Real-time analyse van levend weefsel levert belangrijke functionele en mechanistische gegevens op. Dit artikel beschrijft de protocollen en kritische variabelen om te zorgen voor een nauwkeurige en reproduceerbare generatie van gegevens door een nieuw en pompvrij meerkanaals fluïdisch systeem dat een breed scala aan weefsel- en celmodellen onderhoudt en beoordeelt.
Veel in vitro modellen die worden gebruikt om weefselfunctie en celbiologie te onderzoeken, hebben een stroom van media nodig om voldoende zuurstof en optimale celomstandigheden te bieden die nodig zijn voor het behoud van functie en levensvatbaarheid. Daartoe hebben we een meerkanaals stroomkweeksysteem ontwikkeld om weefsel en cellen in kweek te houden en continu de functie en levensvatbaarheid te beoordelen door middel van in-line sensoren en/of het verzamelen van uitstroomfracties. Het systeem combineert 8-kanaals, continue optische detectie van het zuurstofverbruik met een ingebouwde fractiecollector om tegelijkertijd de productiesnelheid van metabolieten en hormoonsecretie te meten. Hoewel het in staat is om een breed scala aan weefsel- en celmodellen te onderhouden en te beoordelen, waaronder eilandjes, spieren en hypothalamus, beschrijven we hier de werkingsprincipes en de experimentele preparaten/protocollen die we hebben gebruikt om bio-energetische regulatie van geïsoleerd muizennetvlies, retinaal pigmentepitheel (RPE)-choroïde-sclera van muizen en gekweekte menselijke RPE-cellen te onderzoeken. Innovaties in het ontwerp van het systeem, zoals pomploze vloeistofstroom, hebben geleid tot een sterk vereenvoudigde werking van een meerkanaals stromingssysteem. Er worden video’s en afbeeldingen getoond die illustreren hoe het instrument moet worden geassembleerd, voorbereid op een experiment en hoe de verschillende weefsel-/celmodellen in de perifusiekamers moeten worden geladen. Daarnaast worden richtlijnen voor het selecteren van omstandigheden voor protocol- en weefselspecifieke experimenten afgebakend en besproken, inclusief het instellen van de juiste verhouding tussen stroomsnelheid en weefsel om consistente en stabiele kweekomstandigheden en nauwkeurige bepalingen van consumptie- en productiesnelheden te verkrijgen. De combinatie van optimaal weefselonderhoud en real-time beoordeling van meerdere parameters levert zeer informatieve datasets op die van groot nut zullen zijn voor onderzoek in de fysiologie van het oog en de ontdekking van geneesmiddelen voor de behandeling van verminderd gezichtsvermogen.
Perifusiesystemen hebben een lange geschiedenis in de levenswetenschappen. In het bijzonder voor de studie van de secretoire functie door eilandjes, zijn ze gebruikt om de kinetiek van insulinesecretie te karakteriseren als reactie op secretagogen1. Naast het verzamelen van uitstroomfracties voor latere bepaling van hormonen en metabolieten, zijn real-time sensoren ingebouwd, voornamelijk voor de detectie van zuurstofverbruik 2,3,4. Wijdverbreide inspanningen om mechanismen die oogziekten mediëren beter te begrijpen, zijn beperkt door een gebrek aan fysiologisch relevante methoden om metabole regulatie en ontregeling van de verschillende geïsoleerde componenten van het oog te beoordelen, waaronder het netvlies, retinale pigmentepitheliale (RPE)-choroïde-sclera en gekweekte RPE-cellen. Statische systemen die zijn ontworpen voor gekweekte cellen zijn aangepast voor weefsel5, maar weefsel heeft stroming nodig voor voldoende zuurstofvoorziening. Flowsystemen zijn succesvol geweest in het nauwkeurig en reproduceerbaar meten van real-time reacties in zuurstofverbruik (OCR) door het netvlies en RPE-choroide-sclera, en de weefsels blijven metabolisch stabiel gedurende meer dan 8 uur, waardoor zeer informatieve protocollen met meerdere testverbindingen mogelijk zijn 4,6,7,8,9 . Desalniettemin heeft de werking van fluïdische systemen van oudsher een op maat gemaakt apparaat en opgeleid technisch personeel in niet-gestandaardiseerde methodologieën vereist. Dergelijke systemen zijn in de meeste laboratoria niet als standaardmethode aangenomen. De BaroFuse is een nieuw ontwikkeld fluïdisch systeem dat niet afhankelijk is van pompen, maar van gasdruk om de stroom door meerdere kanalen en weefselkamers te drijven (Figuur 1). Elk kanaal wordt continu gecontroleerd op OCR en de uitstroom wordt opgevangen met een plaatgebaseerde fractiecollector voor latere analyse van de inhoud. Belangrijk is dat de weefselperifusiekamers voor het instrument zijn ontworpen om weefsels van verschillende geometrieën en groottes te huisvesten.
Het hart van het instrument is het fluïdische systeem, waarbij de stroom wordt aangedreven van een verzegeld, onder druk staand reservoir door slangen met een kleine binnendiameter (ID) (die bijdragen aan de belangrijkste stromingsweerstand in het vloeistofcircuit) naar de glazen weefselkamers die het weefsel huisvesten. De druk naar de mediareservoirmodule (MRM) wordt geleverd door lagedruk- en hogedrukregelaars die zijn aangesloten op een gasfles die een mengsel van gassen bevat (meestal 21% O 2, 5% CO 2, balans N2), en het reservoir wordt van bovenaf afgesloten door de perifusiekamermodule (PCM) die de weefselkamerassemblages (TCA’s) bevat. Het debiet wordt geregeld door de lengte en ID van de weerstandsbuizen en de drukinstelling van een lagedrukregelaar. Uitstroombuizen die zijn aangesloten op de bovenkant van weefselkamers leveren vloeistof aan een afvalcontainer (die continu wordt gewogen voor automatische bepaling van het debiet) of aan putten van een plaat met 96 putjes die wordt bestuurd door de fractiecollector. Het O2-detectiesysteem meet de levensduur van eenO2-gevoelige kleurstof die aan de binnenkant van elk van de glazen weefselkamers stroomafwaarts van het weefsel is geschilderd. Deze informatie wordt vervolgens gebruikt om de OCR continu te berekenen. Het gehele fluidics-systeem bevindt zich in een temperatuurgecontroleerde behuizing en de gastank, de fractiecollector en de computer zijn de belangrijkste componenten van het instrument (Figuur 2A). Ten slotte dient de software die het instrument bestuurt om de werking ervan te regelen (inclusief de voorbereiding en timing van geïnjecteerde testverbindingen, het stroommeetsysteem en de timing van de fractiecollector), evenals het verwerken en grafieken maken van de OCR-gegevens en andere aanvullende metingen.
In dit artikel beschrijven we de protocollen voor het gebruik van het fluïdische systeem om OCR en lactaatproductiesnelheid (LPR) voor verschillende geïsoleerde componenten van het oog te perifuseren en te beoordelen. LPR is een parameter die de glycolytische snelheid weerspiegelt en die zeer complementair is aan OCR, waarbij het paar verantwoordelijk is voor de twee belangrijkste takken van energieopwekking uit koolhydraten in de cel10. Aangezien de voorbereiding van het weefsel en het laden ervan in de weefselkamers het beste kan worden geleerd door de procedure te bekijken, zal de video helpen bij het illustreren van verschillende van de kritieke stappen die worden uitgevoerd tijdens het instellen en bedienen en die niet gemakkelijk kunnen worden overgebracht door tekst alleen.
De beschrijving van het protocol is opgedeeld in 8 secties die overeenkomen met verschillende fasen van het experiment (Figuur 2B): 1. pre-experimentele voorbereiding; 2. bereiding/evenwicht van het perifusaat; 3. Opzetten van het instrument; 4. weefselevenwicht; 5. experimenteel protocol; 6. instrument defect; 7. Gegevensverwerking; en 8. Analyse van uitstroomfracties.
Vanwege het belang van bio-energetica in alle aspecten van de celfunctie en het onderhoud van verschillende componenten van het oog, is er een kritieke behoefte aan methoden om de regulatie ervan te bestuderen. In het bijzonder zijn neuraal netvlies en RPE afhankelijk van het metabolisme voor zowel energieopwekking als intra- en intercellulaire signalering14,15,16,17. Vanwege hun hoge oxidatieve capaciteit worden geïsoleerde weefsels van het oog niet goed onderhouden onder statische omstandigheden18,19 en daarom vereist de studie van geïsoleerde componenten van het oog stroomsystemen die metabolische processen zowel kunnen handhaven als beoordelen. Het fluïdica-systeem is ontwikkeld om OCR- en LPR-gegevens te genereren van een breed scala aan weefseltypes en in dit artikel hebben we gedetailleerde protocollen gepresenteerd die optimale resultaten bleken te produceren.
De belangrijkste bepalende factor voor het genereren van robuuste gegevens met behulp van het stroomsysteem omvat pre-equilibratie van op CO2 gebaseerde media/buffer bij 39 °C (om ervoor te zorgen dat perifusaat niet oververzadigd raakt met opgelost gas dat tijdens het experiment zou ontgassen). Met name media of KRB-buffers die bij 4 °C zijn opgeslagen, zullen oververzadigd zijn ten opzichte van 37 °C en zullen tijdens het experiment ontgassen als de pre-equilibratietijden onvoldoende zijn. Bovendien mag weefsel dat in de weefselkamers wordt geladen, niet worden getraumatiseerd door onjuiste isolatie van weefsel als gevolg van scheuren of onvolledige scheiding van weefsel, of door weefsel in een lage hoeveelheid op bicarbonaat gebaseerde buffer te lang bloot te stellen aan atmosferische lucht. De temperatuurregeling, stromingsstabiliteit en betrouwbaarheid van O2-detectie hebben weinig variabiliteit en deze factoren dragen niet significant bij aan het uitvalpercentage.
Het instrument heeft acht stroomkanalen/weefselkamers die gelijktijdig lopen en die worden gevoed met perifusaat uit twee reservoirs, vier weefselkamers voor elk reservoir. Om het meest nauwkeurige verloop van OCR te krijgen, worden kinetische curven volgens de basislijn gecorrigeerd door kamers die niet met weefsel zijn belast. Een typisch experimenteel protocol zou dus twee groepen van drie weefselkamers omvatten. Protocollen vallen in het algemeen in twee categorieën: de ene zijn de verschillende protocollen voor testverbindingen aan elke kant (bijvoorbeeld geneesmiddel/vehiculum aan de ene kant van de MRM en alleen vehiculum aan de andere kant); de tweede is hetzelfde injectieprotocol voor testverbindingen aan beide zijden van de MRM, maar aan elke kant van de MRM een ander weefsel of weefselmodel. In dit artikel werden de effecten van oligomycine en FCCP op het netvlies vergeleken met OCR door weefsel dat niet werd blootgesteld aan testverbindingen, en twee weefsels werden gelijktijdig beoordeeld volgens hetzelfde protocol en dezelfde omstandigheden om weefselspecifiek gedrag te identificeren. Dit laatste werd in deze studie geïllustreerd door in hetzelfde experiment een verhoogd dynamisch bereik van de stofwisseling door RPE-choroïde-sclera ten opzichte van het netvlies parallel aan te tonen. Andere rapporten hebben een breder scala aan onderzoeksontwerpen beschreven, waaronder het meten van de effecten variërend van O2-niveaus op OCR en LPR, en concentratie-afhankelijkheden van brandstoffen, medicijnen en toxines20,21. Bovendien, hoewel we de analyse van uitstroomfracties hebben beperkt tot het meten van lactaat en het berekenen van LPR, neemt de informatie-inhoud van een experiment sterk toe als meerdere verbindingen en klassen van verbindingen in de uitstroomfracties worden getest, zoals hormonen, neurotransmitters, celsignalen en metabolieten die de cellen kunnen verlaten20,22, 23. okt.
Het laden van geïsoleerd netvlies of RPE-choroide-sclera is eenvoudig, en eenmaal geïsoleerd worden deze weefsels eenvoudig met een pincet in de bovenkant van de weefselkamers geplaatst en naar de fritte laten zinken. RPE-cellen gekweekt op filterinzetstukken ontwikkelen de juiste polarisatie en markers van RPE-rijpheid na 4-8 weken in kweek. Het is niet haalbaar om de RPE te verwijderen voor analyse van levende cellen zodra deze aan het transwellmembraan is bevestigd, als de rijpheid en polarisatie van de RPE moeten worden gehandhaafd24. De perifusiekamer is geschikt voor stroken van het transwellmembraan die met een scalpel worden doorgesneden terwijl ze in buffer worden ondergedompeld en snel in de weefselkamers worden ingebracht. Hoewel het snijden van filterstrips in een statisch systeem is geplaatst24, is er geen andere fluïdische methode beschikbaar om deze belangrijke celtypen te beoordelen. De reacties van RPE-cellen waren snel en dynamischer dan het netvlies of de RPE-choroide-sclera, waarschijnlijk gedeeltelijk als gevolg van onmiddellijke toegang tot zowel de apicale als de basale aspecten van de RPE-cellen die zijn geconfigureerd als een monolaag op het membraaninzetstuk.
Een andere factor om ervoor te zorgen dat gegevens het hoogste signaal-ruispercentage hebben, is het selecteren van de optimale verhouding van weefsel dat in de perifusiekamers wordt geladen ten opzichte van de stroomsnelheid. Te weinig weefsel ten opzichte van het debiet resulteert in een verschil in opgelosteO2-concentratie tussen instroom en uitstroom dat zeer klein is en moeilijk betrouwbaar te meten. Als de stroom daarentegen te langzaam is, wordt de concentratie van O2 zo laag dat het weefsel wordt aangetast door hypoxie. Desalniettemin kan de gasdrukgestuurde vloeistofstroom worden gehandhaafd op stroomsnelheden tot 5 ml/min, waarbij slechts kleine hoeveelheden weefsel nodig zijn voor nauwkeurige OCR- en LPR-metingen. In de hier getoonde experimenten werd ongeveer 20 ml/min/kanaal gebruikt, wat geschikt was voor één netvlies, twee RPE-choroïde-sclera’s of 360.000 RPE-cellen. Om de systeemeffecten te minimaliseren die de blootstelling van het weefsel aan de geïnjecteerde teststof vertragen en verspreiden, worden meerdere maten van de weefselkamers geleverd, zodat de hoeveelheid weefsel (en stroomsnelheid) is afgestemd op de juiste grootte van de kamer.
Gegevens uit de analyses in dit artikel werden op twee manieren weergegeven: absolute grootte ten opzichte van de snelheid, of fractionele veranderingen ten opzichte van een steady-state of baseline. De nadruk lag op het illustreren van het meten van responsen op testverbindingen. Het fluïdische systeem is echter zeer geschikt om effecten van weefselbehandeling voorafgaand aan de perifusieanalyse, zoals genetische modificaties, te beoordelen en te vergelijken. Testen of een behandeling verschilt van de controle, is het meest robuust als de effecten van de behandeling op genormaliseerde responsen van testverbindingen worden geanalyseerd. Als de analyse absolute grootheden vereist, wordt de statistische kracht van de analyses van voorbehandelde monsters gemaximaliseerd als hun beoordeling en controles in hetzelfde perifusie-experiment worden uitgevoerd.
Met uitzondering van de roerder worden alle onderdelen die in contact komen met vloeistof door de fabrikant geleverd als verbruiksartikelen en zijn ze gesteriliseerd. Deze onderdelen mogen niet opnieuw worden gebruikt, omdat experimenten af en toe verloren gaan door onvolledige reiniging en vervuilde oppervlakken. Het systeem aan het begin van de installatie is steriel. Er worden echter media aan de MRM toegevoegd en weefsel wordt onder niet-steriele omstandigheden in de kamers geladen. We hebben OCR gemeten in het systeem dat is samengesteld met onderdelen die steriel zijn, maar waarbij het experiment zelf onder niet-steriele omstandigheden wordt uitgevoerd. Het duurt ongeveer 14 uur voordat bacteriën zich ophopen tot het punt dat ze meetbare OCR hebben (niet-gepubliceerde resultaten). Als protocollen worden gebruikt die minder dan 10 uur duren, zijn de ophoping van bacteriën en eventuele effecten als gevolg hiervan verwaarloosbaar.
Veel onderzoekers gebruiken instrumenten die zijn ontworpen om OCR te meten onder statische incubatie van een monolaag van cellen met een relatief hoge doorvoer25,26. Daarentegen houdt het fluïdische instrument dat we in dit artikel hebben getest en beschreven, het weefsel in stand door te zorgen voor een adequate O2-afgifte, wat van cruciaal belang is voor de grotere diffusieafstanden die aanwezig zijn in weefselmonsters. Bovendien is het in staat om breuken te verzamelen, waardoor meerdere parameters parallel met OCR kunnen worden beoordeeld, wat het vermogen om relaties tussen hen te bestuderen aanzienlijk verbetert. Ten slotte kunnen opgeloste gasconcentraties (zoals O 2 en CO 2) worden gecontroleerd, waardoor de duur van experimenten met bicarbonaatgebaseerde media en buffer wordt verlengd, waardoor de gebruiker de effecten van O2 kan bestuderen. Opgemerkt moet worden dat een beperking voor beide methodologieën het onvermogen is om het uitspoelen van testverbindingen te bestuderen, een functionaliteit die andere perifusiesystemen hebben 4,27,28. Een andere overweging bij het bepalen van de optimale analysemodaliteit is het feit dat fluïdische systemen meer media en testverbindingen gebruiken dan statische systemen. De extra kosten worden echter geminimaliseerd met de huidige fluïdische systemen vanwege de lage stroomsnelheden die het systeem kan gebruiken.
In het algemeen wordt een gedetailleerde beschrijving gegeven van de protocollen om experimenten uit te voeren met een nieuw flow/assessment instrument. Gegevens gegenereerd met retina en RPE-choroide-sclera recapituleerden eerdere resultaten die zijn verkregen met systemen die veel moeilijker te gebruiken zijn (en niet direct beschikbaar). Er werd ook aangetoond dat het systeem RPE-cellen kan onderhouden en beoordelen die zijn bevestigd aan transwellmembranen, een zeer belangrijk cellulair model dat niet eerder is geanalyseerd met flowsystemen vanwege de kwetsbaarheid van de cellen. De belangrijkste onderdelen van het protocol bestaan uit een insteltijd van 75 minuten, gevolgd door een evenwichtsperiode van 90 minuten en het experimentele protocol waardoor het geschikt is voor routinematig gebruik door laboratoria die niet gespecialiseerd zijn in de werking van fluïdische systemen. Hoewel we ons hebben gericht op het meten van de acute respons van weefsel op testverbindingen, is het systeem zeer geschikt om weefsel uit verschillende bronnen te vergelijken, zoals diermodellen of celmodellen die genetisch zijn veranderd of testbehandelingen/omstandigheden hebben ondergaan. Bovendien is de reikwijdte van de tests die kunnen worden uitgevoerd op de uitstroomfracties breed en omvatten ze metabolieten, celsignaalmoleculen en uitgescheiden hormonen/neurotransmitters, evenals multicomponentenanalyse gegenereerd door massaspectrometrie op zowel de fracties als het weefsel.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gefinancierd door subsidies van de National Institutes of Health (R01 GM148741 I.R.S.), U01 EY034591, R01 EY034364, BrightFocus Foundation, Research to Prevent Blindness (J.R.C.) en R01 EY006641, R01 EY017863 en R21 EY032597 (J.B.H.).
BIOLOGICAL SAMPLES | |||
C57BL/6J mice | Envigo Harlan (Indianapolis, IN) | N/A | |
REAGENTS | |||
FCCP | Sigma-Aldrich | C2920L9795 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G8270G | |
KCN | Sigma-Aldrich | 60178 | |
Lactate | MilliporeSigma | L6661 | |
Oliigomycin A | Sigma-Aldrich | 75351L9795 | |
CELL CULTURE AND TISSUE HARVESTING | |||
Beuthanasia-D | Schering-Plough Animal Health Corp., Union, NJ | N/A | |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A3059 | |
Euthasol, 390 mg/ml sodium pentobarbital | Virbac | RXEUTHASOL | |
Fetal bovine serum | Sigma-Aldrich | 12303C | |
Hank’s Buffered Salt Solution | GIBCO | 14065056 | |
Krebs Ringer Bicarbonate (KRB) | Thermo Fisher Scientific | J67795L9795 | |
Matrigel | ThermoFisher | #CB-40230 | |
Penicillin-streptomycin | ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
ROCKi | Selleck Chemicals | Y-27632 | |
Trypsin-EDTA | ThermoFisher | #25-200-072 | |
SUPPLIES | |||
Gas Cylinders: 21% O2/5% CO2/balance N2 | Praxair Distribution, Inc | N/A | |
Transwell filters | MilliporeSigma | 3470 | |
COMMERCIAL ASSAYS | |||
Amplex Red Glucose/Glucose Oxidase Assay Kit | ThermoFisher | A22189 | |
Glucose Oxidase from Aerococcus viridans | Invitrogen (Carlsbad, CA) | A22189L9795 | |
Lactate Oxidase | Sigma-Aldrich | L9795 | |
EQUIPMENT | |||
BaroFuse Multi-Channel Perifusion system | EnTox Sciences, Inc (Mercer Island, WA | Model 001-08 | |
Synergy 4 Fluorometer | BioTek (Winooski, VT) | S4MLFPTA |