Этот протокол описывает, как заразить органоиды кишечника человека с их апикальной или базолатеральной стороны, чтобы охарактеризовать взаимодействия хозяина / патогена на уровне одной клетки с использованием технологии секвенирования одноклеточной РНК (scRNAseq).
Органоиды кишечника человека представляют собой лучшую клеточную модель для изучения патогенных инфекций желудочно-кишечного тракта. Эти органоиды могут быть получены из всех отделов желудочно-кишечного тракта (желудочный, тощий кишечник, двенадцатиперстная кишка, подвздошная кишка, толстая кишка, прямая кишка) и, при дифференцировке, содержат большинство типов клеток, которые естественным образом встречаются в каждом отдельном отделе. Например, кишечные органоиды содержат поглощающие питательные вещества энтероциты, секреторные клетки (Goblet, Paneth и энтероэндокрин), стволовые клетки, а также все специфические для линии промежуточные дифференцировки (например, ранние или незрелые типы клеток). Наибольшим преимуществом использования органоидов желудочно-кишечного тракта для изучения инфекционных заболеваний является возможность точно определить, на какой тип клеток нацелен кишечный патоген, и решить, одинаково ли различные участки желудочно-кишечного тракта и их конкретные типы клеток реагируют на проблемы патогенов. За последние годы для изучения вирусного тропизма и механизмов патогенеза были использованы модели желудочно-кишечного тракта, а также органоиды из других тканей. Однако использование всех преимуществ использования органоидов при использовании высокопатогенных вирусов представляет собой техническую проблему и требует строгих соображений биобезопасности. Кроме того, поскольку органоиды часто выращиваются в трех измерениях, базолатеральная сторона клеток обращена к внешней стороне органоида, в то время как их апикальная сторона обращена к внутренней (просвету) органоидов. Эта организация представляет собой проблему для кишечных патогенов, поскольку многие кишечные инфекции инициируются с апикальной / просветной стороны клеток после приема внутрь. Следующая рукопись предоставит комплексный протокол для подготовки кишечных органоидов человека к инфекции кишечными патогенами путем рассмотрения стороны инфекции (апикальной и базолатеральной) для выполнения секвенирования одноклеточной РНК для характеристики взаимодействия хозяина / патогена, специфичного для клеточного типа. Этот метод детализирует подготовку органоидов, а также соображения, необходимые для выполнения этой работы в условиях сдерживания уровня биобезопасности 3 (BSL-3).
Изучение клеточного тип-специфического тропизма и клеточного тип-специфического иммунного ответа на кишечные вирусы человека было исторически сложным из-за отсутствия первичных клеточных моделей человека. Это ограничение в настоящее время частично устранено с развитием органоидов1. В случае желудочно-кишечного тракта были разработаны желудочные и кишечные органоидные модели для человека и ряда других видов (например,мыши, крупного рогатого скота, кошки, летучих мышей)2,3,4,5,6. Кишечные органоиды воспроизводят структурную архитектуру кишечного эпителия человека и содержат криптообразные и ворсинчатые структуры, функциональные кишечные линии и даже использовались для идентификации ранее неизвестных клеточных линий. Два разных подхода могут быть использованы для выращивания кишечных органоидов. Во-первых, кишечные стволовые клетки, содержащие крипты, выделяют из тканевых резекций или биопсий и выращивают в определенных условиях культивирования (например, Wnt3A, R-спондин, Ноггин и EGF) для расширения, а затем дифференцируют стволовые клетки к большинству клеточных линий кишечника(например, энтероциты, клетки Панета, клетки Кубка, энтероэндокринные клетки)7. Этот метод позволяет выделить органоиды из всех отделов желудочно-кишечноготракта (например, желудка, двенадцатиперстной кишки, тощей кишки, подвздошной кишки и толстой кишки). Второй способ опирается на индуцированные человеком плюрипотентные или эмбриональные стволовые клетки, которые затем дифференцируются в ступенчатом процессе в эпителиальные клетки кишечника8. Эти индуцированные органоиды на основе стволовых клеток часто описываются как более эмбриональные по своей природе по сравнению с органоидами, полученными от пациентов. Хотя все эти органоидные модели имеют решающее значение для разгадки сигналов развития, необходимых для формирования кишечного тракта, их использование в исследованиях инфекционных заболеваний все еще находится в зачаточном состоянии.
Кишечный вирус – это широкий термин, охватывающий все вирусы, которые заражаются через желудочно-кишечный тракт, такие как пикорнавирусы(например,EV-71), реовирусы (например, ротавирус) и калицивирусы (например, норовирус)9. Энтеросолюбильные вирусы инициируют свой инфекционный жизненный цикл через проглатывание зараженной пищи и воды, что подвергает людей в развивающихся странах высокому риску из-за сброса необработанных отходов в окружающую среду и отсутствия медицинской помощи после начала инфекции10. В зависимости от типа патогена, инфекция может привести к гастроэнтериту, рвоте и / или водянистой диарее из-за утечки кишечной оболочки. Норовирусы человека являются широко распространенным и высокоинфекционным кишечным патогеном, который приводит к более чем 600 миллионам инфекций и 15 миллионам госпитализаций во всем мире11. Органоиды были ключом к исследованиям норовируса, поскольку они поддерживают инфекцию и репликацию норовируса человека, который ранее нельзя было культивировать в стандартных моделях клеточных культур12.
За последние два десятилетия коронавирусы стали ключевыми патогенами человека13. Это семейство включает высокопатогенные БВРС, SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2, которые требуют строгого уровня безопасности при проведении исследований этих вирусов. Интересно, что, хотя все три из этих патогенов в основном признаны за их индуцированные респираторные симптомы и дистресс, теперь очевидно, что эти вирусы заражают не только дыхательные пути, но и другие органы. Важной патологией, индуцированной у пациентов, инфицированных SARS-CoV-2, помимо респираторного дистресса, является наличие желудочно-кишечных симптомов14. У части пациентов, инфицированных SARS-CoV-2, проявляются такие симптомы, начиная от очень легкой до тяжелой диареи. Кроме того, геномы SARS-CoV-2 могут быть обнаружены в биопсии стула и желудочно-кишечного тракта инфицированных пациентов15. Важно отметить, что наличие желудочно-кишечных симптомов не ограничивается SARS-CoV-2, поскольку они также наблюдались у пациентов, инфицированных БВРС и SARS-CoV-1. Чтобы понять, как SARS-CoV-2 вызывает желудочно-кишечный дистресс и точно определить тропизм SARS-CoV-2 в желудочно-кишечном тракте, органоиды кишечника человека были ключевым инструментом и в настоящее время используются для разгадки специфических для типа клеток реакций на этот патоген16,17.
Транскрипционное профилирование клеточной популяции (объемное секвенирование РНК) было стандартной практикой при оценке патогенных инфекций как увековеченных клеточных линий, так и с органоидами. Хотя это позволяет нам определять глобальные изменения в ответ на патогены (например, повышение регуляции цитокинов), объемный RNAseq не позволяет нам определить, почему конкретные клетки в популяции более склонны к инфекции, чем другие. Секвенирование одноклеточной РНК (scRNAseq) стало мощным инструментом для разгадки транскрипционных программ клеточной линии и может быть использовано для определения того, как эти программы поддерживают или подавляют вирусную инфекцию18,19. Первое описание scRNAseq было в 2009 году и использовалось для оценки профилей транскрипции различных клеток, обнаруженных в мышином бластомере20. Эти технологии в настоящее время расширены и могут быть реализованы через несколько различных платформ. Ранние версии этой технологии применяли флуоресцентно-активированный сортировщик клеток (FACS) для разделения отдельных ячеек для секвенирования, которое часто ограничивалось пластинами с 96 или 384 лунками, тем самым давая 300 отдельных ячеек для анализа на образец21. Эти методы в настоящее время были усовершенствованы платформами секвенирования с одной ячейкой, которые используют микрофлюидное устройство для инкапсуляции отдельных клеток в отдельные капли со штрих-кодом, содержащим шарики. Эта технология позволяет захватывать до 10 000 клеток на каждое условие образца.
Сочетание технологии органоидов с scRNAseq позволяет нам изучить, как кишечные патогены влияют на желудочно-кишечный тракт специфическим для типа клеток образом. Вместе с тем необходимо учесть ряд технических соображений и соображений биобезопасности. В первую очередь, классические методы культивирования органоидов (3-мерные (3D) органоиды, встроенные во внеклеточный матрикс (ECM)) подвергают базолатеральную сторону эпителиальных клеток внешней стороне органоида. Поскольку кишечные патогены инициируют свою инфекцию через прием загрязненной пищи / воды, инфекция чаще всего инициируется с апикальной стороны клеток, которая недоступна в этих 3D-органоидах кишечника. Поэтому органоиды должны быть подготовлены к тому, чтобы сделать апикальную сторону доступной для патогенной инфекции либо через 2D-посев, тем самым непосредственно обнажая апикальную сторону клеток, либо через микроинъекцию22,23. Во-вторых, для выполнения scRNAseq инфицированных биологических образцов важно учитывать их инфекционную природу. Хотя были предложены методы фиксации клеток и инактивации патогенов до выделения одной клетки для последующего RNAseq, эти методы часто приводят к снижению качества секвенирования18. В приведенном ниже протоколе будет описано несколько подходов к заражению кишечных органоидов кишечными вирусами с учетом инфекционной стороны (апикальная и базолатеральная инфекция)(рисунок 1). Кроме того, протокол будет включать в себя рабочий процесс для диссоциации и изоляции отдельных клеток от органоидов, инфицированных высокопатогенными вирусами для scRNAseq. В протоколе будут освещены ключевые шаги, которые необходимо осуществить при работе в условиях сдерживания уровня биобезопасности 3 (BSL-3), чтобы избежать образования аэрозолей и потенциального загрязнения.
Энтеральные патогены чаще всего инициируют свой жизненный цикл, заражая эпителиальные клетки кишечника с их апикальной стороны, обращенной к просвету кишечника. В то время как органоиды хорошо известны как хорошая модель для воспроизведения клеточной сложности и организации кишечного эпителия, их организация в виде трехмерных, закрытых структур делает их апикальную мембрану недоступной для патогена. Этот протокол описывал способы заражения кишечных органоидов с их апикальной стороны, базолатеральной стороны или обоих патогенами BLS-3. Эти протоколы могут быть легко адаптированы для изучения любого кишечного патогена в оболочке BSL-2 или BLS-3 или любой другой органоидной модели, выполнив несколько критических шагов, которые выделены ниже. Метод, описанный выше, предназначен для выделения и приготовления одноклеточных капель в соответствии с правилами Германии. В качестве отказа от ответственности этот протокол не описывает меры по обращению с биобезопасностью (стандартные операционные процедуры), которые должны быть приняты при работе в условиях BSL-3. Также важно настаивать на том, что правила могут отличаться в других странах и что необходимо связаться с местными властями, чтобы убедиться, что все местные правила соблюдаются.
Одним из важнейших шагов в посеве органоидов в двух измерениях для апикальной инфекции является контроль того, что клетки будут аналогично дифференцироваться по сравнению с выращиванием в качестве классических трехмерных органоидов. В зависимости от кишечного патогена, тропизм может быть ограничен очень редкими клетками или клетками, которые должны быть высокодифференцированными. В этом случае использование двумерного органоида, который не полностью дифференцировался, может привести к неправильному пониманию того, что этот кишечный патоген не может инфицировать кишечные органоиды. Рекомендуется, если это возможно, выполнять инфекции с использованием трех конфигураций этого протокола: 2D-органоид только для апикальной инфекции (раздел 2), треснувшие открытые 3D-органоиды для апикальной и базолатеральной инфекции (раздел 3) и полные 3D-органоиды только для базолатеральной инфекции (раздел 3). Такой подход поможет различить путь проникновения патогена (апикальный и базолатеральный), а также будет контролировать, что был достигнут аналогичный уровень дифференцировки. Альтернативой 2D-апикальной инфекции является микроинъекция, которая будет использовать 3D-органоид, но доставлять патоген непосредственно в апикальную сторону (см. Bartfeld et al.27 для деталей). Этот метод требует квалифицированного инъектора, чтобы гарантировать, что патоген правильно размещен, а органоиды остаются нетронутыми. Микроинъекция обычно используется в сдерживании BSL-2 и может не подходить для сдерживания BSL-3.
Дополнительным важным соображением при проведении экспериментов по заражению 2D-засеянными органоидами является конечная плотность клеток. Как упоминалось на этапе 2.3, 100-150 органоидов будут посеяны в одну лунку из 48-луночной пластины или в одну скважину из 8-луночной камеры со стеклянным дном. В зависимости от органоидной линии и от человека, работающего с органоидами, размер этих органоидов может значительно отличаться. Это может привести к очень разной плотности ячеек в пластине с 48 лунками или 8-луночной стеклянной нижней камере. В зависимости от кишечнорастворимого вируса, некоторые вирусы предпочитают более разреженные клетки, в то время как другие также смогут инфицировать сливающиеся клетки. Молекулярное происхождение таких различий в инфекционности для разных слияний клеток не ясно; поэтому пилотные эксперименты, направленные на поиск наилучшей плотности клеток для кишечнорастворимого патогена по выбору, должны быть выполнены до выполнения дальнейшей характеристики ниже по течению.
Часто сортировка FACS выполняется перед выполнением одноклеточной капельной эмульсии. Этот шаг часто используется для отделения мертвых от живых клеток и одиночных клеток от дублетов. При работе с патогенами BSL-3 требуется, чтобы объект был оснащен соответствующим сортировщиком FACS, что случается не часто. Кроме того, не все клетки в органоиде имеют одинаковый размер, и часто трудно различить дублет или более крупную клетку, тем самым вызывая риск негативного выбора по отношению к определенному типу клеток. Кроме того, в этой области все еще обсуждается вопрос о том, может ли время, необходимое для сортировки между 5000-10000 для каждого образца, привести к значительному изменению профиля расшифровки отдельных клеток. Хотя были описаны методы клеточной фиксации, совместимые с одноклеточным секвенированием (например, метанол и РНКАассист), было отмечено, что это приводит к снижению качества секвенирования18. Наконец, предполагается, что сортировка клеток с использованием маркеров гибели клеток также может привести к смещению. Учитывая направленную пролиферацию и дифференцировку клеток через ось крипто-ворсинок, наиболее дифференцированные клетки, которые будут сбрасываться и высвобождаться, расположены на кончике ворсинок. Эти клетки часто положительны для различных маркеров путей гибели клеток(например, апоптоз, некроз и некроптоз); однако при взгляде на ротавирусную инфекцию кишечника мыши, кончик ворсинок является наиболее инфицированной областью28. Таким образом, фильтрация клеток, которые могут выглядеть положительными для маркеров смерти, приведет к отрицательному отбору инфицированных клеток, которые могут представлять физиологическую инфекцию. В настоящее время не существует хорошего решения для сортировки и фиксации органоидов перед секвенированием одиночных клеток. Рекомендуется использовать живые, несортированные клетки, поскольку необходимы дальнейшие исследования для поиска подходящих альтернативных протоколов.
Секвенирование одной клетки произвело революцию в оценке клеточных реакций. Этот метод позволяет идентифицировать специфические для клеточной линии реакции как в базальных условиях, так и при патогенных инфекциях. Этот метод открыл двери во многих областях, которые ранее были ограничены массовыми показаниями. Хотя этот метод очень мощный, он имеет свои ограничения. Ключевым ограничением является обширный биоинформационный анализ, который требуется после секвенирования. Это особенно важно при анализе тканей и назначении типов клеток там, где в настоящее время нет аннотации. Наличие квалифицированного биоинформатика требуется для поддержки всех одноклеточных исследований.
Этот протокол описывает, как сеять и обрабатывать кишечные органоиды человека, заражать их кишечными патогенами и выполнять scRNAseq. Адаптация этого подхода к другим органам теперь возможна, так как органоидные модельные системы были разработаны для большинства органов. Органоиды легких и печени одинаково организованы по сравнению с кишечными органоидами, и поэтому использование аналогичного подхода может быть перенесено на эти органоиды. Критический контроль будет заключаться в том, чтобы подтвердить, что при выращивании в двух измерениях или вскрытии эти органоиды достигают такой же дифференциации, как и их 3D-органоидные аналоги. Специфические особенности и гены, определяющие дифференцированный статус, специфичны для каждой модели органа. Другие органоидные модели, такие как почечные и сосудистые органоиды, большие плотные структуры, потребуют дополнительных методов для последовательной диссоциации этих структур на отдельные клетки.
The authors have nothing to disclose.
Меган Станифер и Стив Булант были поддержаны исследовательскими грантами от Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): (номер проекта 240245660, 278001972, 415089553 и 272983813 Стива Буланта и 416072091 Меган Станифер), штата Баден-Вюртемберг и Бундесминистериума für Bildung und Forschung BMBF 01KI20239B до MS и 01KI20198A и (NUM-COVID 19, Organo-Strat 01KX2021) до SB. Схемы были созданы в 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 |