We describe a method to establish human enteroids from small intestinal crypts and colonoids from colon crypts collected from both surgical tissue and biopsies. In this methodological article, we present the culture modalities that are essential for the successful growth and maintenance of human enteroids and colonoids.
The epithelium of the gastrointestinal tract is constantly renewed as it turns over. This process is triggered by the proliferation of intestinal stem cells (ISCs) and progeny that progressively migrate and differentiate toward the tip of the villi. These processes, essential for gastrointestinal homeostasis, have been extensively studied using multiple approaches. Ex vivo technologies, especially primary cell cultures have proven to be promising for understanding intestinal epithelial functions. A long-term primary culture system for mouse intestinal crypts has been established to generate 3-dimensional epithelial organoids. These epithelial structures contain crypt- and villus-like domains reminiscent of normal gut epithelium. Commonly, termed “enteroids” when derived from small intestine and “colonoids” when derived from colon, they are different from organoids that also contain mesenchyme tissue. Additionally, these enteroids/colonoids continuously produce all cell types found normally within the intestinal epithelium. This in vitro organ-like culture system is rapidly becoming the new gold standard for investigation of intestinal stem cell biology and epithelial cell physiology. This technology has been recently transferred to the study of human gut. The establishment of human derived epithelial enteroids and colonoids from small intestine and colon has been possible through the utilization of specific culture media that allow their growth and maintenance over time. Here, we describe a method to establish a small intestinal and colon crypt-derived system from human whole tissue or biopsies. We emphasize the culture modalities that are essential for the successful growth and maintenance of human enteroids and colonoids.
gastrointestinal astar epiteli sürekli yenilenmesi olduğunu. Bu süreç sürekli olarak devrediyor hızla bağırsak epitel yerine döl üreten bağırsak kök hücrelerin (ISCs) çoğalması ile tetiklenir. ISCs içeren proliferatif bölmesi kript alt sınırlıdır. ISCs sonunda emici ya da salgı soy içine ayırt döl verirler. Onlar lümen 1 içine pul pul dökülme önce yukarı doğru göç gibi crypt dışarı ve villus veya yüzey epiteli üzerine hareketli, hücreler giderek ayırt. ISCs enterocytes microfold hücreleri enteroendokrin hücreler, goblet hücreleri, püskül hücreleri ve Paneth hücreleri dahil olmak üzere tüm bağırsak epitel hücre türlerine neden olmaktadır. kolon dağınık enteroendokrin ve püskül hücreleri 2 çoğunlukla kolonisitler ve goblet hücre oluşan uzatılmış kriptler ile karakterizedir.
Ex vivo culTure sistemleri ISC bakım ve bağırsak dokusu hemostazını çalışmak için umut verici bir araç oluşturmaktadır. Fizyolojik koşullar tamamen çoğaltılamaz ve epitel mikroçevresinin genellikle 3,4 değişmiş değil gibi Ancak, doku kültürü teknolojileri güvenmek zordur. ISC alanında büyük bir ilerleme sağlamak ve normal bağırsak niş sinyalleri yerine tanımlanan büyüme faktörleri kullanarak bireysel kemirgen ISCs genişletmek için doku kültürü teknikleri kurulması oldu. Uzun süreli bir kültür koşulları Sato ve diğerleri tarafından tarif edilmiştir., Burada tek bir kript veya intestinal epitelden izole kök hücreler birden fazla kript-benzeri bölgeler 5-7 de dahil olmak üzere 3 boyutlu epitel yapıların oluşturulması için büyür. Bu üç boyutlu yapılar sürekli genişletmek için fisyon olayları tabi. İlginç bir şekilde, kökenli dokuya özgü tüm bağırsak hücre tipleri üretilir ve aynı zamanda bir lümen 8 içine ekstrüde edilir. Bu sistemin modifikasyonlarını kullanılarak, epitelorganoids mide, ince bağırsak ve kolon elde edilebilir. Daha özel olarak ise, ince bağırsak epitel organoids enteroids 9, ve kolondan bu colonoids 9,10 bulunmaktadır. Bu epitel organoid kültür sistemleri Bu şekilde izole edilen hücreler 5,6,10-15 yorum "stemness" test, in vitro olarak, kök hücreler olarak işlev görme izole edilmiş tek hücrelerin kabiliyetini test etmek için kullanılmıştır. Diğer araştırmacılar bireysel epitel hücrelerinin 16-21 işlevini incelemek için enteroids ve colonoids hem kullanmışlardır. Böylece, enteroid ve colonoid kültürler hem kök ve dışı kök hücre fonksiyonlarını değerlendirmek ve bağırsakların içindeki temel hücresel etkileşimleri yeni bir fikir vermek için kullanılabilir.
2011, Şato ve arkadaşları, insan ince bağırsak ve kolon 22,23 türetilmiş epitelyal organoids uzun süreli bir kültür oluşturulur. Medyum kompozisyonu, insan epitel enteroids farklılıkları yanındave colonoids onların kemirgen meslektaşı ile aynı özelliklere sahip. Ayrıca, bu tür Barrett yemek borusu, adenom veya adenokarsinom, ve kistik fibroz 22,24 gibi hastalıklı dokulardan elde edilebilir. İnsan enteroids bağırsak kök-hücre ve epitel mukozal biyoloji çalışma, normal ve anormal hem de gastrointestinal fizyoloji 3 incelemek için yeni bir deneysel sistemi olarak hizmet için değerli bir sistem oluştururlar.
Burada, insan ince bağırsak ve kolon kript (Şekil 1) gelen enteroids ve colonoids kurmak için yöntemleri tarif eder. Bu metodolojik derlemede, biz bütün doku ve biyopsi mahzendeyken koleksiyonu vurgulamak. Biz başarılı büyüme ve insan enteroids ve colonoids ve bu modele göre gerçekleştirilmiştir olası deneysel stratejiler bakımı için gerekli olan kültür yöntemleri özetlemek.
Bu yöntem bağırsak epitel biyoloji okumak için yararlı bir araç teşkil bağırsak epitel soyları ve epitel dinamikleri üreyen bir tam sistem sağlar. Burada sunulan yöntem, verimli insan enteroids ve colonoids sonuçlanır Sato ve Clevers 22 orijinal kemirgen çalışmanın uyarlanmıştır. Burada, biz elle herhangi bir hücresel kirletici önlemek için mikrodiseksiyon ile crypts aldı. Bu yöntem crypts doğrudan görselleştirme sağlar ve "sallama" orjinal kript toplama göre tutarlılık mesai yol açar. Diğer gruplar, özellikle kollajenaz 25 EDTA ile şelasyon değiştirilmesi biraz farklı yaklaşımlar kullanılarak benzer teknikleri geliştirdi. Kript toplama farklılıkları yanında, bu teknik kültür 22 insan enteroids büyümesi için gerekli olan belirli bir ortamı kullanmaktadır. Crypt tohumlama büyüme verimliliğini artırmak için, biz (CHIR99021) bir GSK3 inhibitörü ekleyinİlk iki gün 12.
doku veya biyopsi işleme önemlidir ve kript izolasyon kısa sürede doku laboratuarda geldiğinde yapılmalıdır. Ancak gecikmiş kript izolasyonu ve kültürü, doku toplama sonrası 24 saate kadar gerçekleştirilebilir olabilir, daha önce sıçangil doku 26 için tarif edildiği gibi (veri gösterilmemiştir). bağırsak dokusu bütünüyle doku bozulmasını önlemek ve 4 ° C 'de muhafaza edilmesi gerekir DPBS ile doldurulmuş bir konik bir tüp içinde yerleştirilmelidir. gecikmeli hazırlık doku nakliye için izin verir, ancak sıcaklık değişimi taşıma sırasında kaçınılmalıdır. İlk kript kaplama için gerekli olan toplam zaman izole ve kript plaka doku ve sonra 1 saat ila 2 işlem 15-30 dakika ile yaklaşık 2 saattir. doku mikrodissek- temiz bir crypt hazırlık kritik belirleyicisi ve önermedir. Ancak, çeşitli protokoller anlatıldığı gibi el-sallayarak crypt serbest mümkündür 22,23.
Kemirgen enteroid (enteroids) sistemi ile benzerliklere rağmen, insan enteroids geliştirmek ve zaman içinde kendi büyümesini sürdürmek için belirli molekülleri gerektirir. büyüme faktörleri, EGF, Noggin, R spondin sıçangil epitel organoids için benzer şekilde kullanılır. Bununla birlikte, Wnt-3A kullanılması önemlidir. Biz oluşumu yanı sıra büyüme verimliliği insan rekombinant protein daha Wnt-3A klimalı ortam kullanılarak büyük olduğunu kaydetti. Bağlantılı olarak, biz glikojen sentaz kinaz 3 (CHIR99021) 12 inhibitörü ile geliştirilmiş bir kültür koşulları gösterdi. Rekombinant büyüme faktörleri, Wnt-3A, R spondin ve Noggin, koşullu ortam tarafından değiştirilebilir. Wnt-3A-ifade eden L-hücre hattı (ATCC), ticari olarak temin edilebilir. Diğer gruplar, R-spondin 1 23,27, Noggin- 19 geliştirilmiştir ve Wnt-3A / R spondin3 / Noggin- 28, hücre soyunun ifade var. İki küçük molekül inhibitörleri kültüründe kullanılan Benidia ve kültür 29 bakım için gereklidir. A 83-01 büyüme faktörü β ve aktivin / Düğüm reseptörleri dönüştürme seçici bir önleyicisidir (aktivin-benzeri kinaz 4, 5, 7) ve SB202190, bir p38 mitojen ile aktive edilmiş protein kinaz inhibitörleri (MAPK) 'dir. Her iki inhibitörleri insan uyarılmış pluripotent kök hücreler kendini yenileme sürdürmek ve insan naif pluripotent kök hücreleri 30-32 kurmak için sırasıyla kullanılmıştır. Aynı zamanda, nikotinamid, nikotinamid adenin dinükleotidinin bir ön-madde, uzun vadeli bir şekilde 22,29 içinde enteroids ve colonoids genişleme sağlamak için gereklidir.
O crypt hazırlık verim belirler gibi EDTA şelasyon önemli bir adımdır. Biz 2 mM EDTA tedavisi ile başarılı olmuştur. Bununla birlikte, EDTA konsantrasyonu doku tipine ilişkin 15 mM 2 mM'den değiştirilebilir. Bu durumda, inkübasyon süresi deneysel olarak tespit edilmelidir. İlk kaplama sonra, crypt yuvarlak-u olacaks ve en sonunda enteroids oluşturur. Ancak, enteroids veya colonoids genellikle hiçbir farklılaşmış hücrelere çok az olan küreler oluşturarak bir "kök" fenotip göstermektedir. Bu durumda, farklılaşma, Wnt-3A, nikotinamid ve p38 MAPK inhibitörü çekilmesi ile başlatılabilir. Böyle DAPT veya DBZ gibi Notch inhibitörü kullanımı enteroids 22 içinde farklılaşma artırılması yardımcı olur.
Bu model, özümseme ve salgı farklılaşmış soy hem de içeren bir kök hücre bölmesinden kaynaklanan sürekli kript-tomurcuklanan olaylar yanı sıra villus benzeri epitel etki ile bağırsak fizyolojisi tartışıldı. İlginçtir, bu sistem herhangi bir mezenkimal hücreler içeren ve niş sinyal gereksinimlerini karşılamak için özel ortam koşulları kullanır.
Kemirgen modeli gibi, insan enteroids kök hücresi gibi işlev için, bu hücrelerin kapasitesini test etmek için izole edilen bağırsak epitelial hücreler elde edilebilir. Several çalışmalar kök özellikleri 12,23,33 hücrelerin zenginleştirilmesi için farklılaşma markörünü (CD44, CD24 veya CD166) ile EPHB2'ye pozitif hücrelerin küme kullandık. Bununla birlikte, bu çalışmalar stemness test etmek için, insan enteroids kültürlerinin kullanımı ortaya koyan. Diğer araştırmacılar, bulaşıcı ishalli hastalıklar, kistik fibroz, ya da kolorektal kanserler 22,34-37 gibi bağırsak hastalıkları araştırmak için bu modeli kullanıyor. Bu çalışmalar, insan enteroids kişiselleştirilmiş tarama doğru taşımak için bir olasılık ile güvenilir bir insan hastalık modeli oluşturduğunu göstermektedir. İnsan enteroids genetik viral parçacıkların 38 DNA transfeksiyon ya da enfeksiyon ile değiştirilebilir. Bu insan epitel organoids veya doğru genetik mutasyonlar içinde gen-özel işlevlerini incelemek için güçlü bir araç sağlar. Son zamanlarda, Schwank ve arkadaşları CFTR gen neden ac üzerinde mutasyon CRISPR / Cas9 sistemi ile genomu düzenlemek ve düzeltmek imkanı gösterdiystic fibroz 24. İnsan enteroids bağırsak kök-hücre ve epitel mukozal biyoloji çalışma, normal ve anormal hem de gastrointestinal fizyoloji incelemek için yeni bir deneysel sistemi olarak hizmet için değerli bir sistem oluştururlar.
The authors have nothing to disclose.
We gratefully acknowledge Dr. Hans Clevers (Hubrecht Institute for Developmental Biology and Stem Cell Research, Netherlands) for the kind gift of TOPflash cells.
This project was supported in part by NIH-R01DK083325 (MAH); NIH P30 DK078392 (Digestive Health Center); NIH UL1RR026314 (CTSA).
Name of Reagent | Company | Catalog Number |
Dulbecco’s Phosphate buffered saline Ca2+, Mg2+ free (DPBS) | Life technologies; Gibco | 14190-144 |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | 431788 |
Sorbitol | Fischer Scientific | BP439-500 |
Sucrose | Fischer Scientific | BP220-1 |
Bovine serum albumin (BSA) Fraction V | Fischer Scientific | BP1600-100 |
Gzntamycin/Amphotericin B solution | Life technologies; Gibco | R-015-10 |
Wnt-3A conditionned medium | in house | – |
Advanced DMEM/F12 | Life technologies; Gibco | 12634-028 |
HEPES 1M | Life technologies; Gibco | 15630-080 |
GlutaMAX (glutamine) | Life technologies; Gibco | 35050-061 |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life technologies; Gibco | 15140-148 |
N2 Supplement | Life technologies; Gibco | 17502-048 |
B27 Supplement | Life technologies; Gibco | 17504-044 |
N-Acetylcysteine | Sigma-Aldrich | A9165-5G |
Nicotidamide | Sigma-Aldrich | N0636 |
Matrigel, GFR, Phenol free (basement membrane matrix) | Corning | 356231 |
human recombinant Noggin | R&D | 6057-NG/CF |
human recombinant R-Spondin | Preprotech | 120-38 |
human recombinant EGF | Sigma-Aldrich | E9644-.2MG |
Y-27632 | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG |
A-83-01 | Tocris | 2939 |
SB202190 | Sigma-Aldrich | S7067-5MG |
human [Leu]15-Gastrin 1 | Sigma-Aldrich | G9145-.1MG |
CHIR99021 | Stemgent | 04-0004 |
Thiazovivin | Stemgent | 04-0017 |
TrypLE Express Enzyme (1X), phenol red (cell dissociation enzyme) | Life technologies; Gibco | 12605-010 |
Fetal Bovine Serum | Life technologies; Gibco | 10082-147 |
CTS Synth-a-Freeze Medium (freezing medium) | Life technologies; Gibco | A13713-01 |
L Wnt-3A cell line | ATCC | CRL-2647 |
Renilla luciferase assay | Promega | E2710 |
human recombinant Wnt-3A | R&D | 5036-WN/CF |
HEK293 TOPflash cell line | – | – |