פרוטוקול זה מפרט את התבססותם של אנטרואידים, מודל מעיים תלת-ממדי, מרקמת המעי העוברית. הדמיה אימונופלואורסצנטית של סמנים ביולוגיים אפיתליאליים שימשה לאפיון מודלים. חשיפה אפית של ליפופוליסכרידים, אנדוטוקסין חיידקי, באמצעות טכניקת מיקרו-הזרקה המושרה חדירות אפיתל באופן תלוי מינון שנמדד על ידי דליפה של דקסטרן פלואורסצנטי.
אנטרואידים אנושיים שמקורם ברקמות עובריות מתגלים כמודל מבטיח במבחנה לחקר פגיעות מעיים בפגים. האנטרוידים מפגינים קוטביות, המורכבת מלומן עם גבול אפיקלי, צמתים הדוקים ושכבה חיצונית בזולטרלית החשופה למדיית צמיחה. ההשלכות של פציעות מעיים כוללות דלקת רירית וחדירות מוגברת. בדיקת חדירות מעיים בנבדקים אנושיים פגים פגיעים היא לעתים קרובות לא אפשרית. לפיכך, יש צורך במודל מעיים שמקורו ברקמת עובר חוץ גופית כדי לחקור פגיעות מעיים בפגים. ניתן להשתמש באנטרוידים כדי לבדוק שינויים בחדירות אפיתל המווסתת על ידי חלבוני צומת הדוקים. באנטרואידים, תאי גזע מעיים מתמיינים לכל סוגי תאי האפיתל ויוצרים מבנה תלת-ממדי על מטריצת קרום מרתף המופרשת על ידי תאי סרקומה של עכברים. במאמר זה נתאר את השיטות המשמשות לביסוס אנטרואידים מרקמת המעי העוברית, לאפיון חלבוני הצומת הצמודים האנטרואידיים עם הדמיה אימונופלואורסצנטית, ולבדיקת חדירות אפיתל. מכיוון שדיסביוזיס חיידקי דומיננטי גראם-שלילי הוא גורם סיכון ידוע לפגיעה במעיים, השתמשנו בליפופוליסכריד (LPS), אנדוטוקסין המיוצר על-ידי חיידקים גראם-שליליים, כדי לגרום לחדירות באנטרואידים. דקסטרן עם תווית פלואורסצין הוזרק ללומן האנטרואידי, וריכוזי דקסטרן סדרתיים שדלפו למדיית התרבית נמדדו כדי לכמת את השינויים בחדירות העל-תאית. הניסוי הראה כי חשיפה אפיקלית ל-LPS גורמת לחדירות אפיתל באופן תלוי ריכוז. ממצאים אלה תומכים בהשערה כי דיסביוזיס דומיננטי גראם שלילי תורם למנגנון של פגיעה במעיים אצל פגים.
פגים חשופים לדלקת תכופה וממושכת המעמידה אותם בסיכון מוגבר לפגיעה במעיים וכתוצאה מכך לנכות ארוכת טווח או למוות1. המחקר בתחום זה מאותגר על ידי היכולת המוגבלת לערוך ניסויים על פגים פגיעים. יתר על כן, מחסור במודלים מתאימים פגע במחקר המקיף של סביבת המעיים המוקדמת2. מודלים קיימים של in vitro ו– in vivo לא הצליחו לייצג באופן מקיף את סביבת המעי האנושית המוקדמת. באופן ספציפי, קווי תאי עובר אפיתל בודדים עשויים שלא ליצור צמתים הדוקים, ומודלים של בעלי חיים מפגינים תגובות דלקתיות ואימונולוגיות שונות מאשר פגים אנושיים. עם גילוי איתות ה-Wnt כמסלול ראשוני בהתרבות והתמיינות של תאי גזע קריפטה במעיים ותאי גזע חדשניים של רקמת Lgr5+, אורגנואידים שמקורם ברקמות מעיים כגון אנטרואידים וקולונואידים נקבעו כמודלים במבחנה 3,4,5. באמצעות טכנולוגיה זו ניתן ליצור ולהשתמש במודלים אנטרואידיים תלת-ממדיים (3D) המפותחים מרקמה שלמה או ביופסיה של המעי כדי לחקור תגובות אפיתל לסביבת המעי 6,7.
בניגוד לקווי תאי מעיים טיפוסיים הגדלים בתרבית, אנטרוידים מפגינים קוטביות עם לומן המחובר על ידי חלבוני צומת הדוקים8. זה מאפשר חשיפה לגבול הבזולטרלי במדיית הגידול, כמו גם מיקרו-הזרקה לומינלית להערכת הגבול האפיקלי. יתר על כן, אנטרואידים מציגים מאפיינים גנטיים, פיזיולוגיים ואימונולוגיים דומים לאלה של האפיתל האנושי 9,10. אנטרוידים שמקורם ברקמת העובר מאפשרים בחינה של תפקיד הפגות על תפקוד האפיתל. המאפיינים הייחודיים של אנטרוידים יכולים להידמות יותר לסביבת המעיים המוקדמת9. ניתן להשתמש באנטרוידים שמקורם ברקמות כדי לבדוק את שלמות הצומת ההדוק כצורה חד-שכבתית או כמבנים תלת-ממדיים המוטבעים בתערובת חלבונים של קרום ממברנת מרתף מוצקה. טכניקת מיקרו-הזרקה נדרשת לצורה האחרונה אם רוצים חשיפה אפית. מדידת תגובות אפיתל במודלים אנטרואידיים כוללת ביטוי גנים על ידי ריצוף RNA, סמנים ביולוגיים על ידי אימונואסאי הקשור לאנזים (ELISA), או טכניקות הדמיה מתקדמות. הטכניקה המוצגת כאן מספקת אפשרות אפשרית נוספת למדידת חדירות ברוטו עם פלואורומטריה.
לפגיעה במעיים אצל פגים יש פתוגנזה רב-גורמית הכוללת את חוסר האיזון של הקהילה המיקרוביאלית של המעיים. אנטרואידים יכולים לספק מודלים מצוינים לחקר היבטים מסוימים של מחלות מעיים מוקדמות כגון דלקת מעיים נמקית הכוללת פונקציות אפיתל11. אנטרוידים מציגים מאפיינים דומים לאלה של המעי העוברי האנושי10. חשיפת אנטרוידים לליפופוליסכריד (LPS), אנדוטוקסין המיוצר על ידי חיידקים גראם שליליים, במדיית התרבית כחשיפה בזולטרלית גורמת לביטוי גנים שיכול להוביל לדלקת מוגברת ולחדירות מעיים7. מחקר זה נועד להעריך את השינויים בחדירות אפיתל ברוטו לאחר חשיפה אפיקלית למוצרים חיידקיים כגון LPS. התוצאות עשויות לספק תובנה לגבי יחסי הגומלין בין מיקרוב לאפיתל המעורבים בפתוגנזה של פגיעה במעיים. השיטה שנועדה לבדוק חדירות ברוטו דורשת הגדרת מיקרו הזרקה ומיומנות.
פרוטוקול זה מפרט הקמת אנטרוידים מרקמת המעי העוברית, כמו גם אפיון מודל עם צביעה אימונופלואורסצנטית ובדיקת חדירות אפיתל. החדירות של האנטרוידים נבדקה באמצעות טכניקת מיקרו-הזרקה ומדידות מסלול זמן סדרתיות של ריכוז dextran-FITC שדלף במדיה התרבית. החידוש של פרוטוקול זה הוא החשיפה האפית הדומה יותר לפיזיולוגיה של המעי האנושי בהשוואה לחשיפה הבזולטרלית בתקשורת התרבות7. במחקרים קודמים, Hill et al. השתמשו בהדמיה סדרתית ובחישוב עוצמת הפלואורסצנטיות לאורך זמן16. ארס ואחרים חשפו את הממברנה הבזולטרלית של מודל אפיתל ל-LPS ולאחר מכן השוו את תבנית ביטוי הגנים התאית7. לשם השוואה, אנו משתמשים בחשיפה אפית של הריאגנטים שנבדקו ולאחר מכן בוחנים שינויים פוטנציאליים בחדירות ברוטו על ידי מדידת ריכוזים סדרתיים של דקסטרן שדלף בתקשורת התרבית. השיטה שלנו מאפשרת גם ניתוח השוואתי סדרתי של ציטוקינים המיוצרים על ידי תאי אפיתל במדיה תרבית וביטוי גנים על ידי איסוף mRNA תאי. LPS משמש בדרך כלל לחקר פגיעות מעיים במודלים של בעלי חיים ובמבחנה בגלל יכולתו לגרום לחדירות ולדלקת 7,17. כאשר LPS נבדק במודל זה, חדירות אפיתל הובחן על ידי ריכוז החשיפה. ניתן להרחיב פרוטוקול זה כדי לחקור פתולוגיות אחרות של מחלות תוך שימוש בחומרים מיקרו-מוזרקים שונים ומדידות תוצאה.
שלבים קריטיים בפרוטוקול זה כוללים הקמת אנטרוידים מרקמות המעי העובריות, אפיון אנטרואיד וטכניקת המיקרו-הזרקה. שלמות המחקר תלויה בדגימת תאים מדויקת. שימוש בציוני דרך אנטומיים ובכלי דם עוזר להבטיח את הבחירה של תאי המעי הדק. בשל הצמיחה וההתמיינות החזקה של תאי גזע מעי עובריים, אין צורך בהליך נרחב לבידוד תאי הגזע מתאי אפיתל אחרים. לאחר שהאנטרוידים הוקמו, חשוב לאשר את המאפיינים של המודל על ידי צביעה עבור חלבונים וסמני התא. בפרוטוקול זה, האנטרואידים הוכתמו עבור אנטרוציטים באמצעות villin ו- CDX2, תאי Paneth באמצעות lysozyme, ותאי גביע באמצעות mucin, כל התאים אשר נמצאים בתוך אפיתל המעי הדק18,19,20. בניגוד לקווים מסורתיים של תאים בודדים המציגים סוג תא אחד, אנטרוידים קובעים את כל סוגי התאים מתאי הגזע של אבות המעיים8. ניתן לשנות את החלק המכתים של פרוטוקול זה עבור הסמנים התאיים הספציפיים המעניינים. חיונית לאמינות של פרוטוקול זה היא טכניקת המיקרו-הזרקה. ניתן לאמת את העקביות של קצות המיקרופיפטה על ידי מדידת הנפח לכל משאבה באמצעות תמיסת dextran-FITC והדמיית קוטר הקצוות מתחת למיקרוסקופ. בשל הסיכון של זיהום, אותו micropipette לא יכול לשמש יותר מחשיפה אחת. בנוסף, הצורה והצמיחה של האנטרואידים יכולים להיות מושפעים מהתוכן של מדיית הצמיחה שלהם. מצאנו שהאנטרואידים הכדוריים ולא בצורת כרובית סיפקו מודלים טובים יותר למיקרו-הזרקות. הצורה הכדורית עשויה להיות מושרית על ידי גורם Wnt גדול יותר בתקשורת21.
פרוטוקול זה תלוי במידה רבה במיומנותו של המבצע במיקרו-הזרקה כדי להפחית וריאציות, במיוחד במדידות תלויות זמן. ניתן למזער את הווריאציות על ידי כך שיש את אותו מבצע מנוסה עם טכניקות עקביות, תוך שימוש באותו מקור תאים כדי למנוע שונות גנטית, בדיקה באותו מעבר כדי להסיר הטיית בגרות, וגידול התאים באותו סוג של מדיה להתמיינות תאים דומה. המרכיבים של מדיית הגדילה עשויים לגרום להתמיינות משתנה של תאי גזע במבחנה ולא בסביבת in vivo . לדוגמה, in vivo, ליזוזים אינם באים לידי ביטוי עד שבועות 22-24 של התפתחות הריון כאשר תאי Paneth נוצרים והופכים פונקציונליים22. עם זאת, הצלחנו לזהות ליזוזים באנטרואידים שלנו שנוצרו ממעיים עובריים של 10 שבועות. שיטה זו יכולה להגביל את מספר החשיפות הנבדקות בו זמנית בשל המיומנות הטכנית הגבוהה הנדרשת למיקרו-הזרקה. דליפת הדקסטרן מחור ניקוב המיקרו-הזרקה יכולה להשפיע על הערכת החדירות. כדי למנוע השפעה זו, שטיפות משולשות מיד לאחר microinjection מומלץ להסיר dextran שיורי מן ההליך. ריכוז הדקסטרן בתקשורת צריך להימדד מדי שעה במשך 4-6 שעות לאחר מיקרו הזרקה. ניסויים עם עלייה משמעותית בריכוז הדקסטרן תוך 2-4 שעות לאחר ההזרקה צריכים להיות מחוץ לניתוח הסופי.
לשיטה זו מספר יתרונות. זה דורש עלות נמוכה יותר ופחות משאבים בהשוואה monolayers נגזר enteroid על transwell. בנוסף, ניתן להרחיב אותו לחשיפות אחרות כגון חיידקים חיים או וירוסים כדי לחקור את האינטראקציה הראשונית בין חיידקי המעיים לאפיתל. לומן סגור של אנטרואיד יכול לשמור על צמיחה יציבה של חיידקים חיים microinjected ללא זיהום של מדיה הצמיחה13. שלא כמו החד-שכבתי שנחשף למדיית גדילה ולחמצן הדגירה, הלומן הסגור הוא חלל צר ומבודד. לומן סגור אינו מאפשר תקשורת למדיית הצמיחה ותכולת חמצן לומינלית נמוכה יותר לאורך זמן עם צמיחת חיידקים חיים13.
השימוש ברקמת מעיים עוברית מתאר בצורה מדויקת יותר את אפיתל המעיים של פגים בהשוואה לתאי גזע של מעיים בוגרים או מודלים של בעלי חיים7. יתר על כן, הקוטביות של אנטרוידים מאפשרת חשיפות אפיקליות ובזולטרליות ומדידות23. האנטרואידים יוצרים לומן סגור עם ריכוז חמצון נמוך יותר, אשר מחקה באופן הדוק יותר את ריכוז החמצון של המעיים24. בניגוד לפרוטוקולים מתקדמים יותר מבחינה טכנולוגית16, השימוש במדידות מדיה ברוטו מאפשר נגישות רבה יותר של טכניקה זו. הניסוי הראה כי דליפת אפיתל יכולה להיגרם על ידי חשיפה אפית ל-LPS והיא תלוית ריכוז. מכיוון ששיטה זו בוחנת את השינויים בריכוז דליפה של דקסטרן, היא שימושית לאיתור שינויים תפקודיים גולמיים בצמתים הדוקים. איסוף RNA שליח וריצוף של האנטרוידים החשופים וניתוח כתמים מערביים יכולים להשלים את ניתוח השינויים התפקודיים הגסים. מודל זה חוקר את שלמות אפיתל המעיים במערכת הדומה מאוד לסביבה המוקדמת, ולכן ניתן להשתמש בו כדי להשיג הבנה טובה יותר של פגיעות מעיים פגות ופתולוגיות אחרות של מחלות.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לד”ר איאן גלאס ולאנשי המעבדה לחקר מומים מולדים באוניברסיטת וושינגטון על שיתוף רקמות העובר. אנו מודים גם לד”ר מייקל דאם ולד”ר ג’ייסון ספנס במעבדה למידול רקמות תרגומיות באוניברסיטת מישיגן על התמיכה והליווי האינסופיים שלהם לאורך כל התהליך.
Amphotericin 250 uL/mL | Gibco | 15-290-026 | |
Anti-CDX-2 [CDX2-88] 0.5mL concentrated Mouse, IgG, monoclonal | Biogenex | MU392A-5UC | |
Anti-Claudin 2 antibody (ab53032) | abcam | ab53032 | |
Anti-Claudin 3 antibody (ab15102) | abcam | ab15102 | |
Anti-LYZ antibody produced in rabbit | Millipore Sigma | HPA066182-100UL | |
Anti-Mucin 2/MUC2 Antibody (F-2): sc-515032 | Santa Cruz | sc-515032 | |
Anti-Villin, Clone VIL1/4107R 0.5mL concentrated Rabbit, IgG, monoclonal | Biogenex | NUA42-5UC | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Millipore Sigma | A8806 | |
Cell culture plates, CytoOne 12-well non-treated plates | USA Scientific Inc | 50-754-1395 | |
Cell culture plates, CytoOne 6-well non-treated plates | USA Scientific Inc | 50-754-1560 | |
Centrifuge with 15 mL tube buckets | Eppendorf | 05-413-110 | |
CHIR 99021 | Tocris Bioscience | 4423 | |
Confocal microscope | Olympus FV1200 | N/A | Or a similar microscope |
Conical centrifuge tubes, 15 ml | Falcon | 05-527-90 | |
Cover glass for microscope slides | Fisher Scientific | 12-544-DP | |
Disposable scalpels | Mopec | 22-444-272 | |
Dmidino-2-phenylindole (DAPI) Solution (1 mg/mL) | Fisher Scientific | 62248 | |
Dulbecco's Phosphate-buffered Saline (DPBS, 1X) | Fisher Scientific | AAJ67802K2 | |
Ethylene glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid tetrasodium salt (EGTA) | Millipore Sigma | E8145-10G | |
Fluorescein isothiocyanate dextran (Dextran-FITC) 4 kDa | Millipore Sigma | 46944 | |
Fuorescence microplate reader | Agilent BioTek | Synergy HTX | |
Gentamicin 50 mg/mL | Gibco | 15-750-060 | |
Glass capillary tubes, single-barrel borosilicate, 1×0.5mm, 6" (cut in half before pulling) | A-M systems | 626500 | |
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 594 | Fisher Scientific | A32742 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 | Fisher Scientific | A32731 | |
Goat Serum | Fisher Scientific | 16210064 | |
ImageJ software | NIH | N/A | https://imagej.nih.gov/ij/download.html |
IntestiCult Organoid Growth Medium (Human) | Stem Cell Technologies | 06010 | |
Lipopolysaccharides from Escherichia coli O111:B4 | Millipore Sigma | L4391-1MG | |
Magnetic stand | World Precision Instruments | M10 | |
Matrigel Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning | 354234 | protein concentration > 9 mg/mL preferably |
Micro forceps | Fisher Scientific | 13-820-078 | |
Micro scissors | Fisher Scientific | 08-953-1B | |
Micromanipulator | World Precision Instruments | M3301 | |
Micropipette puller | World Precision Instruments | SU-P1000 | Or a similar equipment |
Microscope slides | Fisher Scientific | 22-034486 | |
Occludin Polyclonal Antibody | Fisher Scientific | 71-1500 | |
Paraformaldehyde 32% aqueous solution | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | RT 15714 | |
Petri Dishes, 35×10 mm | Fisher Scientific | 150318 | |
Petri Dishes, 60×15 mm | Fisher Scientific | 12-565-94 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Fisher Scientific | 10010031 | |
PicoPump foot switch | World Precision Instruments | 3260 | |
Pipette tips, non-filtered, 1000 uL | Fisher Scientific | 21-402-47 | |
Pipette tips, non-filtered, 20 uL | Fisher Scientific | 21-402-41 | |
Pipette tips, non-filtered, 200 uL | Fisher Scientific | 21-236-54 | |
Pneumatic PicoPump system | World Precision Instruments | SYS-PV820 | or a similar picopump system |
Primocin 50 mg/mL, 10×1 ml vial | InvivoGen | ant-pm-1 | |
Steel base plate | World Precision Instruments | 5052 | |
Stereo microscope | Zeiss stemi 350 | Or a similar microscope | |
ThermoSafe PolarPack Foam Bricks | Sonoco | 03-531-53 | |
Triton X-100 | Millipore Sigma | T8787 | |
Wall air supply | N/A | N/A | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris Bioscience | 1254 | |
ZO-1 Polyclonal Antibody | Fisher Scientific | 61-7300 |