כאן, ארבע שיטות ליצירת אורגנואידים אשכים מתאי אשכים מורין ילודים ראשוניים מתוארים כלומר, מטריצה חוץ תאית (ECM) וסביבות תרבות 2D ותלת-מיוד ללא ECM. טכניקות אלה יש יישומי מחקר מרובים והם שימושיים במיוחד ללימוד פיתוח האשכים ופיזיולוגיה במבחנה.
אורגנואידים אשכים מספקים כלי לחקר התפתחות האשכים, spermatogenesis, אנדוקרינולוגיה במבחנה. מספר שיטות פותחו על מנת ליצור אורגנואידים האשכים. רבות משיטות אלה מסתמכות על מטריצה חוץ-תאית (ECM) כדי לקדם את הרכבת רקמת דה נובו, עם זאת, ישנם הבדלים בין שיטות במונחים של מורפולוגיה ביומימטית ותפקוד של רקמות. יתר על כן, יש כמה השוואות ישירות של שיטות שפורסמו. כאן, השוואה ישירה נעשתה על ידי לימוד הבדלים בפרוטוקולים דור אורגנואיד, עם תוצאות שסופקו. ארבע שיטות לדור ארכיטיפי: (1) ללא ECM 2D, (2) ECM 2D, (3) ללא ECM תלת-מיוד, ו-(4) תרבות ECM תלת-מיידה מתוארות. שלושה מבחני ביצועים עיקריים שימשו להערכת דור אורגנואיד האשכים. אלה הם הרכבה עצמית תאית, הכללה של סוגי תאים עיקריים (Sertoli, Leydig, נבט, ותאים פריטבולר), וארכיטקטורת רקמות ממופרת כראוי. מתוך ארבע סביבות שנבדקו, תרביות 2D ECM ו-3D-ECM שנוצרו אורגנואידים עם מורפולולוגיות פנימיות הדומות ביותר לאשכים מקומיים, כולל מידור דה נובו של סוגי תאים צינוריים לעומת תאי בין-עירוניים, פיתוח מבנים דמויי צינור, ותפקוד אנדוקריני ארוך טווח מבוסס. כל השיטות שנבדקו מנוצל לא ממוין, מתלים ראשיים של תאים אשכים murine והשתמשו במשאבי תרבות נגישים בדרך כלל. טכניקות אלה של דור אורגנואידים באשכים מספקות ערכת כלים נגישה ותועתקת ביותר ליוזמות מחקר לתוך אורגנוגנזה אשכים ופיזיולוגיה במבחנה.
אורגנואידים אשכים הם טכניקה חלוצית ללימוד התפתחות האשכים, spermatogenesis, ופיזיולוגיהבמבחנה 1,,2,,3,,4. מספר שיטות נחקרו עבור דור אורגנואיד; אלה כוללים מגוון של מערכות תרבות חוץ-תאיות (ECM) ו-ECM ללא ECM, הן בכיוון דו-ממדי (דו-ממדי) והן בכיוון תלת-ממדי (תלת-ממדי). שיטות ייצור שונות יכולות לקדם אסטרטגיות הרכבה תאיות נפרדות; התוצאה היא רמה גבוהה של השתנות מורפולוגית ופונקציונלית בין מודלים אורגנואידים שפורסמו. מטרת מאמר זה היא לדון במצב הנוכחי של מודלים אשכים במבחנה, ולשמש כתבנית עבור חוקרים עתידיים, בעת עיצוב ניסויי אורגנואיד האשכים. במסגרת המחקר הנוכחי, ארבעה ארכיטיפים שונים של מערכת תרבות מוגדרים ומאופיין בתהליך ניסיוני ותוצאה ביולוגית. אלה כוללים: שיטות תרבות ECM ללא ECM 2D, 3D-ללא ECM ותו לא. האסטרטגיות המוצגות בהן נועדו להיות פשוטות, נגישות ותורמות מאוד בין מעבדות וקבוצות מחקר שונות.
מבחינה היסטורית עבור האשכים, הכינוי “במבחנה”, שימש עבור מספר שיטות תרבות שונות של רקמות אשכים ותאים. אלה כוללים שיטות רקמות אורגנוטיפיקות / תרבות איברים (כלומר, תרבות explant)5,תרבות צינורית סמיניפריתמבודדת 6,תרבות תאהאשכים 7, ושיטותשל מורפוגנזה רקמת דה נובו (כלומר, מבנים ביולוגיים אורגנואידים)1. החקירות הראשונות בזרע חוץ-חוץ-כוכבי בוצעו לפני כ-100 שנה, כאשר תרבות האשכים של הארנבים נתלו ב-19208– ומאוחר יותר ב-1937עם תפוצות עכבר 9. בתוך ניסויים ראשוניים אלה spermatogonia נצפו במידה רבה מנוון לאורך השבוע הראשון של התרבות, אם כי כמה תאים מבדיל meiotically זוהו. מזכיר דוחות היסטוריים אלה, testis explant תרבות התחדשה אופטימיזציה 2011 כדי להפוך טכניקה אפשרית ללימוד האשכיםהוא 10. מאז 2011, תרבות explant הפיקה זרע כשיר פוריות במספר דיווחים11,12,13. עם זאת, בשל ההסתמכות של תרבות explant על צינורות אשכים מקומיים קיימים מראש, אלה ההתקדמות האחרונה מתוארים בצורה מדויקת יותר כדוגמאות של “ex vivo” תפקוד האשכים spermatogenesis, פונקציית רקמות ש נשמרה או חודשה עם הסרת מגופו של אורגניזם. למרות השכיחות שלה בספרות, תחזוקה ארוכת טווח של תאי נבט והידול בתוך explants האשכים מאתגרלשכפל 14 , 15,16,17,18,במיוחד על פני מסגרותזמן מספיק זמן כדי להתבונן באופן מלא זרע חוץית (~ 35 ימיםבעכברים 19 ו 74 בבניאדם 20). זה מסקרן להעריך כי רבים מאותם אתגרים שחוו לפני 100 שנים, עדיין מנוסים בתוך זרע ויו לשעבר היום.
שונה מאשר גישות ויוו לשעבר, אורגנואידים האשכים הם דה נובו מורכב microtissues שנוצר כולו במבחנה ממקורות סלולריים (כלומר, תאי האשכים העיקריים). אורגנואידים אשכים מספקים אסטרטגיה יצירתית לעקוף את ההסתמכות ההיסטורית של השדה על רקמה מקומית קיימת מראש, ולסיכום הביולוגיה האשכים לחלוטין במבחנה. ישנן דרישות מרובות המשותפות על ידי רוב מודלים רקמת אורגנואיד; אלה כוללים (1) מורפולוגיה או ארכיטקטורה של רקמות vivo-mimetic, (2) סוגי תאים עיקריים מרובים של הרקמה המיוצגת, (3) הרכבה עצמית או ארגון עצמי בדורם, ו-(4) את היכולת לדמות רמה מסוימת של תפקוד הרקמה המיוצגתופיזיולוגיה 21,22,23,,24. עבור האשכים, זה יכול להיות נתפס בארבעה סימני היכר עיקריים: (1) הכללה של סוגי תאי אשכים עיקריים, נבט, Sertoli, Leydig, peritubular, ותאים interstitial אחרים, (2) הרכבת רקמות בהכוונה תא, (3) מתאים ממודר סוגי תאים לתאים צינוריים נפרדים (נבט וSertoli) ואזורים interstitial (כל סוגי התאים האחרים), ו (4) מידה מסוימת של תפקוד רקמות (למשל, הפרשת הורמון הרבייה או תגובות רקמות, ותחזוקת תא נבט ושונות). בהתחשב באתגרים ההיסטוריים בשמירה על בידול תאי הנבט אקס ויוו ובמבחנה, היוון של ארכיטקטורות אשכים vivo-mimetic (כלומר, מבנים הדומים צינורות סמיניפרים) עם סמנים נוספים מציע סימולציה של פיזיולוגיה אשכים (למשל, פונקציה אנדוקרינית), הם אבני דרך עדיפות לקראת יצירת איברים אשר עשוי יום אחד לקיים במבחנה spermgenesis.
רוב שיטות האורגנואידים האשכים שפורסמו לנצל ECM זמין מסחרית (למשל, קולגן או קניינית ניסוחים ECM)25,26,27 או ECMs ממקור מותאם אישית (כלומר, אשכים decellularized נגזר ECM הידרוג’לים)28,,29,30. ECM אקסוגני מקדם היווצרות רקמת דה נובו באמצעות מתן פיגומים תומכים הרכבה עבור יצירת רקמות. שיטות ECM העניקו רמה מרשימה של היווצרות רקמות, כולל כמה נוכחות תא נבט מורפולוגיה רקמות-mimetic25,28. עם זאת, ECMs הם משתמשים אינם תמיד זמינים אוניברסלית (כלומר, הידרוג’לים נגזר ECM decellularized), ושיטות מסוימות דורשות ג’ל מתוחכם ותאים זריעה כיוונית (למשל, מעברי צבע תלת שכבתיים של ECM והדפסה 3D)25,,31,,32. שיטות ללא פיגומים (למשל, צניפה תלויה וצלחות תרבות לא דביקות)33,34,35יצרו גם אורגנואידים חזקים ותו לא רקים ללא צורך בג’לים או פיגומים של ECM. עם זאת, מורפולוגיה רקמות של אורגנואידים אלה ללא פיגומים הוא לעתים קרובות שונה במבחן vivo, ורוב הדיווחים האלה לשלב תוסף ECM ביוכימיכדי לקדם היווצרות רקמות 33,34,36, או לחילופין, להסתמך על צנטריפוגה עבור צנטריפוגה של תאיםכפויים וקומפקטיות 34, מה שהופך אותם פחות אידיאליים ללימוד הגירה מכוונת תא וארגון עצמי.
ארבע שיטות דור האורגנואידים המוצגות בכתב יד זה כוללות הן אסטרטגיות תלויות ECM והן אסטרטגיות עצמאיות, שכל אחת מהן משתמשת בזרעת תאים פשוטה המאפשרת תצפית על הרכבה עצמית של אורגנואידים מונחי תאים. ניתן לבצע את כל ארבע הטכניקות מאותן מתלי תאים או לעשות שימוש באוכלוסיות מועשרות מותאמות אישית וסוג תא. כוחן של שיטות אלה הוא היכולת להתבונן באורגניואידים בהרכבה עצמית בזמן אמת, ולהשוות ישירות את האופן שבו מבנים אשכים מרכיבים את עצמם בין מיקרו-סביבה של תרבות שונה. ההבדלים הפנוטיפיים בין ארבע שיטות תרבות אלה צריכים להיחשב להשפעתם על שאלת המחקר או הנושא של החוקר. כל שיטה מייצרת מבנים ביולוגיים או אורגנואידים בתוך 24 שעות או פחות. לסיכום, השיטות המוצגות כאן מספקות ערכת כלים של טכניקות הרכבה אורגנואידית ללימוד הרכבה אורגנואיד אשכים, פיתוח רקמות, ופיזיולוגיה אשכים במבחנה.
עם השלמת פרוטוקול זה דור אורגנואיד, המשתמש יהיו ארבע טכניקות תרבות שונות זמינות להם להרכבת מבנים אשכים אורגנואידים בסביבות ECM או ECM ללא. חשוב לציין, כל ארבע השיטות מאפשרות לחוקר להתבונן באופן לא פולשני בהרכבה עצמית של אורגנואידים לאורך זמן באמצעות הדמיית זמן או הקלטת וידאו, ולאסוף באופן לא…
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו מומנה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם (NICHD) F31 HD089693, המכון הלאומי למדעי בריאות הסביבה / המרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום (NIEHS/NCATS) UH3TR001207 ו 4UH3ES029073-03, ואת הפרופסור לזכר תומאס J. Watkin.
המחברים רוצים להודות לאריק ו. רות’ על עזרתם במיקרוסקופ אלקטרונים. עבודה זו עשתה שימוש במתקן BioCryo של מרכז NUANCE של אוניברסיטת נורת’ווסטרן, אשר קיבל תמיכה ממשאב ננוטכנולוגיה רכה והיברידית (SHyNE) משאבים (NSF ECCS-1542205); תוכנית MRSEC (NSF DMR-1720139) במרכז לחקר החומרים; המכון הבינלאומי לננוטכנולוגיה (IIN); ו מדינת אילינוי, דרך ה-IIN. הוא גם עשה שימוש בציוד CryoCluster, אשר קיבל תמיכה מתכנית MRI (NSF DMR-1229693). גרפיקה באות 1 תוכננה באמצעות BioRender.com.
0.22 um Media Sterile Filters | Millipore Sigma | scgpu05re | For sterile filtering media |
3βHSD primary antibody | Cosmo Bio Co | K0607 | Leydig cell marker, 1:500 dilution |
AlexaFluor 568 α-Mouse | Thermo Fisher Scientific | A-21202 | Fluorescence-tagged secondary antibody |
AlexaFluor 568 α-Rabbit | Thermo Fisher Scientific | A10042 | Fluorescence-tagged secondary antibody |
Alpha Minimum Essential Medium | Thermo Fisher Scientific | 11-095-080 | Base of culture media |
Collagenase I | Worthington Bio | LS004197 | For dissociation solution 1 |
Corning Matrigel Membrane Matrix, LDEV-free | Corning | 354234 | Extracellular matrix used for casting 2D and 3D ECM culture gels |
Countess Cell counter | Thermo Fisher Scientific | C10227 | Autmated cell counter (hemacytometer machine) |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Thermo Fisher Scientific | C10228 | Hemacytometer slide for use with Countess automated counter |
DDX4 primary antibody | Abcam | 138540 | Spermatogonia marker, 1:500 dilution |
Deoxyribonuclease I (2,280 u/mgDW) | Worthington Bio | LS002140 | For dissociation solution 1 |
DPBS 1X, + CaCl + MgCl | Thermo Fisher Scientific | 14040182 | For reconstituting Hyaluronidase |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline +Ca/+Mg | Thermo Fisher Scientific | 14040117 | PBS |
Embryo Grade H2O | MIllipore Sigma | W1503 | For reconstituting Collagenase I and Dnase I |
Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | For quencing enzyme dissocation solutions |
Follicle stimulating hormone | Abcam | ab51888 | For long-term organoid culture |
Human chorionic gonadotropin | Millipore Sigma | C1063 | For long-term organoid culture |
Hyaluronidase, from bovine testes | Millipore Sigma | H4272 | For dissociation solution 2 |
Inhibin B Enzyme-linked Immunosorbent Assay | Ansh Labs | AL-107 | Inhibin B ELISA Kit |
KnockOut Serum Replacement | Thermo Fisher Scientific | 10828-028 | Serum source for Basal media |
MicroTissues 3D Petri Dish micro-mold spheroids (24-35, 5×7 array) | Millipore Sigma | Z764051 | For 3D ECM-Free organoid fabrication |
Nunc, Lab Tek II Chamber Slide System, 4-well | Thermo Fisher Scientific | 12-565-7 | For 2D ECM-free, and 2D, 3D ECM culture |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15-140-122 | Antibiotic for media |
Richard-Allan Scientific; Histogel, Specimen processing gel | Thermo Fisher Scientific | HG-4000-012 | For aiding paraffin embedding |
SOX9 primary antibody | Millipore Sigma | AB5535 | Sertoli Marker, 1:500 dilution |
Tedklad Global Mouse Chow (Breeder) | Teklad Global | 2920 | Mouse food without phytoestrogens |
Tedklad Global Mouse Chow (Maintenance) | Teklad Global | 2916 | Mouse food without phytoestrogens |
Testosterone Enzyme-linked Immunosorbent Assay | Calbiotech | TE373S | Testosterone ELISA Kit |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | For cell counting |
αSMA primary antibody | Millipore Sigma | A2547 | Peritubular marker, 1:500 dilution |
βCatenin primary antibody | BD Biosciences | 610154 | Sertoli Cytoplasm marker, 1:100 dilution |