כאן, אנו מספקים פרוטוקולים מפורטים, חזקים ומשלימים לביצוע הדמיית צביעה ורזולוציה תת-תאית של מודלים קבועים של תרביות תאים תלת-ממדיות בטווח של 100 מיקרומטר עד מספר מילימטרים, ובכך מאפשרים הדמיה של המורפולוגיה, הרכב סוג התא והאינטראקציות ביניהם.
מודלים תלת-ממדיים של תרביות תאים במבחנה (3D), כגון אורגנואידים וספרואידים, הם כלים רבי ערך עבור יישומים רבים, כולל פיתוח ומידול מחלות, גילוי תרופות ורפואה רגנרטיבית. כדי לנצל מודלים אלה במלואם, חיוני לחקור אותם ברמה התאית והתת-תאית. עם זאת, אפיון מודלים כאלה של תרביות תאים תלת-ממדיות במבחנה יכול להיות מאתגר מבחינה טכנית ודורש מומחיות ספציפית לביצוע ניתוחים יעילים. כאן, מאמר זה מספק פרוטוקולים מפורטים, חזקים ומשלימים לביצוע דימות צביעה ורזולוציה תת-תאית של מודלים קבועים של תרביות תאים תלת-ממדיות במבחנה בטווח של 100 מיקרומטר עד מספר מילימטרים. פרוטוקולים אלה ישימים למגוון רחב של אורגנואידים וספרואידים הנבדלים זה מזה בתנאי המוצא של התא, המורפולוגיה והתרבית שלהם. מקצירת מבנה תלת-ממדית ועד ניתוח תמונות, ניתן להשלים פרוטוקולים אלה תוך 4-5 ימים. בקצרה, מבנים תלת-ממדיים נאספים, קבועים, ולאחר מכן ניתן לעבד אותם באמצעות הטבעה של פרפין וצביעה היסטולוגית/אימונוהיסטוכימית, או באמצעות סימון חיסוני ישיר והכנה לניקוי אופטי ושחזור תלת-ממדי (עומק 200 מיקרומטר) במיקרוסקופ קונפוקלי.
במהלך העשורים האחרונים, ההתקדמות בביולוגיה של תאי גזע ובטכנולוגיות תרביות תלת-ממד במבחנה בישרו על מהפכה בביולוגיה וברפואה. מודלים של תאים בעלי מורכבות גבוהה יותר בתלת-ממד הפכו פופולריים מאוד מכיוון שהם מאפשרים לתאים לגדול ולקיים אינטראקציה עם מסגרת חוץ-תאית הסובבת אותם, תוך שחזור הדוק של היבטים של רקמות חיות, כולל הארכיטקטורה שלהם, ארגון התא והאינטראקציות שלהם, או אפילו מאפייני הדיפוזיה. ככאלה, מודלים תלת-ממדיים של תרביות תאים יכולים לספק תובנות ייחודיות על התנהגות תאים ברקמות מתפתחות או חולות במבחנה. אורגנואידים וספרואידים הם שניהם מבנים תלת-ממדיים רב-תאיים, הנעים בין מספר מיקרומטרים למילימטרים, והם הבולטים ביותר במבנים תלת-ממדיים במבחנה. שניהם יכולים להיות מתורבתים בתוך פיגום תומך, כולל (i) הידרוג’ל שמקורו בבעלי חיים (תמצית קרום מרתף, קולגן), צמחים (alginate/agarose), או מסונתז מכימיקלים, או (ii) מטריצות אינרטיות המכילות נקבוביות כדי לקדם שגשוג תאים וצמיחה.
אורגנואידים וספרואידים יכולים גם להתפתח ללא נוכחות של פיגום תומך על ידי הסתמכות על תאים להרכבה עצמית לאשכולות. זה מסתמך על טכניקות שונות כגון שימוש בחומרים לא דביקים כדי לעכב התקשרות תאים, מתח פני השטח וכוח הכבידה (למשל, טכניקות נפילה תלויה), או סיבוב מעגלי קבוע של כלי דם (למשל, תרבית ספינר). בכל המקרים, טכניקות אלה מקלות על אינטראקציות תא-תא ומטריצת תאים כדי להתגבר על המגבלות של תרבית תאים חד-שכבתית מסורתית1. המונחים “אורגנואידים” ו”ספרואידים” שימשו לסירוגין בעבר, אך ישנם הבדלים מרכזיים בין שני מודלים אלה של תרביות תאים תלת-ממדיות. אורגנואידים הם צבירי תאים תלת-ממדיים במבחנה שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים או תאי גזע ספציפיים לרקמות, שבהם תאים מתארגנים באופן ספונטני לאבות ולסוגי תאים ממוינים ואשר משחזרים לפחות חלק מהפונקציות של האיבר המעניין2. ספרואידים מהווים טווח רחב יותר של מבנים תלת-ממדיים רב-תאיים הנוצרים בתנאים לא נצמדים ויכולים לנבוע ממגוון גדול של סוגי תאים כגון קווי תאים אימורטליים או תאים ראשוניים3. לפיכך, הטבועים במקורם הפנימי של תאי גזע, לאורגנואידים יש נטייה גבוהה יותר להרכבה עצמית, כדאיות ויציבות מאשר ספרואידים.
עם זאת, למעשה, שני מודלים אלה הם מבנים תלת-ממדיים המורכבים מתאים מרובים, ולכן הטכניקות שפותחו כדי לחקור אותם דומות מאוד. לדוגמה, גישות הדמיה חזקות ברמת הרזולוציה של תא בודד נחוצות כדי לחקור את המורכבות התאית הן של אורגנואידים והן של ספרואידים. כאן, על ידי סיכום המומחיות של קבוצה זו ושל מובילים בתחום האורגנואידים4, מאמר זה מתאר הליכים מפורטים לביצוע צביעה דו-ממדית (דו-ממדית) ותלת-ממדית של הרכבה מלאה, הדמיה וניתוח של ההרכב התאי והתת-תאי והארגון המרחבי של אורגנואידים וכדורואידים בטווח שבין 100 מיקרומטר למספר מילימטרים. ואכן, הליך זה מציג שני סוגים שונים ומשלימים של צביעה ורכישת הדמיה כדי לנתח מגוון רחב של גדלים וסוגים של מודלים תלת ממדיים של תרביות תאים במבחנה. השימוש באחד (3D whole-mount analysis) או השני (2D section analysis) יהיה תלוי במודל שנלמד ובתשובות המבוקשות. ניתוח תלת-ממדי של כל הרכבה באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי יכול, למשל, להיות מיושם כדי להמחיש תאים בתרבית תלת-ממדית בעומק של עד 200 מיקרומטר, ללא קשר לגודל הכולל של המבנה התלת-ממדי, ואילו ניתוח של חתכים דו-ממדיים מספק תובנות לגבי דגימות בכל גודל, אם כי ברמה הדו-ממדית. הליך זה יושם בהצלחה במגוון אורגנואידים4,5 וספרואידים שמקורם בתאי אדם ומורין, שמקורם בשכבות נבט עובריות שונות. הסקירה הכללית של ההליך מוצגת באיור 1. מצוינים השלבים העיקריים, היחסים ביניהם, הצעדים המכריעים והעיתוי הצפוי.
איור 1: סקירה סכמטית של ההליך. מודלים של תרביות תאים תלת-ממדיות במבחנה נאספים וקבועים, ולאחר מכן מוכנים לצביעה תלת-ממדית של הר שלם (אפשרות א) או מוטמעים בפרפין עבור חתך וצביעה דו-ממדיים (אפשרות ב). עבור ניסויי צביעה תלת-ממדיים בהרכבה שלמה, מבנים תלת-ממדיים קבועים מסומנים כבעלי תווית חיסונית לאחר שלב הקיבוע. ניתן לבצע שלב ניקוי אופטי אופציונלי לשיפור איכות ההדמיה והעומק של מיקרוסקופ אופטי על ידי הפחתת פיזור האור במהלך עיבוד תמונה. התמונות נלכדות במיקרוסקופ קונפוקלי הפוך או במערכת תוכן קונפוקלית גבוהה ומנותחות באמצעות התוכנה המתאימה. עבור הטבעה פרפין, מבנים תלת ממדיים מעובדים ישירות (אפשרות b.1 עבור מבנים גדולים ≥ 400 מיקרומטר) או כלולים בג’ל (b.2; מבנים קטנים ≤ 400 מיקרומטר) עבור התייבשות והטבעה פרפין. לאחר מכן גושי פרפין נחתכים ומוכתמים (צביעה היסטולוגית או אימונוכימית). תמונות של מקטעים דו-ממדיים מתקבלות בסורק שקופיות דיגיטלי או במיקרוסקופ זקוף ומנותחות על פלטפורמת ניתוח תמונות באמצעות ניתוח כמותי דיגיטלי מהיר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרבית תאים היא כלי חיוני לחשיפת מנגנונים ביולוגיים בסיסיים המעורבים בהתפתחות רקמות ואיברים, תפקוד, התחדשות ושיבוש ומחלות. למרות שתרבית תאים דו-ממדית חד-שכבתית שלטה, המחקר האחרון עבר לתרביות המייצרות מבנים תלת-ממדיים המשקפים יותר תגובות תאיות in vivo, בעיקר בשל ארגון מרחבי נוסף ומגעים בין תאים המשפיעים על ביטוי גנים והתנהגות תאית ולכן יכולים לספק נתונים מנבאים יותר7. עם זאת, נותרו אתגרים רבים, כולל הצורך בטכניקות צביעה והדמיה ידידותיות למשתמש לצורך הדמיה מיקרוסקופית מפורטת והערכה של מבנים תלת-ממדיים מורכבים ברמה התאית והתת-תאית. בהקשר זה, ניתנו פרוטוקולים מפורטים, חזקים ומשלימים לביצוע צביעה והדמיה ברזולוציה תאית ותת-תאית של מודלים קבועים של תרביות תאים תלת-ממדיות במבחנה שגודלם נע בין 100 מיקרומטר למספר מילימטרים.
הליך זה מציג שתי אסטרטגיות שונות להתמודדות עם מגוון רחב של גדלים וסוגים של מודלים תלת-ממדיים של תרביות תאים במבחנה. הבחירה של אחד (3D All-mount analysis) או השני (2D sectioning analysis) יהיה תלוי במודל שבו נעשה שימוש והנושא נחקר. ניתוח תלת-ממדי של כל ההרכבה על ידי מיקרוסקופ קונפוקלי מאפשר הדמיה של תאים עם שדה עומק של עד 200 מיקרומטר, ללא קשר לגודל הכולל של המבנה התלת-ממדי, בעוד שחתך דו-ממדי חל על דגימות בכל גודל, אך ויזואליזציה נשארת דו-ממדית. להלן כמה הצעות לפתרון בעיות ולשיקולים טכניים.
אובדן מבנים תלת-ממדיים במהלך זרימת העבודה הוא החיסרון הנפוץ ביותר. הם יכולים להישאר דבקים בקצוות וצינורות, ולכן טיפים וצינורות ציפוי מראש עם פתרון PBS-BSA 0.1% הוא המפתח. יתר על כן, חיוני לתת למבנים התלת-ממדיים לשקוע בין שינויים מגיבים ולבצע את כל הפיפטינג בזהירות רבה. כפי שהוזכר בהליך, עבור כל השלבים, אם שקיעת מבנה תלת מימד ארוכה מדי, ניתן לסובב תאים בעדינות ב 50 × גרם במשך 5 דקות ב- RT. בהתאם למטרת המחקר, יש לשקול את היתרונות / חסרונות של צעד מסתובב כזה מכיוון שצנטריפוגה יכולה לסכן את צורת המבנים התלת-ממדיים. יתר על כן, יש להקפיד לשמר מורפולוגיה זו במהלך שלב הקיבוע מכיוון שאורגנואידים ציסטיים נוטים לקרוס. תיקון מבנים שגודלם מתחת ל-400 מיקרומטר אמור למנוע שינויים מבניים.
עבור תיוג חיסוני אופטימלי, התאוששות של אורגנואידים מהמטריצות התלת-ממדיות שלהם היא צעד מכריע. המטריצה התלת-ממדית יכולה לעכב חדירת נוגדנים נאותה או להוביל לצביעת רקע גבוהה בגלל קשירה לא ספציפית למטריצה. הסרת ECM עשויה לשנות את המורפולוגיה של המקטעים החיצוניים של אורגנואידים (במיוחד במקרה של בליטות תאיות קטנות המשתרעות ממבנים תלת-ממדיים נחקרים) ולעכב חלקית ניתוחים. עבור מבנים תלת ממדיים כאלה, המטריצה יכולה להישמר לאורך כל ההליך; עם זאת, יש להתאים בקפידה את תנאי התרבית לגידול תאים בכמות מינימלית של מטריצה כדי למנוע חדירה לא מספקת של תמיסות ונוגדנים ולהימנע מצעדי שטיפה רצופים שמטרתם להפחית רעשי רקע מוגזמים 6,8.
שלב הניקוי האופטי המתואר בפרוטוקול זה בסעיף צביעת ההרכבה התלת-ממדית הרלוונטית להדמיה של מבנים תלת-ממדיים בעומק של עד 150-200 מיקרומטר במקום 50-80 מיקרומטר ללא ניקוי. בהשוואה למתודולוגיות סליקה אחרות הדורשות לעתים קרובות מספר שבועות ושימוש בחומרי סליקה רעילים, בפרוטוקול 4,9 זה נעשה שימוש בשלב סליקה מהיר ובטוח שפורסם בעבר. בנוסף, שלב ניקוי זה הפיך, וניתן להוסיף נוגדנים חדשים לצביעה הראשונית ללא אובדן רזולוציה או בהירות4. עם זאת, בהתאם למודל תרבית התאים התלת-ממדי שנחקר, עומק של 150-200 מיקרומטר עשוי שלא להספיק כדי לדמות את המבנה התלת-ממדי בצורה אינפורמטיבית, ופרוטוקול ניקוי זה יכול לגרום לשינויים במורפולוגיה הכללית של אורגנואידים חד-שכבתיים כדוריים עם לומןגדול 4. על המשתמשים לתכנן בקפידה את הניסוי שלהם, ובמידת הצורך, לייעל את העיתוי של שלב החדירה/חסימה (כדי לאפשר חדירה של נוגדנים ותמיסה), שלב הניקוי (כדי לחדור עמוק יותר מ-200 מיקרומטר, הדגימות צריכות להיות מנוקות לחלוטין) ורכישת תמונה. שתי הטכנולוגיות הנפוצות ביותר הזמינות במתקני הליבה יהיו יריעות אור ומיקרוסקופ קונפוקלי. המשתמשים יצטרכו לבחור בקפידה טכנולוגיה המבוססת על גודל המבנים התלת-ממדיים שלהם והשאלה הביולוגית שלהם10. עם זאת, בהשוואה למיקרוסקופ קונפוקלי, רזולוציית מיקרוסקופ יריעות האור המתקבלת עבור מבנים עמוקים כאלה נותרה תת-אופטימלית לקבלת רזולוציה תת-תאית.
כאן דווח על תהליך מפורט וחזק המוקדש להטמעת פרפין של דגימות בודדות. מעניין לציין כי גבריאל ועמיתיו פיתחו לאחרונה פרוטוקול להטמעת תרביות תאים תלת-ממדיות בפרפין עם תפוקה מוגברת. הם השתמשו בתבנית פולידימתילסילוקסאן (PDMS) כדי לכלוא 96 מבנים תלת-ממדיים בתבנית מיקרו-מערך בבלוק אחד, וסיפקו פרספקטיבות חדשות למחקרים על מודלים תלת-ממדיים של גידולים שהקיפו יותר קבוצות, נקודות זמן, תנאי טיפול ושכפול11. עם זאת, שיטה זו דורשת מיומנויות ומכונות נרחבות, בעיקר לייצור התבנית המוקדמת המשמשת ליצירת תבניות PDMS.
לסיכום, מאמר זה מתאר שתי גישות שונות, משלימות וניתנות להתאמה המאפשרות קבלת מידע מדויק וכמותי על ההרכב האדריכלי והתאי של מודלים סלולריים תלת-ממדיים. שני הפרמטרים חיוניים לחקר תהליכים ביולוגיים כגון הטרוגניות תאית תוך-גידולית ותפקידה בעמידות לטיפולים.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי פרס רוברט ג’יי ארצ’י לחדשנות #604303 של סנט בולדריק.
Equipment | |||
Biopsy pad Q Path blue | VWR | 720-2254 | |
Cassettes macrostar III Blc couv. Char. x1500 | VWR | 720-2233 | |
Cassette microtwin white | VWR | 720-2183 | |
Chemical hood | Erlab | FI82 5585-06 | |
Filter tips 1000 µL | Star lab Tip-One | S1122-1730 | |
Fine forceps | Pyramid innovation | R35002-E | |
Flat-bottom glass tubes with PTFE lined 2 mL | Fisher Scientific | 11784259 | Excellent for environmental samples, pharmaceuticals and diagnostic reagents. PTFE is designed for the ultimate in product safety. PTFE provides totally inert inner seal and surface facing the sample or product. |
Glass bottom dish plate 35 mm | Ibedi | 2018003 | |
Horizontal agitation | N-BIOTEK | NB-205 | |
Incubator prewarmed to 65 °C | Memmert Incubator | LAB129 | |
Inox molds 15×15 | VWR | 720-1918 | |
Microscope Slides Matsunami TOMO-11/90 | Roche diagnostics | 8082286001 | these slides are used for a better adhesion of sections |
Microtome | Microm Microtech France | HM340E | |
Panoramic scan II | 3dhistech | 2397612 | |
Paraffin embedding equipment | Leica | EG1150C | |
Plastic pipette Pasteur 2 mL | VWR | 612-1681 | |
Q Path flacon 150mL cape blanc x250 | VWR | 216-1308 | Good for environmental samples, pharmaceuticals and diagnostic reagents. Polypropylene (PP) are rigid, solid, provide excellent stress crack and impact resistance and have a good oil and alcohol barrier and chemical resistance. PE-lined cap is stress crack resistant and offers excellent sealing characteristics. |
Set of micropipettors (p200, p1000) | Thermo Scientific | 11877351 (20-200) 11887351(p1000) | |
OPERA PHENIX | PerkinElmer | HH14000000 | |
SP5 inverted confocal microscope | Leica | LSM780 | |
Tissue cassette | VWR | 720-0228 | |
Zeiss Axiomager microscope | Leica | SIP 60549 | |
Reagent | |||
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A7030-100G | |
Cytoblock (kit) | Thermofisher Scientific | 10066588 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 57648266 | CAUTION: toxic and flammable. Vapors may cause irritation. Manipulate in a fume hood. Avoid direct contact with skin. Wear rubber gloves, protective eye goggles. |
Eosin aqueous 1% | Sigma-Aldrich | HT110316 | |
Ethanol 96% | VWR | 83804.360 | CAUTION: Causes severe eye irritation. Flammable liquid and vapor. Causes respiratory tract irritation. Manipulate in a fume hood. Wear protective eye goggles. |
Ethanol 100% | VWR | 20821.365 | CAUTION: Causes severe eye irritation. Flammable liquid and vapor. Causes respiratory tract irritation. Manipulate in a fume hood. Wear protective eye goggles. |
Formalin 4% | Microm Microtech France | F/40877-36 | CAUTION: Formalin contains formaldehyde which is hazardous. Manipulate in a fume hood. Avoid direct contact with skin. Wear rubber gloves and protective eye goggles. |
Fructose | Sigma-Aldrich | F0127 | |
Gill hematoxylin type II | Microm Microtech France | F/CP813 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | 500 mL |
Hoechst 33342 | Life Technologies | H3570 | CAUTION: Suspected of causing genetic defects. Avoid direct contact with skin. Wear rubber gloves and protective eye goggles. |
Normal donkey serum | Sigma-Aldrich | D9663 | 10 mL |
Paraffin Wax tek III | Sakura | 4511 | |
Phosphate Buffer Saline (PBS) 1 X | Gibco | 14190-094 | |
Tris-Buffered Saline (TBS) 10X | Microm Microtech France | F/00801 | 100 mL |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8532 | CAUTION: Triton X100 is hazardous. Avoid contact with skin and eyes. |
Xylene | Sigma-Aldrich | 534056 | CAUTION: Xylene is toxic and flammable. Vapors may cause irritation. Manipulate in a fume hood. Avoid direct contact with skin. Wear rubber gloves, protective eye goggles. |
Solutions | |||
Clearing solution | Glycerol-Fructose clearing solution is 60% (vol/w) glycerol and 2.5 M fructose. To prepare 10 mL of this solution, mix 6 mL of glycerol and 4.5 g of fructose. Complete to 10 mL with dH2O. Use a magnetic stirrer overnight. Refractive index = 1.4688 at room temperature (RT: 19–23 °C). Store at 4 °C in dark for up to 1 month. | ||
PBS-BSA 0,1% solution | To prepare 0,1% (vol/wt) PBS-BSA 0,1% solution, dissolve 500 mg of BSA in 50 mL of PBS-1X (store at 4°C for up to 2 weeks). And dilute 1mL of this solution into 9mL of PBS-1X. This solution can be used to precoat the tip and centrifugation tube. | ||
Permeabilisation-blocking solution (PB solution) | The PBSDT blocking solution is PBS-1X supplemented with 0.1% – 1% Tritonx-100 (depending on the protein localization membrane/nucleus), 1% DMSO, 1% BSA and 1% donkey serum (or from the animal in which the secondary antibodies were raised). This solution can be stored at 4°C for up to 1 month. | ||
PB:PBS-1X (1:10) solution | PB:PBS-1X (1:10) solution is a 10 time diluted PB solution. To prepare 10 mL of this solution dilute 1 mL of PB solution in 9 mL of PBS-1X. | ||
Software | |||
Halo software | Indicalabs | NM 87114 | |
Harmony software | PerkinElmer | HH17000010 |