תרביות משותפות אורגנואידים-פיברובלסטים מספקות מודל לחקר נישת תאי הגזע in vivo . כאן מתואר פרוטוקול לתרביות משותפות אורגנואידים-פיברובלסטים בוושט. בנוסף, הדמיה של הר שלם משמשת כדי להמחיש את האינטראקציה פיברובלסט-אורגנואידים.
גזע אפיתל ותאי אב תורמים להיווצרות ותחזוקה של מחסום האפיתל לאורך כל החיים. רוב אוכלוסיות תאי הגזע ותאי האב חבויות במקומות נפרדים אנטומית, מה שמאפשר אינטראקציות בלעדיות עם אותות נישה השומרים על גזעיות. בעוד הפיתוח של תרביות אורגנואידים אפיתל מספק כלי רב עוצמה להבנת התפקיד של תאי גזע ותאי אב בהומאוסטזיס ובמחלות, האינטראקציה בתוך סביבת הנישה נעדרת במידה רבה, ובכך מעכבת את זיהוי הגורמים המשפיעים על התנהגות תאי גזע. פיברובלסטים ממלאים תפקיד מפתח בהכוונת גזע האפיתל וגורל האב. כאן, מוצג פרוטוקול מקיף של תרבית משותפת אורגנואידים-פיברובלסטים המאפשר תיחום של תת-אוכלוסיות פיברובלסטים בהתחדשות והתמיינות תאי אב של הוושט. בפרוטוקול זה מתוארת שיטה לבידוד תאי אפיתל ופיברובלסטים במקביל מהוושט. מתוארות אסטרטגיות מיון תאים פלואורסצנטיות שונות לבידוד תאי האב של הוושט וכן תת-אוכלוסיות פיברובלסטים מעכברים טרנסגניים או עכברי בר. פרוטוקול זה מספק גישה רב-תכליתית שניתן להתאים לבידוד של תת-אוכלוסיות פיברובלסטים ספציפיות. הקמה והעברה של מונו-תרביות אורגנואידים אפיתליאליים של הוושט נכללת בפרוטוקול זה, ומאפשרת השוואה ישירה עם מערכת התרבות המשותפת. בנוסף, מתוארת גישת ניקוי תלת ממדית המאפשרת ניתוח תמונה מפורט של אינטראקציות אפיתל-פיברובלסט. באופן קולקטיבי, פרוטוקול זה מתאר שיטה השוואתית ובעלת תפוקה גבוהה יחסית לזיהוי והבנה של רכיבי נישה של תאי גזע בוושט במבחנה.
אורגנואידים משמשים כמבחני מבחנה תלת-ממדיים לאפיון תאי גזע ותאי אב, כמו גם להבנת רמזי האיתות הנגזרים מהרכיבים התאיים של נישת תאי הגזע 1,2,3,4. אורגנואידים של הוושט בעכברים תוארו לראשונה בשנת 2014 ומספר מאמרים זיהו גורמי גדילה, כמו R-Spondin (RSPO), NOGGIN וגורם גדילה אפידרמלי (EGF), הדרושים כדי לשמור ולעבור אורגנואידים של הוושט 5,6,7, בטענה כי רמזי איתות דומים נדרשים עבור in vivo חידוש תאי אב. עם זאת, גורמי גדילה מתווספים בדרך כלל בריכוזים לא פיזיולוגיים, וכתוצאה מכך תנאי גדילה אורגנואידים שאינם משקפים בהכרח את סביבת האיתות in vivo.
פיברובלסטים הם אוכלוסיות תאי סטרומה הטרוגניות התומכות בתכונות תאי אב בנישות רבות של תאי גזע8. שילוב תאי אב אפיתל ופיברובלסטים באותה תרבית אורגנואידים מאפשר יצירת אורגנואידים בריכוזים מופחתים של גורמי גדילה בעלי תוספת אקסוגנית. מתוארות מערכות תרבית אורגנואידים מאפיתל המעי והכבד, אך פרוטוקול לקביעת תרביות משותפות אורגנואידים-פיברובלסטים בוושט עדיין יוצא מן הכלל 9,10,11.
בפרוטוקול זה, מתוארות שתי אסטרטגיות מיון תאים המופעלות על ידי פלואורסצנטיות (FACS) עבור פיברובלסטים מהוושט, באמצעות עכברי PdgfrαH2BeGFP טרנסגניים12 או עכברי בר עם צביעת נוגדנים קלאסית. ניתן לבודד תת-אוכלוסיות שונות של פיברובלסטים באמצעות סמני פני התא לפי בחירתם, ובכך לספק גמישות לפרוטוקול. בנוסף, נעשה שימוש בטכניקת הדמיה פלואורסצנטית תלת-ממדית המשמרת מורפולוגיה של אורגנואידים כדי לאפיין אינטראקציות פיברובלסט-אורגנואידים. ניקוי אורגנואידים מספק שיטה מהירה להגדלת עומק חדירת האור באורגנואידים, משפר את ההדמיה של קשרי אורגנואידים-פיברובלסטים ומאפשר שחזור של מבנה האורגנואיד בשלמותו. פרוטוקול זה משלב תרבית משותפת של אורגנואידים בוושט עם אסטרטגיית הדמיה שלמה, המאפשרת אפיון פונקציונלי של האינטראקציה פיברובלסט-אורגנואידים.
הפרוטוקול המוצג כאן קובע מודל במבחנה לחקר אינטראקציות אפיתל-פיברובלסטים פונקציונליים בוושט.
שכבת האפיתל מופרדת מהסטרומה, מה שמאפשר פרוטוקול דיסוציאציה אופטימלי הן לתא האפיתל והן לתא הסטרומה. למרות אופטימיזציה של פרוטוקול דיסוציאציה אפיתל, גושי רקמות עדיין ניכרים. עלייה וירידה נמרצת כל 15 דקות מקטינה את מספר וגודל הגושים באופן משמעותי. פרוטוקולים אחרים משתמשים בטריפסין כדי לנתק עוד יותר את שכבת האפיתל 5,6. כאן, השימוש בטריפסין, או הגדלת זמן הדיסוציאציה עוד יותר, אינו מומלץ, שכן זה נוטה לגרום לירידה בכדאיות תאי האפיתל וביעילות יצירת אורגנואידים. בניגוד לאפיתל, הסטרומה מנותקת בקלות, ו-30 דקות בתמיסת דיסוציאציה גורמות לתרחיף חד-תאי עם ~90% כדאיות פיברובלסטים (איור 1E). אי הכללת שלב ההפרדה האפיתל-סטומלי בפרוטוקול מאריכה את זמן הדיסוציאציה באופן משמעותי, וכתוצאה מכך הכדאיות הפיברובלסטים יורדת והתשואה הנמוכה יותר של תאי אפיתל. בנוסף, הפרדת האפיתל מהסטרומה מספקת הזדמנות לקבוע את מספרי התאים של כל אוכלוסייה ולערבב תאי אפיתל ופיברובלסטים מקווי עכברים שונים בעת הגדרת התרביות המשותפות.
חקר תפקוד הפיברובלסטים על גדילת אורגנואידים היא שיטה נפוצה בביולוגיה של תאי גזע 9,10,11,15,16. מדיה מבוססת של תרבות משותפת היא DMEM בתוספת 10% סרום עגל עוברי (FCS) 9,15 או גורם גדילה מופחתבינוני 10,16. בפרוטוקול זה, המדיום המופחת של גורם הגדילה משמש לחיקוי התנאים בנישת תאי הגזע in vivo, שבה הפיברובלסטים שקטים במידה רבה. FCS הוא סרום עשיר בגורם גדילה המביא להפעלה והתפשטות של פיברובלסטים בתרביות המשותפות, ככל הנראה מתאים למצב תאי פיברובלסט שונה ממצב in vivo. על ידי הרחקת FCS והפחתת גורמי גדילה, כך שהמדיום לבדו (ERנמוך) אינו תומך בצמיחת אורגנואידים ואינו מעודד התפשטות פיברובלסטים, ניתן לבודד את השפעת הפיברובלסטים על צמיחת האורגנואידים. במדיום זה, NOGGIN מוסר ו- RSPO מופחת למינימום (10% RPSO). גם NOGGIN וגם RSPO הוכחו כחיוניים לצמיחת אורגנואידים בוושט6. EGF נשמר במדיום התרבות המשותפת, מכיוון שהוא אינו תומך בגידול אורגנואידים בפני עצמו. עם זאת, פיברובלסטים מסוגלים גם לתמוך בצמיחת אורגנואידים בתווך מופחת EGF (E low Rlow; איור 2B,D).
תרביות אורגנואידים אינן יכולות להתקיים באמצעות מעבר מכיוון שפיברובלסטים אובדים במהלך טריפסיניזציה. עם זאת, העברת אורגנואידים נכללה בפרוטוקול מכיוון שניתן לתחזק, להרחיב ולהשתמש באורגנואידים של הוושט לניסויים נוספים כמונו-תרבויות. ניתן להשתמש באורגנואידים שעברו ממונו-תרבויות כדי להקים תרביות משותפות עם פיברובלסטים שזה עתה בודדו. החיסרון בשימוש בתאים ראשוניים הוא מספר העכברים הדרושים להקמת תרביות אורגנואידים מרובות. כאשר מתמקדים בתת-אוכלוסיות קטנות של פיברובלסטים, מספר התרביות המתקבלות מוגבל. בפרוטוקולים אחרים, פיברובלסטים מורחבים תחילה בתרבית לפני השימוש בהם להקמת תרביות אורגנואידים10. עם זאת, פיברובלסטים משנים מורפולוגיה וזהות במהלך המעבר, כפי שניתן לראות באמצעות פיברובלסטים ראשוניים של העור והלב17,18. מעבר דו-ממדי קונבנציונלי של פיברובלסטים בוושט גורם הן לשינויים במורפולוגיה והן בפנוטיפ, מה שמוכיח כי העשרת פיברובלסטים במבחנה אינה מתאימה לתרביות משותפות שמטרתן פנוסקופיה של נישת תאי הגזע האנדוגניים.
צביעת הרכבה שלמה מספקת כלי לתחזוקה ולהדמיה של אינטראקציה פיברובלסט-אורגנואידים. יש לציין שבעוד שלא לכל האורגנואידים יהיו פיברובלסטים המחוברים אליהם ישירות, רוב האורגנואידים באים במגע עם פיברובלסטים (ראו איור 2C). כדי לשמור על אינטראקציות אפיתל-פיברובלסט, חשוב לטפל באורגנואידים בזהירות ולהימנע מפיפטינג נמרץ, מערבולות וספינינג במהירות גבוהה. קיבוע אופטימלי חשוב כדי לשמור על ארכיטקטורת רקמות 3D, כמו גם לשמור על פלואורסצנטיות אנדוגנית. קיבוע של 30 דקות מספיק כדי לשמור על אות H2BeGFP והוא אופטימלי עבור הנוגדנים המשמשים בפרוטוקול זה, אולם זה עשוי להשתנות בין פלואורופורים ונוגדנים בשימוש. ניקוי האורגנואידים מפחית את פיזור האור ומשפר את ההדמיה של כל המבנה התלת-ממדי באופן משמעותי. מכיוון שהאורגנואידים קטנים, הניקוי קל ומהיר; עם זאת, הדמיה של אורגנואידים שלמים באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי סורק לייזר יכולה לגזול זמן, מכיוון שיש צורך ליצור ערימות Z מרובות. ניתן להשתמש במיקרוסקופ קונפוקלי, כמו הדיסק המסתובב, כדי לקצר את זמן ההדמיה.
באופן כללי, אורגנואידים של הוושט הגדלים בנוכחות פיברובלסטים מספקים כלי רב ערך להבנת היבטים של נישת תאי הגזע של הוושט. בנוסף, ניקוי הר שלם מספק שיטה נגישה כדי לדמיין את האינטראקציה בין פיברובלסטים ואורגנואידים.
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה נתמך על ידי ERC StG TroyCAN (851241). א”א הוא עמית פוסט-דוקטורט ב-Cancerfonden. מ.ג. הוא עמית Ragnar Söderberg וחוקר זוטר בתחום הסרטן. אנו אסירי תודה על הסיוע הטכני ממתקני הליבה של מכון קרולינסקה, כולל מתקן הליבה של Biomedicum Flow Cytometry, ליבת ההדמיה הביומדית (BIC) ומתקן בעלי החיים Comparative Medicine Biomedicum (KMB). אנו מודים לחברי מעבדת גננדר על שקראו בעיון את הפרוטוקול והעירו עליו.
B-27 Supplement (50X), serum free | Thermo Fisher (Gibco) | 17504001 | |
Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix | fisher scientific | 356231 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 276855-100ML | |
DMEM/F-12 | Thermo Fisher (Gibco) | 11320074 | |
DPBS | Thermo Fisher (Gibco) | 14190250 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | F7524 | |
GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher (Gibco) | 35050061 | |
HBSS, no calcium, no magnesium, no phenol red | Thermo Fisher (Gibco) | 14175-129 | |
Normal Donkey Serum | Jackson Immuno | 017-000-121 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher (Gibco) | 15140122 | |
Triton X-100 solution | Merck | 93443-100ML | |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | Thermo Fisher (Gibco) | 25200-056 | |
Chemicals, Peptides, and recombinant proteins | |||
DAPI Solution | Thermo Fisher | 62248 | |
Dissociation solution: 0.25 mg/ml Liberase TM, 0.25 mg/ml Dnase in HBSS | |||
Dnase I | Sigma-Aldrich | 11284932001 | |
Formaldehyde, 37%, with 10-15% methanol | Sigma-Aldrich | 252549-1L | |
Liberase | Sigma-Aldrich | 5401127001 | |
N-Acetyl-cysteine | Sigma-Aldrich | A9165-25G | |
Noggin murine | Peprotech | 250-38 | |
RapiClear 1.47 | SunJin Lab | #RC147001 | |
Recombinant Mouse EGF Protein, CF | R&D systems | 2028-EG-200 | |
R-spondin-1 murine | Peprotech | 315-32 | |
SYTOX Blue Dead Cell Stain | Thermo Fisher | S34857 | |
Thermolysin | Sigma-Aldrich | T7902-25MG | |
Y-27632 dihydrochloride | Sigma-Aldrich | Y0503-5MG | |
Plastic & Glassware | |||
Corning Sterile Cell Strainers 40um | VWR | 15360801 | |
Corning Sterile Cell Strainers 70um | VWR | 431751 | |
Menzel Deckgläser/ cover slips | Thermo Fisher | Q10143263NR15 | |
SafeSeal reaction tube, 1.5 mL, PP | Sarstedt | 72.706 | |
Snap Cap Low Retention Microcentrifuge Tubes 0.6 mL | Thermo Fisher | 3446 | |
SuperFrost Slides | VWR | 631-9483 | |
Tools | |||
0.05 mm 4 circular well iSpacer | SunJin Lab | #IS204 | |
Dumont #5 forceps, biology tip | F.S.T | 11252-20 | |
ImmEdge Pen | VectorLaboratories | H-4000 | |
Spring Scissors Angled to Side Ball Tip 8mm Cutting Edge | F.S.T | 15033-09 | |
Instruments | |||
Confocal microscope Stellaris 5 | Leica | ||
Dissection microscope ZEISS Stemi 305 | Zeiss | ||
FACS ARIA III | BD Biosciences | ||
Conjugated Antibodies for FACS | |||
Alexa Fluor 647 anti-mouse CD104 Antibody Clone: 346-11A |
123608 | 123608 | |
APC anti-mouse CD26 (DPP-4) Antibody | H194-112 | H194-112 | |
PE/Cy7 anti-mouse/human CD324 (E-Cadherin) Antibody | 147310 | 147310 | |
Antibodies for Immunofluorescence | |||
CD104 (ß-integrin 4) Clone: 346-11A |
BioLegend | 553745 | |
Cytokeratin 14 | Acris Antibodies (AbD Serotec) | BP5009 | |
Cytokeratin13 Clone: EPR3671 |
abcam | ab92551 | |
E-cadherin (CD324) Clone: 2.40E+11 |
Cell Signaling Technology | 3195 | |
Keratin 5 Polyclonal Chicken Antibody, Purified Clone: Poly9059 |
BioLegend | 905901 | |
p63 Clone: 4a4 |
abcam | ab735 | |
Recombinant Anti-KLF4 antibod Clone: EPR20753-25 |
abcam | ab214666 | |
Vimentin | Sigma-Aldrich | AB5733 | |
Secondary antibodies | |||
Donkey anti-species* antibodies with fluorophore of choice | Jackson Immuno |