פרוטוקול זה מתאר כיצד להדביק organoids מעיים אנושיים מהצד apical או basolateral שלהם כדי לאפיין אינטראקציות מארח / פתוגן ברמת תא יחיד באמצעות טכנולוגיית רצף RNA של תא יחיד (scRNAseq).
אורגנוידים במעיים אנושיים מהווים את המודל התאי הטוב ביותר לחקר זיהומים פתוגן של מערכת העיכול. אורגנוידים אלה יכולים להיגזר מכל חלקי מערכת העיכול (קיבה, ג’ונום, תריסריון, איליאום, המעי הגס, פי הטבעת) ועל פי הבחנה, מכילים את רוב סוגי התאים שנמצאים באופן טבעי בכל סעיף בודד. לדוגמה, אורגנוידים במעיים מכילים אנרוטיטים סופגי חומרים מזינים, תאי הפרשה (גביע, פאנית ואנטרונדוקריני), תאי גזע, כמו גם כל ביניים בידול ספציפיים לשושלת היוחז (למשל, סוגי תאים מוקדמים או לא בוגרים). היתרון הגדול ביותר בשימוש organoids נגזר מערכת העיכול כדי לחקור מחלות זיהומיות היא האפשרות לזהות במדויק איזה סוג התא ממוקד על ידי פתוגן המעית ולטפל אם החלקים השונים של מערכת העיכול וסוגי התאים הספציפיים שלהם מגיבים באופן דומה לאתגרי פתוגן. במהלך השנים האחרונות, מודלים במערכת העיכול, כמו גם organoids מרקמות אחרות, שימשו לחקר טרופיזם ויראלי ואת המנגנונים של פתוגנזה. עם זאת, ניצול כל היתרונות של שימוש organoids בעת שימוש וירוסים פתוגניים מאוד מייצג אתגר טכני ודורש שיקולים בטיחות ביולוגית קפדנית. בנוסף, כמו organoids גדלים לעתים קרובות בשלושה ממדים, הצד basolateral של התאים פונה החלק החיצוני של organoid בעוד הצד האפילי שלהם פונה פנימה (לומן) של organoids. ארגון זה מהווה אתגר עבור פתוגנים אנטריים כמו זיהומים אנטריים רבים ליזום מהצד apical / זוהר של התאים בעקבות בליעה. כתב היד הבא יספק פרוטוקול מקיף להכנת organoids מעיים אנושיים לזיהום עם פתוגנים אנטריים על ידי התחשבות בצד הזיהום (apical לעומת basolateral) לבצע רצף RNA חד-תאי כדי לאפיין אינטראקציות מארח /פתוגן ספציפיים לתא. שיטה זו מפרטת את הכנת האורגנוידים, כמו גם את השיקולים הדרושים לביצוע עבודה זו בתנאי בלימה ברמה ביולוגית 3 (BSL-3).
חקר הטרופיזם הספציפי לסוג התא ותגובה חיסונית ספציפית לסוג התא לווירוסים המעיתים האנושיים היה מאתגר מבחינה היסטורית בשל היעדר מודלים תאיים אנושיים ראשוניים. מגבלה זו הושמדה כעת חלקית עם התפתחות האורגנוידים1. במקרה של מערכת העיכול, מודלים organoid קיבה ומעיים פותחו עבור בני אדם וכמה מינים אחרים (למשל., מורין, שור, חתול, עטלף)2,3,4,5,6. אורגנוידים במעיים משחזרים את הארכיטקטורה המבנית של אפיתל המעי האנושי ומכילים מבנים דמויי קריפטה וווילי, שושלות מעיים פונקציונליות ואף שימשו לזיהוי שושלות תאים שלא היו ידועות קודם לכן. שתי גישות שונות ניתן להשתמש כדי לגדל organoids מעיים. ראשית, תאי גזע מעיים המכילים קריפטות מבודדים כריתות רקמות או ביופסיות וגדלים בתנאי תרבית ספציפיים (למשל, Wnt3A, R-spondin, Noggin ו- EGF) כדי להתרחב, ולאחר מכן להבדיל את תאי הגזע לרוב שושלות תאי המעי (למשל. שיטה זו מאפשרת בידוד של organoids מכל חלקי מערכת העיכול(למשל,הבטן, התריסריון, jejunum, איליאום, ומעי הגס). השיטה השנייה מסתמכת על תאי גזע פלוריפוטנטים או עובריים הנגרמים על ידי האדם, אשר מובחנים לאחר מכן בתהליך צעד לתוך תאי אפיתל מעיים8. אורגנוידים אלה מבוססי תאי גזע מושרים מתוארים לעתים קרובות כעובריים יותר בטבע בהשוואה לאורגנואידים שמקורם במטופל. בעוד כל המודלים האורגנוידים האלה היו קריטיים לפריקת רמזים התפתחותיים הדרושים כדי ליצור את מערכת העיכול, השימוש שלהם במחקר מחלות זיהומיות עדיין בחיתוליו.
וירוס אנטרי הוא מונח רחב המכסה את כל הווירוסים, אשר להדביק דרך מערכת העיכול, כגוןpicornaviruses (למשל, EV-71), reoviruses (למשל, rotavirus), ו caliciviruses (למשל, norovirus)9. וירוסים אנטריים יוזמים את מחזור החיים הזיהומי שלהם באמצעות בליעה של מזון ומים מזוהמים, מה שמשאיר אנשים במדינות מתפתחות בסיכון גבוה עקב פריקה של פסולת לא מטופלת לסביבה וחוסר טיפול רפואי לאחר תחילת זיהום10. בהתאם לסוג של פתוגן, הזיהום יכול להוביל דלקת גסטרואנטריטיס, הקאות, ו/או שלשול מימי עקב דליפה של רירית המעי. noroviruses אנושי הם פתוגן אנטרי נפוץ מאוד זיהומיות מאוד, שמובילים מעל 600 מיליון זיהומים ו 15 מיליון אשפוזים ברחבי העולם11. Organoids היו המפתח למחקר norovirus כפי שהם תומכים זיהום ושכפול של norovirus אנושי, אשר בעבר לא היה מסוגל להיות תרבותי במודלים סטנדרטיים של תרבות התא12.
בשני העשורים האחרונים, נגיפי קורונה התגלו כפתוגנים אנושיים מרכזיים13. משפחה זו כוללת את MERS פתוגניים מאוד, SARS-CoV-1, ו SARS-CoV-2, אשר דורשים בלימות רמת בטיחות קפדנית בעת ביצוע מחקר על וירוסים אלה. מעניין, בעוד כל שלושת הפתוגנים האלה מוכרים בעיקר בשל הסימפטומים הנשימתיים המושרים שלהם ומצוקה, כעת ברור כי וירוסים אלה אינם מדביקים רק את דרכי הנשימה אלא גם איברים אחרים. פתולוגיה חשובה המושרה בחולים נגועים SARS-CoV-2 מלבד המצוקה הנשימתית היא נוכחות של תסמינים במערכת העיכול14. חלק קטן מהחולים הנגועים SARS-CoV-2 מציג תסמינים כאלה, החל משלשול קל מאוד עד חמור. בנוסף, גנומים SARS-CoV-2 ניתן לזהות ביופסיות צואה ומערכת העיכול של חולים נגועים15. חשוב לציין את נוכחותם של תסמינים במערכת העיכול אינו מוגבל SARS-CoV-2 כפי שהם נצפו גם בחולים נגועים MERS ו SARS-CoV-1. כדי להבין כיצד SARS-CoV-2 גורם למצוקה במערכת העיכול ולזהות במדויק את הטרופיזם של SARS-CoV-2 במערכת העיכול, אורגנוידים במעיים אנושיים היו כלי מרכזי וכעת מנוצלים כדי לפענח תגובות ספציפיות לסוג התא לפתוגן זה16,17.
פרופיל תמלול של אוכלוסיית תאים (ריצוף RNA בתפזורת) היה נוהג מקובל בעת הערכת זיהומים פתוגן של שני קווי תאים מונצחים, כמו גם עם organoids. בעוד זה מאפשר לנו לקבוע שינויים גלובליים בתגובה פתוגנים (למשל, upregulation של ציטוקינים), בתפזורת RNAseq אינו מאפשר לנו לקבוע מדוע תאים ספציפיים באוכלוסייה נוטים יותר לזיהום מאחרים. רצף RNA חד-תאי (scRNAseq) הפך לכלי רב עוצמה כדי לפענח תוכניות תמלול ספציפיות לשושלת תאים וניתן להשתמש בו כדי לקבוע כיצד תוכניות אלה תומכות או מדחיקות זיהום וירוס18,19. התיאור הראשון של scRNAseq היה בשנת 2009 ושימש להערכת פרופילי התמלול של התאים השונים שנמצאו בפיצוץ עכבר20. טכנולוגיות אלה הורחבו כעת וניתן ליישם אותן באמצעות מספר פלטפורמות שונות. גרסאות מוקדמות של טכנולוגיה זו יישמו ממיין תאים המופעל על-ידי פלואורסצנטיות (FACS) כדי להפריד תאים בודדים לרצף, אשר הוגבל לעתים קרובות לוחות 96- או 384-well, ובכך לתת 300 תאים בודדים לנתח לכל מדגם21. שיטות אלה קודמו כעת על ידי פלטפורמות ריצוף תא יחיד, המשתמשות במכשיר מיקרופלואידי כדי לתמצת תאים בודדים לתוך טיפות בודדות עם ברקוד המכיל חרוזים. טכנולוגיה זו מאפשרת ללכוד עד 10,000 תאים לפי תנאי דגימה.
שילוב טכנולוגיית organoids עם scRNAseq מאפשר לנו לחקור כיצד פתוגנים אנטריים משפיעים על מערכת העיכול באופן ספציפי לסוג התא. עם זאת, יש לקחת מספר שיקולים טכניים וביו-בטיחותיים. בראש ובראשונה, שיטות תרבות האורגנוידים הקלאסיים (אורגנוידים תלת-ממדיים), המוטמעים במטריצה חוץ-תאית (ECM)) חושפות את הצד הבסולטרי של תאי האפיתל לחלק החיצוני של האורגנויד. כמו פתוגנים אנטריים ליזום את הזיהום שלהם באמצעות בליעה של מזון / מים מזוהמים, הזיהום לרוב יוזם מהצד האפילי של התאים, אשר אינו נגיש אלה organoids מעיים 3D. לכן, organoids צריך להיות מוכן כדי להפוך את הצד apical נגיש עבור זיהום פתוגן או באמצעות זריעה 2D, ובכך לחשוף ישירות את הצד האפירי של התאים, או באמצעות microinjection22,23. שנית, כדי לבצע scRNAseq של דגימות ביולוגיות נגועות, חשוב לשקול את האופי הזיהומי שלהם. בעוד שיטות לתיקון תאים ולהפעלת פתוגנים לפני בידוד תא יחיד עבור RNAseq הבאים הוצעו, שיטות אלה מובילות לעתים קרובות לירידה באיכותהרצף 18. הפרוטוקול שלהלן יתאר מספר גישות להדבקת אורגנוידים במעיים בווירוסים אנטריים בהתחשב בצד הזיהום (זיהום apical לעומת basolateral) (איור 1). בנוסף, הפרוטוקול יכלול זרימת עבודה לניתוק ולבודד תאים בודדים מאורגנואידים נגועים בווירוסים פתוגניים מאוד עבור scRNAseq. הפרוטוקול ידגיש את השלבים העיקריים שיש ליישם בעת עבודה בתנאי בלימה ברמת בטיחות ביולוגית-3 (BSL-3) כדי למנוע ייצור אירוסולים וזיהום פוטנציאלי.
פתוגנים אנטריים לרוב ליזום מחזור החיים שלהם על ידי הדבקת תאי אפיתל מעיים מהצד האפיקלי שלהם מול לומן של המעיים. בעוד organoids מוכרים היטב להיות מודל טוב כדי לשחזר את המורכבות התאית ואת הארגון של אפיתל המעי, הארגון שלהם כמו מבנים תלת ממדיים, סגור להפוך את הממברנה האפית שלהם נגיש לפתוגן. פרוטוקול זה תיאר שיטות להדבקת organoids מעיים מהצד האפילי שלהם, הצד הבסולטרי שלהם, או שניהם עם פתוגנים BLS-3. פרוטוקולים אלה יכולים להיות מותאמים בקלות כדי ללמוד כל פתוגן אנטרי תחת בלימת BSL-2 או BLS-3 או כל מודל organoid אחר על ידי ביצוע כמה צעדים קריטיים המודגשים להלן. השיטה המתוארת לעיל היא לבידוד והכנת טיפות חד-תאיות בהתאם לתקנות בגרמניה. כתב ויתור, פרוטוקול זה אינו מתאר את אמצעי הטיפול בבטיחות ביולוגית (הליכי הפעלה סטנדרטיים) שיש לנקוט בעת עבודה בתנאי BSL-3. כמו כן, חשוב לעמוד על כך שהתקנות עשויות להשתנות במדינות אחרות וכי יש לפנות לרשויות המקומיות כדי לוודא שכל התקנות המקומיות יכובדו.
אחד הצעדים הקריטיים בזריעת אורגנוידים בשני ממדים לזיהום אפיקלי הוא שליטה כי תאים יבדילו באופן דומה לעומת כאשר גדל כמו organoids תלת ממדי קלאסי. בהתאם לפתוגן המעית, טרופיזם יכול להיות מוגבל לתאים נדירים מאוד או לתאים שצריכים להיות מובחנים מאוד. במקרה זה, באמצעות organoid דו מימדי שלא הבדיל לחלוטין עלול לגרום לתקלה שגויה כי פתוגן אנטרי זה לא יכול להדביק organoids מעיים. מומלץ, אם אפשר, לבצע זיהומים באמצעות שלוש התצורות של פרוטוקול זה: אורגנויד 2D לזיהום apical בלבד (סעיף 2), סדוק פתוח 3D organoids עבור זיהום apical ו basolateral (סעיף 3), ואורגנוידים 3D מלא עבור זיהום בזולטר בלבד (סעיף 3). גישה זו תסייע להבחין בנתיב הכניסה של הפתוגן (apical לעומת basolateral) וגם תשלוט כי רמה דומה של בידול הושגה. חלופה לזיהום אפיקלי 2D היא microinjection, אשר ישתמש אורגנויד 3D אבל לספק את הפתוגן ישירות לתוך הצד apical (ראה Bartfeld ואח’27 לפרטים). שיטה זו דורשת מזרק מיומן כדי להבטיח כי הפתוגן ממוקם כראוי, ואת organoids להישאר שלם. Microinjection משמש בדרך כלל בלימת BSL-2 וייתכן שאינו מתאים לבלימת BSL-3.
שיקול חשוב נוסף בעת ביצוע ניסויי זיהום באורגנוידים זרעים 2D הוא צפיפות התא הסופית. כפי שהוזכר בשלב 2.3, 100-150 organoids יהיה זרע באר אחת של צלחת 48-well או באר אחת של שקופית תא זכוכית 8-טוב. בהתאם לקו האורגנויד ועל האדם המטפל באורגנוידים, גודל האורגנוידים האלה יכול להיות שונה באופן משמעותי. זה יכול לגרום לצפיפות תאים שונה מאוד בצלחת 48-well או 8-טוב זכוכית-בתחתית שקופית. בהתאם לנגיף המעית, וירוסים מסוימים מעדיפים תאים דלילים יותר, בעוד שאחרים יוכלו גם להדביק תאים מתמשכים. המקור המולקולרי של הבדלים כאלה בהדבקה עבור מפגשי תאים שונים אינו ברור; לכן, ניסויי פיילוט שמטרתם למצוא את צפיפות התא הטובה ביותר עבור הפתוגן המעינטי של בחירה צריך להתבצע לפני ביצוע אפיון במורד הזרם.
לעתים קרובות מיון FACS מתבצע לפני ביצוע אמולסיה טיפה של תא יחיד. שלב זה משמש לעתים קרובות כדי להפריד בין מתים לתאים חיים ותאים בודדים מכפילים. בעת עבודה עם פתוגנים BSL-3, זה דורש כי המתקן מצויד עם ממיין FACS מתאים, וזה לא לעתים קרובות המקרה. יתר על כן, לא כל התאים באורגנויד יש את אותו גודל, וזה לעתים קרובות קשה להפלות בין כפול או תא גדול יותר, ובכך גורם לסיכון של בחירה שלילית נגד סוג תא מסוים. כמו כן, עדיין יש דיון בתחום אם הזמן הדרוש למיון בין 5,000-10,000 עבור כל מדגם יכול לגרום לשינוי משמעותי בפרופיל התמליל של התאים הבודדים. בעוד שיטות קיבוע תאים התואמות רצף תא יחיד (למשל, מתנול ו RNAassist) תוארו, זה נצפתה כי זה מוביל לירידה באיכות הרצף18. לבסוף, יש חשד כי מיון תאים באמצעות סמני מוות תאים יכול גם להוביל להטיה. בהתחשב בהתפשטות הכיוונית וההבחנה של התאים דרך ציר הקריפטה-וילי, התאים המובחנים ביותר, אשר הולכים להי לשפך ולשחרר, ממוקמים בקצה הווילי. תאים אלה הם לעתים קרובות חיובי עבור סמנים שונים של מסלולי מוות תאים (למשל., אפופטוזיס, נמק, נמק); עם זאת, כאשר מסתכלים על זיהום rotavirus של מעי העכבר, קצה villi הוא האזור הנגוע ביותר28. לכן, סינון תאים שעשויים להיראות חיוביים עבור סמני מוות יגרום לבחירה שלילית של התאים הנגועים שעשויים לייצג את הזיהום הפיזיולוגי. נכון לעכשיו, אין פתרון טוב למיון ותיקון organoids לפני רצף תא יחיד. שימוש בתאים חיים, לא ממוינים מומלץ כמו מחקרים נוספים נדרשים כדי למצוא פרוטוקולים חלופיים מתאימים.
רצף של תא בודד חולל מהפכה באופן שבו ניתן להעריך תגובות תאיות. טכניקה זו מאפשרת זיהוי של תגובות ספציפיות שושלת התא הן בתנאים בסיסיים ותחת זיהומים פתוגן. שיטה זו פתחה דלתות בתחומים רבים שהוגבלו בעבר על-ידי קריאות בצובר. בעוד שיטה זו היא חזקה מאוד, יש לה מגבלותיה. מגבלה מרכזית היא ניתוח ביואינפורמטי נרחב הנדרש במורד הזרם של הרצף. זה מפתח במיוחד בעת ניתוח רקמות והקצאת סוגי תאים שבהם אין כרגע ביאור. לאחר ביואינפורמטיקה מיומנת נדרשת לתמוך בכל המחקרים של תא יחיד.
פרוטוקול זה מתאר כיצד לזרוע ולטפל organoids מעיים אנושיים, להדביק אותם עם פתוגנים אנטריים, ולבצע scRNAseq. התאמת גישה זו לאיברים אחרים אפשרית כעת, שכן פותחו מערכות מודל אורגנויד עבור רוב האיברים. אורגנוידים ריאות וכבד מאורגנים באופן דומה לעומת organoids מעיים, וככזה, באמצעות גישה אנלוגית יכול להיות מוחלף לאורגנואידים אלה. השליטה הקריטית תהיה לאמת כי כאשר גדל בשני ממדים או סדוק פתוח, organoids אלה להשיג הבחנה דומה כמו עמיתיהם האורגנויד 3D. התכונות והגנים הספציפיים המגדירים מצב מובחן הם ספציפיים לכל מודל איברים. מודלים organoid אחרים כגון organoids כליות וכלי דם, מבנים צפופים גדולים, יצטרך שיטות נוספות כדי לנתק מבנים אלה באופן סדרתי לתאים בודדים.
The authors have nothing to disclose.
מייגן סטניפר וסטייב בולנט נתמכו על ידי מענקי מחקר של דויטשה Forschungsgemeinschaft (DFG): (מספר הפרויקט 240245660, 278001972, 415089553 272983813 לסטייב בולנט 416072091 למייגן סטניפר), מדינת באדן-וורטמברג והבונדסמיניסטריום פיור בילדונג ופורשונג BMBF 01KI20239B ל- MS ו- 01KI20198A ו – NUM-COVID 19, Organo-Strat 01KX2021) ל- SB. שרטוטים נוצרו ב- BioRender.
Recombinant mouse noggin | Peprotech | Cat#250-38 | |
[Leu15]-Gastrin I | Sigma-Aldrich | Cat# G9145 | |
0.05% Trypsin-EDTA | Thermo Fischer Scientific | Cat#25300054 | |
24-well non-cell culture treated plate | Corning | Cat#3738 | |
8-well glass bottom chamber slide | iBIDI | Cart#80827 | |
A83-01 | Tocris | Cat#2939 | |
Advanced DMEM/F12 | Thermo Fischer Scientific | Cat# 12634010 | |
B27 | Thermo Fischer Scientific | Cat#17504-044 | |
Chromium Controller & Next GEM Accessory Kit | 10X Genomics | Cat#1000202 | Used in the preparation of single cell solution and preparation of Gel beads-in-emulsion (GEM) |
Chromium Next GEM Chip G Single Cell Kit | 10X Genomics | Cat #1000127 | Used in the preparation of single cell solution and preparation of Gel beads-in-emulsion (GEM) |
Chromium Next GEM Single Cell 3′ Kit v3.1 | 10X Genomics | Cat#1000268 | Used in the preparation of single cell solution and preparation of Gel beads-in-emulsion (GEM) |
Collagen from human placenta | Sigma Aldrich | Cat#C5533-5MG | |
CYP34A forward | Eurofins | GATGGCTCTCATCCCAGACTT | Primers used to check for differentiation |
CYP3A4 reverse | Eurofins | AGTCCATGTGAATGGGTTCC | Primers used to check for differentiation |
DMEM/F12 | Thermo Fischer Scientific | Cat#11320074 | |
EDTA | Sigma Aldrich | Car#E9884 | |
Fast Read 102 counting slides | Biosigma | Cat# BVS100 | |
Fetal Bovein Serum (FBS) | Capricorn | Cat#FBS-12A | |
GlutaMAX | Thermo Fischer Scientific | Cat# 35050061 | |
HEPES | Thermo Fischer Scientific | Cat3 15630080 | |
L-WRN cells | ATCC | CRL-3276 | This cell line is used to make the conditioned media containg Wnt 3A, R-Spondin and Noggin. The protocol for the production of the conditioned media can be found on the manufacterures site. |
MatriGel. GFR, LDEV free | Corning | Cat#354230 | |
MUC-2 forward | Eurofins | TGTAGGCATCGCTCTTCTCA | Primers used to check for differentiation |
MUC-2 reverse | Eurofins | GACACCATCTACCTCACCCG | Primers used to check for differentiation |
N-acetyl-cysteine | Sigma Aldrich | Cat# A9165 | |
OLMF4 forward | Eurofins | ACCTTTCCCGTGGACAGAGT | Primers used to check for differentiation |
OLMF4 reverse | Eurofins | TGGACATATTCCCTCACTTTGGA | Primers used to check for differentiation |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fischer Scientific | Cat#15140122 | |
Recombinant human FGF basic | Peprotech | Cat#100-18B | |
Recombinant human IGF-1 | BioLegend | Cat#590904 | |
Recombinant mouse EGF | Thermo Fischer Scientific | Cat# PMG8043 | |
SI forward | Eurofins | AATCCTTTTGGCATCCAGATT | Primers used to check for differentiation |
SI reverse | Eurofins | GCAGCCAAGAATCCCAAT | Primers used to check for differentiation |
TrypLE Express | Thermo Fischer Scientific | Cat#12605036 | |
Y-27632 | Caymann Chemicals | Cat#10005583 |