이 프로토콜은 단세포 RNA 염기서열분석(scRNAseq) 기술을 사용하여 단세포 수준에서 숙주/병원균 상호 작용을 특성화하기 위해 자신의 apical 또는 바식측에서 인간 장 기관가를 감염시키는 방법을 설명합니다.
인간 장 가구는 위장관의 병원균 감염을 연구하는 가장 좋은 세포 모델을 구성합니다. 이러한 오르가노이드는 기관의 모든 섹션(위, 제주, 십이지장, 일레움, 결장, 직장)에서 파생될 수 있으며, 분화시, 각 개별 섹션에서 자연적으로 발견되는 대부분의 세포 유형을 함유하고 있다. 예를 들어, 장 내 오르가노이드에는 영양 흡수 장세포, 분비 세포(잔, 창, 및 장내 분비), 줄기 세포뿐만 아니라 모든 계보별 분화 중간체(예: 조기 또는 미성숙 세포 유형)가 포함됩니다. 위장관 유래 오르가노이드를 사용하여 전염병을 연구하는 데 있어 가장 큰 장점은 장내 병원체가 어떤 세포 유형을 표적으로 하는지 정확하게 식별하고 위장관및 특정 세포 유형의 다른 섹션이 병원균 문제에 유사하게 반응하는지 여부를 해결할 수 있다는 것입니다. 지난 몇 년 동안, 위장 모델, 뿐만 아니라 다른 조직에서 organoids, 바이러스 성 트로피즘과 병인의 메커니즘을 공부 하기 위해 사용 되었습니다. 그러나 병원성 바이러스를 사용할 때 오르가노이드를 사용하는 모든 장점을 활용하는 것은 기술적 인 과제를 나타내며 엄격한 생물 안전 고려 사항이 필요합니다. 또한, 오르가노이드는 종종 3차원에서 재배되기 때문에 세포의 바소포측은 오르가노이드의 바깥쪽을 향하고 있으며, 그들의 압정면은 오르가노이드의 내부(lumen)를 향하고 있다. 이 조직은 많은 장내 감염이 섭취 다음 세포의 정모/발광 측에서 시작으로 장 내 병원체에 대 한 도전을 제기. 다음 원고는 세포 형 특정 숙주 / 병원균 상호 작용을 특성화하기 위해 단세포 RNA 염기서열분석을 수행하는 감염 측 (apical 대 basolateral)을 고려하여 장 내 병원체감염에 대한 인간 장 기관가노이드를 준비하는 포괄적 인 프로토콜을 제공합니다. 이 방법은 유기체의 준비뿐만 아니라 생물 안전 수준 3 (BSL-3) 봉쇄 조건하에서이 작업을 수행하는 데 필요한 고려 사항을 자세히 설명합니다.
인간 장바이러스에 대한 세포 유형별 트로피즘 및 세포 유형 별 면역 반응을 연구하는 것은 1 차적인 인간 적인 세포 모형의 부족 때문에 역사적으로 도전적이고 있습니다. 이러한 제한은 이제 오가노이드1의개발로 부분적으로 근절되었습니다. 위장관의 경우, 위 및 장 가구형 모델은 인간 및 여러 다른 종(예:murine, 소, 고양이, 박쥐)2,3,4,5,6을위해 개발되었다. 장 내 오르가노이드는 인간의 장 상피의 구조 구조를 재현하고 토굴과 사악한 구조, 기능성 장 계보를 포함하고 심지어 이전에 알려지지 않은 세포 혈통을 식별하는 데 사용되었습니다. 두 가지 접근 법은 장 오르가노이드를 성장하기 위하여 이용될 수 있습니다. 첫째, 토굴을 함유한 장줄기 세포는 조직 절제술또는 생검으로부터 분리되고 특정 배양 조건(예를 들어, Wnt3A, R-spondin, Noggin, EGF)에서 재배하여 확장한 다음 줄기 세포를 대부분의 장내 세포 계보(예를들어, 장내 세포 계보, Paneth세포, 파네트세포)로분화하여 세포에 진입한다. 이 방법은 위장관의 모든 섹션에서 오르가노이드의분리를허용합니다 (예 : 위, 십이지장, 제주넘, 일레움 및 결장). 두 번째 방법은 인간 유도 만능 또는 배아 줄기 세포에 의존하며, 이는 후장 상피 세포로 단계적으로 분화된다8. 이러한 유도된 줄기 세포 기지를 둔 오르가노이드는 수시로 환자 유래 유기인에 비교된 자연에서 더 많은 배아인 것으로 기술됩니다. 이 모든 organoid 모형은 장관을 형성하는 데 필요한 발달 단서를 해명하는 데 중요했지만, 전염병 연구에서의 사용은 아직 초기 단계에 있습니다.
장내 바이러스는 피코나바이러스(예를들어, EV-71), 레오바이러스(예를 들어, 로타바이러스), 칼리시바이러스(예를 들어, 노로바이러스)9와같은 위장관을 통해 감염되는 모든 바이러스를 포함하는 광범위한 용어이다. 장내 바이러스는 오염된 음식과 물의 섭취를 통해 전염성 수명 주기를 개시하여 개발도상국의 사람들이 치료되지 않은 폐기물을 환경으로 배출하고감염 10이발병한 후 의료 서비스 부족으로 인해 고위험에 처하게 된다. 병원균의 종류에 따라, 감염은 장 안대기의 누설로 인한 위장염, 구토 및 /또는 물 설사로 이어질 수 있습니다. 인간 노로바이러스는 전세계적으로6억 건 이상의 감염과 1,500만 건의 입원으로 이어지는 매우 널리 퍼지고 전염성이 높은 장병원성 병원체입니다. 오르가노이드는 이전에 표준 세포 배양모델(12)에서배양될 수 없었던 인간 노로바이러스의 감염 및 복제를 지원하면서 노로바이러스 연구의 핵심이었다.
지난 2 년 동안, 코로나 바이러스는 주요 인간 병원체로등장했다 13. 이 가족은 고병원성 MERS, SARS-CoV-1 및 SARS-CoV-2를 포함하며, 이러한 바이러스에 대한 연구를 수행할 때 엄격한 안전 수준 봉쇄가 필요합니다. 흥미롭게도, 이 병원체의 세 가지 모두 주로 유도 된 호흡 증상과 고민에 대 한 인식 하는 동안, 그것은 지금 이 바이러스는 전적으로 호흡기를 감염 하지 않습니다 뿐만 아니라 다른 장기. SARS-CoV-2 감염환자에서 유도된 중요한 병리학은 호흡 곤란 이외에 위장증상(14)의존재이다. SARS-CoV-2 감염한 환자의 분수는 매우 온화한에서 가혹한 설사에 구역 수색하는 그 같은 현상을 표시합니다. 추가적으로, SARS-CoV-2 게놈은 감염된 환자의 대변 및 위장관 생검에서 검출될 수 있다15. 중요한 것은 위장 증상의 존재는 또한 MERS 및 SARS-CoV-1 감염된 환자에서 관찰되었기 때문에 SARS-CoV-2에 국한되지 않습니다. SARS-CoV-2가 위장관 고민을 유도하고 정확하게 위장에서 SARS-CoV-2의 트로피주의를 식별하는 방법을 이해하기 위해, 인간 장 내장 은 주요 도구였으며 이제이 병원체 에 대한 세포 유형 별 반응을 해명하기 위해 악용된다16,17.
세포 집단의 전사 프로파일링 (벌크 RNA 시퀀싱)은 유기체뿐만 아니라 불멸의 세포주 모두의 병원균 감염을 평가 할 때 표준 관행이었습니다. 이것은 우리가 병원체에 응하여 글로벌 변경을 결정하는 것을 허용하는 동안 (예를 들면, 사이토카인의 강화 조절), 벌크 RNAseq는 왜 인구에 있는 특정 세포가 그 외 보다는 감염하기 쉬운지 결정하는 것을 허용하지 않습니다. 단세포 RNA 시퀀싱(scRNAseq)은 세포 혈통 특이적 전사 프로그램을 해명하는 강력한 도구가 되었으며, 이러한 프로그램이 바이러스감염(18,19)을지원하거나 억압하는 방법을 결정하는 데 사용될 수 있다. scRNAseq의 첫 번째 설명은 2009년에 있었고 마우스 blastomere20에서찾아낸 다른 세포의 전사 프로파일을 평가하는 데 사용되었다. 이러한 기술은 이제 확장되었으며 여러 플랫폼을 통해 구현할 수 있습니다. 이 기술의 초기 버전은 형광 활성화 세포 선별기(FACS)를 적용하여 시퀀싱을 위해 개별 세포를 분리하여 종종 96- 또는 384웰 플레이트로 제한되어 300개의 개별 세포가 샘플21당분석하도록 하였다. 이러한 방법은 이제 단일 셀 시퀀싱 플랫폼에 의해 진행되었으며, 이는 미세 유체 장치를 사용하여 단일 세포를 구슬이 포함된 바코드가 포함된 개별 물방울로 캡슐화합니다. 이 기술을 통해 샘플 조건당 최대 10,000개의 셀을 포획할 수 있습니다.
오르가노이드 기술과 scRNAseq를 결합하면 장내 병원체가 세포 유형별 방식으로 위장관에 미치는 영향을 연구할 수 있습니다. 그러나 몇 가지 기술적 및 생물 안전 고려 사항을 고려해야 합니다. 무엇보다도, 고전적인 오르가노이드 배양 방법(3차원(3D) 오르가노이드, 세포외 매트릭스(ECM)에 내장된) 상피 세포의 바칼탈측을 오르가노이드의 바칼측을 외부에 노출한다. 장내 병원균이 오염된 음식/물의 섭취를 통해 감염을 시작하면 감염은 세포의 정면에서 가장 자주 시작되며, 이 3D 장 오르가노이드에서는 접근할 수 없습니다. 따라서, 오르가노이드는 2D 파종을 통해 병원체 감염에 접근할 수 있도록 준비되어야 하며, 이에 따라 세포의 액피티컬 측면을 직접 노출시키거나,마이크로주입(22,23)을통해서이다. 둘째, 감염된 생물학적 시료의 scRNAseq를 수행하기 위해, 그들의 전염성 특성을 고려하는 것이 중요하다. 후속 RNAeq에 대한 단일 세포 격리 이전에 세포를 고치고 병원균을 비활성화하는 방법이 제안되었지만, 이러한 방법은 종종 시퀀싱 품질18의감소로 이어진다. 아래 의정서는 감염측(apical 대 바소포탈 감염)을 고려한 장 내 유기성 기관지(asolateral 감염)를 고려한 장 기관가를 감염시키는 몇 가지 접근법을 설명할것이다(그림 1). 추가적으로, 프로토콜은 scRNAseq를 위한 고병원성 바이러스에 감염된 오르가노이드에서 단 하나 세포를 해리하고 격리하는 워크플로우를 포함할 것입니다. 이 프로토콜은 에어로졸 생성 및 잠재적 오염을 방지하기 위해 생물 안전 수준-3(BSL-3) 봉쇄 조건하에서 작업할 때 구현해야 하는 주요 단계를 강조합니다.
장내 병원균은 가장 자주 장의 루멘을 마주보고 있는 그들의 정액 측에서 장 상피 세포를 감염시킴으로써 그들의 수명 주기를 시작합니다. 오르가노이드는 장 상피의 세포 복잡성과 조직을 재현하는 좋은 모델로 잘 인식되지만, 3차원, 폐쇄형 구조로 조직된 조직은 항문 막을 병원균에 접근할 수 없게 만듭니다. 이 프로토콜은 그들의 apical 측, 그들의 basolateral 측, 또는 BLS-3 병원체둘다에서 장 기관가노이드를 감염시키는 방법을 기술했습니다. 이러한 프로토콜은 BSL-2 또는 BLS-3 봉쇄 또는 아래에 강조되는 몇 가지 중요한 단계를 수행하여 다른 오르가노이드 모델 하에서 모든 장내 병원균을 연구하도록 쉽게 적응할 수 있습니다. 상술한 방법은 독일의 규정에 따라 단세포 물방울의 격리 및 준비를 위한 것입니다. 면책 조항으로, 이 프로토콜은 BSL-3 조건하에서 작업하는 동안 취해야 할 생물 안전 처리 조치 (표준 운영 절차)를 설명하지 않습니다. 또한 규제가 다른 나라에서 다를 수 있으며 모든 현지 규정이 존중되도록 지방 당국에 연락해야 한다고 주장하는 것도 중요합니다.
apical 감염을 위한 2개의 차원에서 유기체를 종자하는 중요한 단계의 한개는 세포가 고전적인 3차원 오르가노이드로 성장할 때와 비교될 것이라는 것을 통제하고 있습니다. 장 내 병원체에 따라, 트로피즘은 매우 희소한 세포 또는 높게 분화될 필요가 있는 세포에 제한될 수 있었습니다. 이 경우 완전히 분화하지 않은 2차원 오르가노이드를 사용하면 이 장 병원체가 장 가구를 감염시킬 수 없다는 잘못된 결론을 초래할 수 있습니다. 가능하면 이 프로토콜의 세 가지 구성을 사용하여 감염을 수행하는 것이 좋습니다: apical 감염을 위한 2D 오르간성 (섹션 2), apical 및 basolateral 감염을 위한 오픈 3D 오르노이드 (섹션 3), 그리고 바소포 감염전용 전체 3D 오르가노이드 (섹션 3). 이 접근법은 병원체 (apical 대 바소포탈)의 진입 경로를 분별하는 데 도움이되며 유사한 수준의 차별화가 달성되었음을 제어 할 것입니다. 2D 정형 감염에 대한 대안은 3D 오르간로이드를 사용하지만 병원균을 apical 측으로 직접 전달하는 미세 주입입니다 (자세한 내용은 Bartfeld 외27 참조). 이 방법은 병원체가 제대로 배치되고 오르가노이드가 그대로 유지되도록 숙련 된 인젝터가 필요합니다. 미세 주입은 일반적으로 BSL-2 봉쇄에서 사용되며 BSL-3 봉쇄에 적합하지 않을 수 있습니다.
2D 시드 오르가노이드에서 감염 실험을 수행할 때 추가적인 중요한 고려 사항은 최종 세포 밀도입니다. 2.3 단계에서 언급했듯이, 100-150 개의 오르가노이드는 48 웰 플레이트 또는 8 웰 유리 바닥 챔버 슬라이드의 한 우물에서 시드됩니다. 오르가노이드 라인과 오르가노이드를 처리하는 사람에 따라, 이러한 오르가노이드의 크기는 크게 다를 수 있습니다. 이것은 48 웰 플레이트 또는 8 웰 유리 바닥 챔버 슬라이드에서 매우 다른 세포 밀도귀착될 수 있습니다. 장 내 바이러스에 따라, 일부 바이러스는 더 희소 한 세포를 선호, 다른 사람은 또한 confluent 세포를 감염시킬 수 있을 것입니다 동안. 다른 세포 합류에 대한 감염성의 이러한 차이의 분자 기원은 명확하지 않다; 따라서, 선택의 장내 병원체에 대한 최상의 세포 밀도를 찾는 것을 목표로 하는 파일럿 실험은 추가 하류 특성화를 수행하기 전에 수행되어야 한다.
종종 FACS 정렬은 단일 셀 액적 에멀젼을 수행하기 전에 수행됩니다. 이 단계는 종종 이중에서 살아있는 세포 및 단하나 세포에서 죽은 분리하는 데 사용됩니다. BSL-3 병원균과 함께 작업할 때, 시설에 적절한 FACS 선별기가 장착되어 있어야 하는데, 이는 종종 그렇지 않습니다. 또한, 오르가노이드의 모든 세포가 동일한 크기를 갖는 것은 아니며, 종종 이중 또는 더 큰 세포 를 구별하기 어렵기 때문에 특정 세포 유형에 대해 부정적으로 선택할 위험이 있습니다. 또한, 각 샘플에 대해 5,000-10,000 사이의 정렬에 필요한 시간이 개별 세포의 성적 증명서 프로파일을 크게 수정할 수 있는지 여부에 대해 여전히 논의되고 있다. 단일 셀 시퀀싱(예를 들어, 메탄올 및 RNAassist)과 호환되는 세포 고정 방법이 기재되었지만, 이는 시퀀싱18의품질 저하로 이어지는 것으로 관찰되었다. 마지막으로, 세포 사멸 마커를 사용하여 세포를 분류하는 것도 편견으로 이어질 수 있다고 의심된다. 지하실-빌리 축을 통해 세포의 방향 증식 및 분화를 감안할 때, 가장 분화 된 세포, 창고 및 방출 될 것 이다, villi의 끝에 위치 하 고 있습니다. 이 세포는 세포 죽음 통로의 다른 마커에 대 한 종종 긍정적인 (예를들어, 세포 사 멸, 괴 사, 그리고 necroptosis); 그러나, 마우스 장의 로타바이러스 감염을 볼 때, 빌리의 끝은 가장 감염된영역(28)이다. 따라서, 죽음 마커에 대 한 긍정적인 보일 수 있는 세포를 필터링 생리 감염을 나타낼 수 있는 감염 된 세포의 부정적인 선택 귀착 될 것 이다. 현재 단일 셀 시퀀싱 전에 오르가노이드를 분류하고 고정하는 데 좋은 솔루션이 없습니다. 적합한 대체 프로토콜을 찾기 위해 추가 연구가 필요하므로 라이브, 분류되지 않은 세포를 사용하는 것이 좋습니다.
단세포 시퀀싱은 세포 반응을 평가하는 방법에 혁명을 일으켰습니다. 이 기술은 기저 조건 과 병원체 감염의 밑에 세포 혈통 특정 반응의 확인을 허용합니다. 이 메서드는 이전에 대량 판독에 의해 제한 된 많은 필드에 문을 열었습니다. 이 방법은 매우 강력하지만 한계가 있습니다. 주요 제한사항은 시퀀싱의 하류에 필요한 광범위한 생물정보 분석입니다. 조직을 분석하고 현재 주석이없는 세포 유형을 할당 할 때 이것은 특히 중요합니다. 숙련 된 생물 정보 학자를 갖는 것은 모든 단세포 연구를 지원하기 위해 필요합니다.
이 프로토콜은 인간 장 가구를 종자 및 처리하는 방법을 설명하고, 장 내 병원균으로 감염시키고, scRNAseq을 수행하는 방법을 설명합니다. 오르가노이드 모델 시스템이 대부분의 장기를 위해 개발되었기 때문에 다른 장기에 이 접근법을 적응시킬 수 있습니다. 폐와 간 오르가노이드는 장 가내장에 비해 유사하게 조직되며, 유사하게 이 오르가노이드로 전이될 수 있습니다. 중요한 제어는 2차원으로 성장하거나 금이 간 때 이러한 오르가노이드가 3D 오르가노이드와 유사한 분화를 달성한다는 것을 확인하는 것입니다. 분화된 상태를 정의하는 특정 특징 및 유전자는 각 기관 모형에 대해 특이합니다. 신장 과 혈관 오르가노이드, 큰 조밀 한 구조와 같은 다른 오르간성 모델은 이러한 구조를 단일 세포로 연속적으로 해리하는 추가 방법이 필요합니다.
The authors have nothing to disclose.
메건 스타니퍼와 스티브 불란트는 도이치 포르스충스게마인샤프트(DFG)의 연구 보조금으로 지원되었다: (프로젝트 번호 240245660, 278001972, 415089553, 272983813 베이브 불란트와 메건 스타니퍼로 416072091), 바덴뷔르템베르크 와 분데스장관 빌둥 und Forschung BMBF 01KI20239B와 MS 및 01KI20198A 및 (NUM-COVID 19, 오가노-0 Strat1KX201) 바이오 프로틱스에 설립되었다.
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 |