ここでは、ラット腸管オルガノイドを作製し、いくつかのダウンストリームアプリケーションで使用するためのプロトコルを紹介します。ラットはしばしば好ましい前臨床モデルであり、堅牢な腸オルガノイド系は、in vivo研究に付随するin vitroシステムの必要性を満たします。
オルガノイドを使用して生理機能や細胞の運命決定を評価する場合、 in vivo の状況を厳密に再現するモデルを使用することが重要です。したがって、患者由来オルガノイドは、疾患モデリング、創薬、個別化治療スクリーニングに使用されます。マウス腸オルガノイドは、腸の機能/生理機能と幹細胞の動態/運命決定の両方の側面を理解するために一般的に利用されています。しかし、多くの疾患の文脈では、ラットは疾患の病態生理学の点でヒトとの生理学的類似性が高いため、モデルとしてマウスよりも好まれることがよくあります。ラットモデルは、 in vivoで利用可能な遺伝的ツールが不足しているため限界があり、ラット腸オルガノイドは脆弱で長期培養が困難であることが証明されています。ここでは、十二指腸と空腸からラット腸オルガノイドを確実に生成するために、以前に発表されたプロトコルに基づいて構築します。ラット腸管オルガノイドを利用した機能的膨潤アッセイ、ホールマウント染色、2Dエンテロイド単分子膜の作製、レンチウイルス形質導入など、いくつかのダウンストリームアプリケーションの概要を説明します。ラットオルガノイドモデルは、ヒトとの生理学的関連性を保持し、迅速に遺伝子操作が可能で、ヒト腸オルガノイドの調達に伴う障壁なしに容易に入手できる in vitro モデルに対するフィールドのニーズに対する実用的なソリューションを提供します。
ヒトの小腸上皮構造と細胞組成は複雑であり、その生理学的機能を反映しています。小腸の主な役割は、その内腔を通過する食物から栄養素を吸収することです1。この機能を最大限に引き出すために、腸表面は、吸収表面積を増やす絨毛と呼ばれる指のような突起と、幹細胞を収容して絶縁する陰窩と呼ばれるカップ状の陥入に編成されています。上皮内では、異なる機能を果たすために、さまざまな特殊な吸収性細胞および分泌細胞タイプが生成されます1。この複雑さのため、高継代形質転換不死化細胞株の腸などの組織をモデル化することは困難でした。しかし、幹細胞、特に成体幹細胞とその分化メカニズムの研究により、3D腸管オルガノイド培養の開発が可能になりました。オルガノイドモデルの使用は、無傷の腸に見られるいくつかの構造成分と細胞タイプの不均一性を再現していることもあって、この分野を変革しました。腸管オルガノイドは、活性幹細胞集団の維持により、 in vitro で長期培養することができます2。
腸オルガノイドは、幹細胞生物学、細胞生理学、遺伝病、栄養学を研究するための適応可能なモデル3,4、また新しい薬物送達方法を開発するためのツール5として急速に普及しています。さらに、患者由来オルガノイドは、疾患モデリング、創薬、個別化治療スクリーニングなどに利用されています6,7,8,9。しかし、ヒト腸オルガノイドにはまだ課題があります。組織の入手可能性、治験審査委員会の承認要件、および倫理的問題により、ヒトサンプルの広範な使用が制限されています。さらに、腸陰窩から産生されるヒト腸オルガノイドは、未分化幹細胞の維持、または成熟細胞型の分化誘導のために、2つの異なる培養条件を必要とする10。これは、幹細胞と成熟分化細胞タイプが同時に存在し、継続的に生成/維持されるin vivoとは対照的です1。一方、マウス腸オルガノイドは、成長因子のそれほど複雑でないカクテルで増殖するため、培地組成のこの切り替えを必要とせず、幹細胞と分化細胞を同じ培地コンテキストに維持することができます2,11。しかし、ヒトと比較した場合のマウスの腸管の大きな違いにより、マウスオルガノイドは多くの場合、最適ではないモデルになる可能性があります。全体として、ウマ、ブタ、ヒツジ、ウシ、イヌ、ネコなどの大型哺乳類由来の多くの腸管オルガノイドは、ヒト腸オルガノイドの培養条件よりもマウス腸オルガノイドに近い培養条件で正常に生成されています12。マウスオルガノイドとヒトオルガノイドの成長因子条件の違いは、幹細胞のニッチ組成の違いと、幹細胞の生存、増殖、維持に対する要件の違いを反映している可能性があります。そのため、1)ヒト腸細胞組成によく似ており、2)ヒト腸管オルガノイドのような成長因子を必要とする幹細胞を含み、3)未分化および分化コンパートメントを連続的に維持できる、容易に入手できるモデルオルガノイド系が求められています。理想的には、システムは、in vivo実験とin vitro実験を相関させ、連携して使用できるように、一般的に使用される前臨床動物モデルからのものです。
ラットは、腸の生理学と生化学がヒトと非常によく似ているため、腸の生理学や薬理学の研究に一般的に使用される前臨床モデルであり13、特に腸の透過性に関して14。マウスに比べて比較的大きいため、外科的処置に適しています。ブタを含む大型動物モデルが使用されることもあるが、ラットはより手頃な価格のモデルであり、飼育に必要なスペースが少なく、市販の標準系統が容易に入手できる15。ラットモデルを使用することの欠点は、in vivo研究のための遺伝的ツールキットがマウスと比較して十分に開発されておらず、ノックアウト、ノックイン、トランスジェニックなどの新しいラット系統の作製には法外なコストがかかることが多いことです。頑健なラット腸オルガノイドモデルの開発と最適化により、遺伝子操作、薬理学的治療、およびヒトへの重要な生理学的関連性を保持するアクセス可能なモデルでのハイスループット研究が可能になります。しかし、あるげっ歯類オルガノイドモデルと別のオルガノイドモデルの利点は、研究対象の特定のプロセスや遺伝子に大きく依存します。ヒトに見られる特定の遺伝子は、マウスでは偽遺伝子であるが、ラットでは偽遺伝子ではない可能性がある16,17。さらに、種特異的な細胞サブタイプは、シングルセルRNAseq18,19,20によってますます明らかにされています。最後に、ラットとマウスの腸疾患モデルは、表現型にかなりのばらつきを示すことが多いため21,22、ヒトに見られる症状と疾患プロセスをより厳密に再現するモデルをダウンストリーム作業用に選択する必要があります。ラット腸オルガノイドモデルの作製は、研究者が状況に最も適したモデルシステムを選択する際の柔軟性と選択肢を提供します。ここでは、ラット腸オルガノイドの生成のために既存のプロトコル23,24を拡張し、十二指腸または空腸からのラット腸オルガノイドの生成と維持のためのプロトコルを概説する。さらに、レンチウイルス感染、ホールマウント染色、フォルスコリン膨潤アッセイなど、いくつかのダウンストリームアプリケーションについても説明します。
ラット腸オルガノイドモデルの開発は、 in vivo の臓器に見られる重要な機能的特徴を保持し、前臨床試験、薬物スクリーニング、および機能アッセイのための有望なツールです。この in vitro モデルは、 in vivo の前臨床消化器病研究と並行して使用することができ、ラットは腸のサイズが大きく、ヒトと生理学的側面を共有し、場合によってはより優れた疾患モデルであるため、しばしば好ましいモデルである38。ここでは、ラット腸管陰窩の単離、ラット腸管オルガノイドの生成と長期培養、ならびに機能的フォルスコリン膨潤アッセイ、ホールマウント免疫蛍光法、2D単層培養、レンチウイルス遺伝子操作などのダウンストリームアプリケーションのための堅牢なステップバイステップのプロトコルについて概説します。ラット腸管オルガノイドは、マウスモデルの病態生理学が不適切である多くの疾患状況に関連している可能性が高く、マウス腸管オルガノイドと比較してヒト腸生理学のより良いモデルを提供する可能性があります。
継代および増殖可能な長寿命オルガノイド培養を確立するには、腸管上皮増殖の維持に必要な主要な成長因子を特定することが不可欠です。マウスオルガノイドは、ほとんどの場合、EGF、R-spondin、およびNogginの単純なカクテルで増殖するが、Nogginは腸管オルガノイド培養に必要ではないことが報告されている39。馴化培地は組換え成長因子を置き換えることができ、最も一般的に使用される細胞株は、Wnt3a、Rspondin-3、およびNoggin39、L-Wnt3a、およびHA-Rspondin1-Fc293T細胞を分泌するL-WRNである40。L-WRN馴化培地は、マウスの腸管オル ガノイドの増殖だけでなく、イヌ、ネコ、ニワトリ、ウマ、ウシ、ヒツジ、ブタなど、いくつかの家畜やコンパニオンアニマルの腸オルガノイドの増殖もサポートするのに十分である12。しかし、ヒト腸オルガノイドは、増殖増殖期(すなわち、小さなスフェロイドから大きなスフェロイドへの進行)と分化期(すなわち、分化した細胞型の生成と成熟)に異なる培地製剤を必要とするため、成長因子の要件が大きく異なります10。ラット腸管オルガノイドの培地要件は、ヒト腸管オルガノイドの増殖増殖培地の培地要件とよく似ていますが、特にラットオルガノイドは、この培地環境での増殖と分化の両方が可能であり、培養要件が大幅に簡素化されています。当初の試みは、L-WRNで培養した培地でラット腸管オルガノイドの確立と増殖に焦点を当てていましたが、長期培養は希薄であり、ラット腸管オルガノイド株は頑健性の欠如に悩まされていました(データは示していません)。これは、L-WRN細胞株がR-spondin 3を分泌するように操作されているのに対し、ここで推奨されている293T-Rspo1細胞株はR-spondin 1を分泌するように操作されているためと考えられます。ラットおよびヒトオルガノイドはR-spondin 1を好む可能性があり、L-WRN馴化培地におけるラットオルガノイド株の障害の原因となる可能性があります。
in vivo環境を最もよく再現するには、幹細胞の生存、維持、増殖を可能にし、細胞のターンオーバーと個別の細胞型への同時分化イベントを維持できるオルガノイド培養条件を開発することが重要です。したがって、組換えタンパク質および/または馴化培地中のタンパク質の濃度は、この完璧なバランスをとるために厳密に滴定および制御する必要があります。特に、腸管オルガノイド培養物の損失を避けるためには、最適なWntレベルが不可欠です。馴化培地中のWntが少なすぎると、成長をサポートできず、幹細胞の喪失とその後のオルガノイド死につながります。Wntの過剰活性化は、オルガノイドを嚢胞性で未分化にします10。ここでは詳しく説明しませんが、L-Wnt3aおよび293T-Rspo1馴化培地の各バッチを、トップフラッシュ細胞株41などのWntレポータールシフェラーゼアッセイを用いて試験することを強く推奨します。以前の研究では、L-Wnt3a培地の最適なバッチは、1%のL-Wnt3aと比較して、12.5%で15倍のシグナル増加、50%で300倍のシグナル増加をもたらすはずであると説明されています10。ラットオルガノイドはマウスオルガノイドよりも培養要件、特にWnt活性化レベルに対して感受性が高いため、これらの追加の品質管理ステップは、ラットオルガノイド培養の頑健性と信頼性を促進するのに大いに役立ちます。同様のレポーターラインは、ノギン馴化培地中のBmp活性および相対ノギン濃度の試験には利用できないため、ノギンレベルを正確に制御するために、可能であれば組換えノギンを使用することが望ましい。マウス腸オルガノイドはNoggin39の非存在下で増殖および維持できますが、これはラット腸オルガノイド培養では試みられていません。
細胞培養の要件を超えて、ラットオルガノイド株の初期確立の成功は、陰窩単離中の分化絨毛の効率的な枯渇に大きく依存します。高レベルのヴィラール汚染は陰窩死を引き起こしますが、これはおそらく死にゆく細胞からの信号または必須因子の隔離によるものです。これらの分化した絨毛を上皮製剤から正確かつ一貫して枯渇させるためには、実体鏡の助けを借りて上皮分離を行うことが推奨される。放出される上皮を目視で確認することで、PBSを廃棄して交換するタイミングを明確に判断できます(図1)。絨毛が十分に枯渇するまで、陰窩は収集しないでください。Villar細胞は終末分化しており、培養中にオルガノイドを生成することはできません。さらに、ラット腸管オルガノイドのその後の継代や、下流用途への使用には、繊細な注意が必要です。解離試薬中で長時間(10分)インキュベーションすると、有意な細胞死とオルガノイド株の喪失が生じます。
ここでは、ラットオルガノイドから腸管単分子膜を生成するための簡便で迅速なプロトコルについて説明します。EMEとコラーゲンI基質は上皮に異なる効果があり、研究の目的に応じて活用できます。EMEは、単一細胞の迅速かつ効率的な接着と細胞突起の形成を可能にします。対照的に、表面をコラーゲンIでコーティングすると、これらのプロセスが遅れます。単分子膜が約80%のコンフルエントに達すると、EMEで増殖した細胞は再び3Dオルガノイド構造を生成し始めます。しかし、継続的な成長のための十分な物理的および化学的サポートが不足しています。このオルガノイド状態への逆戻りは、EMEの単分子層を50%〜80%のコンフルエントに維持することで防ぐことができます。単分子膜の頂端表面に希釈EMEを添加すると、de novoオルガノイドの迅速な回収と形成が促進され、収束領域がより迅速かつ容易に生成されます。コラーゲンI表面では、細胞は均一な単層を形成し、小さなクラスターを生成することができます。しかし、単層の上にコラーゲンIを付加するだけでは、オルガノイド形成を誘導するには不十分です。EMEは、単分子膜表面に添加する際には、新生オルガノイドが克服するためのより強い機械的抵抗があるため、希釈する必要があります。しかし、この希釈されたEMEでは、大きなオルガノイドの堅牢な形成はできません。de novoで生成されたラットオルガノイドが表面から自然に剥離した場合は、直ちに除去し、原液EMEに移して、構造的支持と増殖を回復させる必要があります。このステップではオルガノイドのサイズが小さいため、オルガノイドの継代は、堅牢な増殖が確立されるまで推奨されません。EMEがオルガノイドの改形成をサポートできる理由の根本的な生物学的意義は、コラーゲンIがこれを行うことができるかどうかは明らかではありません。しかし、3Dコラーゲンで増殖した細胞は、出芽オルガノイドを形成することができず、長期的な維持をサポートできないことが報告されています42,43。市販のEME製品は、細胞外タンパク質、主にラミニンとコラーゲンIVの不均一な混合物です44。したがって、タンパク質の異なる組成と、異なる細胞複合体を使用して細胞外マトリックスに関与する上皮細胞の能力は、EMEのリモデリングを可能にしますが、コラーゲンIのリモデリングは可能にしません。コラーゲンI由来の単分子膜をEMEに入れてオルガノイドの形成と成長をサポートできるかどうかはテストされていません。
ここでは、ラット腸管オルガノイドモデルの遺伝子操作について説明し、3Dオルガノイドのレンチウイルス形質導入および2D単層の一過性トランスフェクションのプロトコルを概説します。レンチウイルスオルガノイド形質導入の効率の低さを克服するために、2D単分子膜の一過性トランスフェクション用のプロトコルが開発されました。単層の平坦な形態と露出した頂端ドメインは、ウイルスやDNA含有複合体へのアクセスを容易にします。pLJM1-EGFPベクターを用いたEGFPレポーターの発現を、この手法のバリデーションに用いた。GFPレポーターの発現は24時間後に観察され、単層で5〜6日間維持されました。単分子膜のレンチウイルス形質導入に焦点を当てた今後の研究は、3Dオルガノイド形質導入よりも高い効率を持つ可能性があります。上記のプロトコルを用いることで、感染した2D単分子膜から3Dオルガノイドを改質し、安定した系統の作製を容易にすることができます。注意を払えば、ラット腸管オルガノイド株は1年以上にわたって正常に維持され、多くの継代にわたって安定を維持し、凍結保存され、融解に成功し、レンチウイルス形質導入を使用して遺伝子改変されるため、ヒトとの生理学的関連性を保持し、アクセス可能で扱いやすい in vitro 腸オルガノイドモデルの必要性に対処できます。
The authors have nothing to disclose.
スミグレイ研究室とアミーン研究室の皆さんの思慮深い議論に感謝します。この研究は、チャールズ・H・フッド財団のチャイルドヘルス助成金と嚢胞性線維症財団の助成金(004741P222)からカンザス州に、国立衛生研究所の国立糖尿病・消化器・腎臓病研究所からNAに助成金番号2R01DK077065-12で支援されました。
3-D Culture Matrix Rat Collagen I | Cultrex/R&D Systems | 3447-020-01 | |
70 µm cell strainer | Corning/Falcon | 352350 | |
Advanced DMEM/F12 | Gibco/Thermo Fisher | 12634010 | |
Amphotericin B | Sigma Aldrich | A2942-20ML | |
B-27 Supplement (50X), serum free | Thermo Fisher | 17504044 | |
CHIR99021 | Cayman Chemical | 13122 | |
CryoStor | Stem Cell Technologies | 100-1061 | |
Cultrex HA-Rspondin1-Fc 293T cells | R & D Systems | 3710-001-01 | |
DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Molecular Probes/Thermo Fisher | D1306 | |
FBS | Gibco/Thermo Fisher | 16-000-044 | |
Gastrin I (human) | Sigma Aldrich | G9145 | |
Gentle Cell Dissociation Reagent | Stem Cell Technologies | 100-0485 | |
Glutamax | Thermo Fisher | 35-050-061 | |
Growth factor-reduced Matrigel, phenol red-free | Corning | 356231 | |
HEPES | AmericanBio | AB06021 | |
Lanolin | Beantown Chemical | 144255-250G | |
L-glutamine | Gibco/Thermo Fisher | A2916801 | |
L-Wnt3a cells | ATCC | CRL-2647 | |
N-2 Supplement (100X) | Thermo Fisher | 17502-048 | |
N-acetylcysteine | Sigma Aldrich | A9165-5G | |
Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Gibco/Thermo Fisher | 31985070 | |
Paraffin | Fisher Scientific | P31-500 | |
Parafilm | Sigma Aldrich | P7793 | transparent film |
PBS | Thermo Fisher | 10010023 | |
Penicillin/Streptomycin | Gibco/Thermo Fisher | 15140122 | |
pLJM1-EGFP | Addgene | 19319 | |
Polybrene | Millipore | TR-1003-G | |
Polyethylenimine hydrochloride (PEI) | Sigma Aldrich | 764965 | |
p-phenylenediamine | Acros Organics/Thermo Fisher | 417481000 | |
Puromycin | VWR | J593-25mg | |
Recombinant human FGF2 protein | Peprotech | 100-18B-250ug | |
Recombinant human IGF-1 protein | Biolegend | B356441 | |
Recombinant human Noggin protein | R & D Systems | 6057-NG-100 | |
Recombinant mouse EGF protein | Thermo Fisher | PMG8041 | |
Sprague Dawley rat | Charles River Laboratories | Strain 001 | |
Triton X-100 | American Bioanalytical | AB02025-00500 | |
TrypLE Express Enzyme | Gibco/Thermo Fisher | 12604013 | |
Y27632 dihydrochloride | Sigma Aldrich | Y0503 |