH | For mounting membrane on glass slide Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
GlutaMAX | Invitrogen | 35050-061 | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: Stock Concentration: 200 mM Final Concentration: 2 mM |
GP2 Antibody | MBL International | D277-3 | Surface stain for M cells Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 1:100 |
HEPES | Invitrogen | 15630-080 | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: Stock Concentration: 1 M Final Concentration: 10 mM |
Human Serum IgA | Lee BioSolutions | 340-12-1 | For functional analysis of M cells Solvent: PBS Stock Concentration: 1 mg/mL Final Concentration: 10 µg |
L-Wnt3a conditioned media | Cell line from ATCC | CRL-2647 | Refer to ATCC Product Sheet for L Wnt3A (ATCC CRL2647) for conditioned media protocol; MCMGF+ ingredient Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 75% in MCMGF+ 0% in DM |
Matrigel, GFR, phenol free | Corning | 356231 | Extracellular Matrix (ECM) Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Mouse recombinant EGF | Invitrogen | PMG8043 | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: PBS Stock Concentration: 50 µg/mL Final Concentration: 50 ng/mL |
N2 Supplement | Invitrogen | 17502-048 | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: Stock Concentration: 100x Final Concentration: 1x |
N-acetylcysteine | Sigma-Aldrich | A9165-5G | MCMGF+ and DM ingredient Solvent: H2O Stock Concentration: 500 mM Final Concentration: 1 mM |
Noggin conditioned media | Cell line gift from Dr. Gijs van den Brink (University of Amsterdam) | Ref 30 for conditioned media protocol; MCMGF+ and DM Ingredient Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 5% in MCMGF+ 5% in DM |
|
Paraformaldehyde (PFA) | MP Biomedicals | 2199983 | For fixing monolayers Solvent: PBS Stock Concentration: 0.16 Final Concentration: 0.04 |
PBS, -Mg, -Ca | Corning | MT21040CV | Solvent for 0.5 mM EDTA Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140-122 | Optional ingredient of MCMGF+ and DM Solvent: Stock Concentration: 100x Final Concentration: 1x |
Prolong Gold | Invitrogen | P36930 | Antifade mounting solution Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Qiagen RNeasy Kit | Qiagen | 74106 | For RNA isolation Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Recombinant human RANKL | Peprotech | 310-01 | Used to induce M cells Solvent: H2O Stock Concentration: 0.1 mg/mL Final Concentration: 200 ng/mL |
Recombinant murine TNFa | Peprotech | 315-01A | Used to induce M cells Solvent: H2O Stock Concentration: 5 mg/mL Final Concentration: 50 ng/mL |
R-spondin conditioned media | Cell line from Trevigen | 3710-001-01 | Refer to Trevigen Cultrex Rspo1 Cells product manual (HA-R-Spondin1 293T cell line) for conditioned media protocol; MCMGF+ Ingredient Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 10% in MCMGF+ 0% in DM |
Secondary anti-human IgA antibody | Jackson Immuno Research | 109-545-011 | For secondary stain Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: 1:200 |
Super Script IV Reverse Transcriptase | Thermo Fisher | 18091200 | For conversion of RNA to DNA Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Transwell inserts, 24 well-sized | Greiner Bio-One | 662641 | 0.4 µm pore size Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
TritonX-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Not required during GP2 primary stain Solvent: 1% BSA Stock Concentration: Final Concentration: 0.001 |
TRIzol | Invitrogen | 15596018 | For RNA isolation Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
TrypLE Express | Invitrogen | 12605010 | Trypsin for breaking up enteroids into single cells Solvent: Stock Concentration: Final Concentration: |
Y-27632 | Sigma-Aldrich | Y-0503 | MCMGF+ ingredient on day 0 Solvent: H2O Stock Concentration: 5 mM Final Concentration: 10 µM |
GAPDH forward primer | CATGAGAAGTATGACAACAGCCT | ||
GAPDH reverse primer | CGTTTCCCGCAAGACGTAAC | ||
GP2 forward primer | CAATGTGCCTACCCACTGGA | ||
GP2 reverse primer | ATGGCACCCACATACAGCAC | ||
LYZ forward primer | CGCTACTGGTGTAATGATGG | ||
LYZ reverse primer | TTTGCACAAGCTACAGCATC | ||
MUC2 forward primer | ATGCCCTTGCGTCCATAACA | ||
MUC2 reverse primer | AGGAGCAGTGTCCGTCAAAG | ||
SI forward primer | TCCAGCTACTACTCGTGTGAC | ||
SI reverse primer | CCCTCTGTTGGGAATTGTTCTG | ||
SPIB forward primer | CAGCAGCCGCTTTTAGCCAC | ||
SPIB reverse primer | GCATATGCCGGGGGAACC |