Bu protokolde, murine primer epitel kolon monolayerlerinin doğrudan bağırsak mahzenlerinden nasıl üretılacağını açıklıyoruz. Geçirgen filtreler üzerinde birleştirici monolayerler, çizik yarası iyileşmesi ve biyokimyasal çalışmalar için birikme monolayerleri ve immünofluoresans analizi için seyrek ve birleştirici monolayerler üretmek için deneysel yaklaşımlar sunuyoruz.
Bağırsak epitel, bağırsak lümen ve vücudun içi arasında bir bariyer görevi gören tek bir hücre tabakasından oluşur. Bu bariyerin devamlılığındaki bozulma, enflamatuar bağırsak hastalığı gibi enflamatuar bozukluklara neden olabilir. Bağırsak epitel biyolojisi çalışmasındaki sınırlamalardan biri, araştırmacıları karsinomlardan elde edilen model hücre çizgilerini kullanmaya zorunlu kılan birincil hücre kültürü modellerinin eksikliği olmuştur. Üç boyutlu (3D) enteroidlerin ortaya çıkması, epitel biyologlarına birincil hücre kültürleri oluşturmak için güçlü bir araç vermiştir, bununla birlikte, bu yapılar hücre dışı matrise gömülüdür ve farklılaşmış bağırsak epitel hücrelerinin olgunluk özelliğinden yoksundur. Bağırsak epitel monolayerleri oluşturmak için çeşitli teknikler yayınlanmıştır, ancak çoğu süreci zahmetli ve pahalı hale getiren yerleşik 3D enteroidlerden türetilmiştir. Burada, doğrudan murine bağırsak mahzenlerinden birincil epitel kolon monolayerleri oluşturmak için bir protokol açıklıyoruz. Ayrıca geçirgen filtreler üzerinde birleşimli kültürlerin üretilmesi, çizik yarası iyileştirme çalışmaları için birikme monolayer ve immünofluoresans analizi için seyrek ve konfluent monolayerler gibi bu modelle kullanılabilecek deneysel yaklaşımları detaylandırıyoruz.
Bağırsak epitel hücreleri (IEC), mikroorganizmaların ve toksinlerin vücuda girmesini önlerken besin ve su emilimini sağlayan seçici geçirgen bir bariyer oluşturan bağırsakları hizalar 1. Bağırsak mukozası villi adı verilen ışıklı projeksiyonlardan (sadece ince bağırsakta bulunur) ve mahzen adı verilen invajinasyonlardan oluşur. Villi ve kolon kriptlerinin yüzeyi farklılaştırılmış epitel hücreleri ile kaplanırken, mahzenlerin tabanı 3 ila 7 gün arasında bir ciroya sahip olan bağırsak epitelinin hızlı yenilenmesini sağlayan kök hücrelerden oluşur. Bağırsak kök hücreleri (ISC) sadece bağırsak homeostazını korumak için değil, hasarlı epitellerin yeterli onarımı için de önemlidir2.
Bağırsak epitel biyolojisinin incelenmesi, dönüştürülmüş hücre çizgilerinin mevcut tek araç olduğu birincil hücre kültürlerinin eksikliği ile sınırlıydı. Bağırsak epitel modeli hücre çizgileri normal bağırsak epitelinin fizyolojisini doğru bir şekilde çoğaltabilir. ISC’den türetilen 3D kültürlerin gelişimi, bağırsak mukozal biyologlarına in vivo bağırsak mukozal koşullarına benzeyen in vitro modeller sağladı3. Mahzenler, bir bodrum membran matrisi ortamına (örneğin Matrigel) gömülü ve Wnt3a, R-spondin ve Noggin içeren koşullandırılmış ortamda yetiştirilen murine örneklerinden kolayca izole edilebilir ve enteroidler (ince bağırsak) veya kolonoidler (kalın bağırsak) olarak bilinen 3D yapılar üretebilir4. Enteroidler ve kolonoidler, apikal etki alanının bir iç lümenle karşı karşıya olduğu ve bazolateral bölgenin hücre dışı matrisle doğrudan temas halinde olduğu polarize sferoidal yapılardır. Enteroidler ve kolonoidler, Enterositler / Kolonositler, Paneth, Enteroendokrin ve Goblet hücreleri gibi tüm büyük farklı bağırsak epitel alt tiplerini içerir ve bağırsakların5’tenizole edildikleri bölümünde göründükleri ile nispeten aynı oranlarda görünürler. 3D enteroidler ve kolonoidler bağırsak gelişimi ve fizyolojisi çalışmasında önemli bir ilerlemeyi temsil etse de, bu modeller epitel hücrelerinin (lümen) apikal yüzeyine sınırlı erişim ve ilgi moleküllerinin yüksek verimli taramasını elde etmek için kültürleri yukarı veya aşağı ölçeklendirme yeteneği gibi bazı dezavantajlar sunar. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, 3D enteroidlerden/kolonoidlerden elde edilen birincil IEC 2D kültürlerini elde etmek için protokoller oluşturuldu. 2D enteroidler / kolonoidler, tıpkı model hücre çizgilerinin yaptığı gibi hücre tabakası olarak büyür ve bağırsak yarası onarımı, konak-patojen etkileşimleri ve diğerleri arasında rejeneratif tıbbı incelemek için idealdir. Yayınlanan birkaç makale, 3D yapılardan veya doğrudan bağırsak mahzenlerinden 2D monolayerlerin nasıl üretileceğini açıklar (bkz.6,7,8,9,10,11) ancak bu yöntemler emek yoğun ve üremesi zor olma eğilimindedir. Monolayerleri doğrudan yeni izole edilmiş fare bağırsak mahzenlerinden elde etmek için hızlı, basit ve tekrarlanabilir bir yöntem bu protokolde özetlenmiştir.
Burada, minimum nesil döküntü, hücre dışı matris seçimi ve bu teknik için farklı yüzeyler ve uygulamalar ile mahzen çıkarma işlemini ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Bu deneysel yaklaşım kolon mahzenleri için optimize edilmiştir, ancak ince bağırsak için uygulandığında benzer sonuçlar elde edilir.
Protokolümüz, doğrudan birincil 2D IEC monolayerleri oluşturmak için hızlı, tekrarlanabilir ve güvenilir bir yöntem sağlar. Kolon epitel monolayerleri oluşturmak için daha önce yayınlanan protokollere kıyasla protokolümüzdeki temel farklılıklardan biri, mahzenleri özgürleştirmek için kolonu küçük parçalar halinde kesmememizdir. Bunun yerine, bağırsak epitelini mezenkim13’ten ayırmak için bir protokol uyarladık kimyasal ve mekanik kuvvetlerin bir kombinasyonu ile son derece temiz bir preparatta mahzenleri serbest bırakmak için, (Şekil 2), araştırmacıya birincil kültürleri oluşturmak için ideal malzemeyi sağladık. İzolasyon yöntemimiz 3D enteroidler ve kolonoidler üretmek için de kullanılabilir. Kaplanan mahzen sayısını normalleştirmek için her deneme gerçekleştirildiğinde bir mahzen sayımı yapmak önemlidir. Kolon sosisi turgoru, izolasyon hızı, kullanıcı uzmanlığı gibi değişkenler izole edilen mahzen sayısını etkileyebilir. Protokolde belirtilen önerilen kaplama şifreli konsantrasyonu bir başlangıç noktasıdır, ancak kullanıcı odaklı değişkenleri hesaba katacak her kullanıcı bunu en iyi duruma getirmelidir. Bu tekniği 8 ila 20 hafta arasında değişen erkek ve dişi WT farelerle kullandık ve hücre sağkalımında büyük farklılıklar görmedik, teoride genç farelerden izole edilen mahzenlerin hayatta kalma şansı daha yüksektir. Mahzenler, sadece küçük bir yüzdesi yüzeye yapıp hayatta kaldığı için fazla miktarda kaplanır. Kaplamadan bir gün sonra% 50 izdiah edecek kadar mahzenin olduğu, ancak ölen mahzenlerin sitotoksik etkiye sahip olacağı çok fazla mahzenin olmadığı bir denge hedeftir. LWRN medya, ölü mahzenleri ve kalıntıları ortadan kaldırmak için kaplamadan 24 saat sonra dikkatlice çıkarılmalıdır, bu, zaten monolayer olarak büyüyen hücrelerin ayrışmasını önlemek için dikkatlice yapılmalıdır.
LWRN medyasının ilk çıkarılmasından sonra, kullanıcı deneysel koşulların kök hücrelere daha yakın kalan birincil IEC monolayerleri gerektirip gerektirmeyeceğine ve taze LWRN ortamı ekleyip eklemediğine veya monolayer’ın farklılaştırılması isteniyorsa, farklılaşma ortamıyla değiştirin. Bu protokoldeki en önemli faktör, izolasyon işlemi sırasında kolonun bütünlüğünü sağlamaktır. Bir yırtılma meydana gelirse, sosis hasarlı bölgeyi ortadan kaldırmak için kısaltılabilir. Sosisi EDTA’ya koymadan önce düğümlerin mümkün olduğunca sıkı olduğundan emin olun. Sosis EDTA inkübasyonundan sonra söndürülirse, protokol genel mahzen veriminde çok az veya hiç etkisi olmadan devam edilebilir. Tekrar şırınga mevcut değilse, normal bir şırıngaya bağlı normal bir mikropipette ucu da şişirme ve deflasyon işlemi için kullanılabilir. Ayrıca, hücre kurtarma çözümü yoksa, EDTA’da (2mM ince bağırsak, 50 mM kolon) enflasyon ve deflasyon adımları yapılabilir, ancak bu ikame önerilmez. Konfluens gerekli değilse, mahzenler sadece kolajenle kaplanmış plakalarda ve hatta kaplamasız plakalarda büyüyebilir. Sadece kaplamasız plaka kılıfları kullanın Başka bir seçenek yoktur, ancak hücreler kollajen kaplı plakalarda olduğu gibi sağlıklı büyümeyecektir. Kültür sağlığı ve stabilitesi söz konusu olduğunda, plastik kaplama monolayerler 4 ila 5 gün sağlıklıdır, transküllerde kaplanmış monolayerler ise 8 güne kadar taşınabilir.
Bu yöntemin ana sınırlamalarından biri epitel kolon monolayerlerini büyütmek için gereken hücre ortamıdır. LWRN hücreleri ATCC’de mevcuttur, ancak LWRN şartlandırılmış medya üretimi emek yoğundur ve Wnt aktivitesini belirlemek için floresan spektrometreye erişim gerektirir. Farklılaştırma ortamı, kullanımdan önce taze eklenen bir dizi reaktif gerektirir, bu da onu sıkıcı bir işlem haline getirir. Son olarak, bu reaktiflerin çoğu maliyetlidir ve reaktifleri hızlı bir şekilde yakmak kolaydır. Bir laboratuvar bu tekniği önceki bağırsak birincil hücre kültürü olmadan kurmak istiyorsa, deneyime sahip bir işbirlikçi / kolej bulmanız ve üyelerinden birini eğitmeniz şiddetle tavsiye edilir.
3D kültürünün bakımı, bodrum membran matrisi ortamının maliyeti ve organoid kültürleri için gereken yüksek hacimli şartlandırılmış ortam nedeniyle pahalı olabilir, ancak daha az sayıda fare kullanma avantajına sahiptir ve oluşturulan yapılar birçok kez geçilebilir. Enteroidler (ince bağırsaktan türetilmiştir) kolonoidler daha hassasken, daha yavaş bir hızda büyürken ve daha sınırlı bir geçiş kapasitesine sahipken izole etmek ve sürdürmek nispeten kolaydır. 3D kolonoidlerden monolayer üretimi, bu tür deneyleri zaman alıcı ve maliyetli hale getiren orantısız miktarda 3D yapı gerektirir. Aksine, doğrudan epitel kolon monolayer hazırlığı hızlıdır ve sonuçları elde etmenin hızlı bir yoludur. Bir kolon hazırlığı, kaplamadan 2 ila 3 gün sonra 75 cm2 (10 ila 15 mL şartlandırılmış ortam, bir kez değiştirir) bir izdiah alanı oluşturabilir (bu alan, neredeyse 6mL Matrigel ve 250 mL’den fazla koşullandırılmış ortam anlamına gelen 144 3D kolonoid kuyusu gerektirir). Daha düşük ortam tüketimi, hücre kültürünün düşük maliyetli bakımı ve fonksiyonel testler yapma yeteneği ve hızlı aşağı akış işleme epitel kolon monolayerlerinin büyük avantajlarıdır.
Bu protokol, hücre yapışması, polarite ve farklılaşma gibi alanlarda bağırsak epitel hücre biyolojisinin incelenmesinde değerli bir araçtır. Genetiği değiştirilmiş farelerden (nakavt, aşırı ifade, muhabirler) birincil hücre kültürleri üretme avantajı sağlar. Birincil bağırsak epitel monolayerleri, apikal ve bazolateral yüzeylere kolay erişim sağlar (transwells üzerine kaplandığında) farklı hücre tiplerinin geçirgenlik, bariyer ve transepithelial göçünün incelenmesine izin verir. Son olarak, bu model konak-patojen etkileşimleri, epitel hasarı ve onarım ve ilaç keşfi gibi farklı alanlarda yararlı olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Crohn ve Colitis Vakfı Kariyer Geliştirme Ödülü (544599, MQ’ya) ve NIH hibeleri (DK055679, DK089763, DK059888, AN’ye) tarafından desteklendi. Michigan Medicine Çeviri Doku Modelleme Laboratuvarı’na sürekli yardımları ve reaktiflerine ve protokollerine erişimleri için teşekkür ederiz.
Advanced DMEM/F12 | Gibco | 12634-010 | |
Antibiotic Antimycotic solution | Corning | 30-004CI | |
B27 supplement (50X) | Gibco | 12587-010 | |
Cell Recovery Solution | Corning | 354253 | |
Collagen from human placenta (type IV) | Sigma-Aldrich | C5533 | |
D-Sorbitol | Sigma | 85529-250G | |
D-Sucrose | Fisher Scientific | BP220-1 | |
Dulbecco’s phosphate buffered saline, with Ca2+ and Mg2+ (DPBS) | Corning | 21-030-CV | |
Epithelial Volt/Ohm meter | World Precision Instruments | 0-10KΩ with STX2 (EVOM2) | |
Ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) | Lonza | 51201 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-016-CV | |
Firefly Luciferase assay | Biotium | 30085-2 | |
Geneticin | Gibco | 10131-035 | |
GlutaMAX (100X) | Gibco | 35050-061 | |
HEPES (1M) | Corning | 25060CI | |
Human recombinant EGF | R&D systems | 236-EG | Stock Concentration: 500µg/mL |
Human recombinant Wnt-3A | R&D systems | W3a-H-005 | |
Hygromycin B | Invitrogen | 10687010 | |
LWRN cells | ATCC | CRL-3276 | |
Molecular grade water | Corning | 46-000-CV | |
N2 supplement (100X) | Gibco | 17502-048 | |
N-acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich | A9165-5G | Stock Concentration: 500mM |
Noggin | Conditioned media | – | |
Nunc Lab-Tek Chamber slide system | Sigma-Aldrich | C7182-1PAK | |
Pencillin-Streptomycin (10,000U/mL) | Corning | 30002CI | |
Phospahte buffered saline, Ca2+ and Mg2+ free (PBS) | Corning | 21-040-CV | |
Plastic 20G feeding tube | Fisher Scientific | 50-810-46 | |
rh-laminin-521 | Gibco | A29248 | Stock concentration: 100µg/mL |
Roboz Surgical 4-0 Silk Black Braided 100YD | Fisher Scientific | NC9452680 | |
TOPflash HEK293 cells | ATCC | CRL-3249 | |
Transwell Permeable supports (0.4µm) | Corning | 3470 |