Köpek bağırsak organoidlerinin ve bir Çip Üzerinde Bağırsak mikroakışkan sisteminin entegrasyonu, insan bağırsak hastalıkları için ilgili translasyonel modeller sunar. Sunulan protokoller, bağırsağın 3D morfogenezine ve dinamik in vitro modellemesine izin vererek, köpeklerde ve insanlarda Tek Sağlık ile bağırsak hastalıkları için etkili tedavilerin geliştirilmesine yardımcı olur.
Köpek bağırsakları anatomi, mikrobiyoloji ve fizyoloji açısından insanlarınkiyle benzerliklere sahiptir ve köpekler doğal olarak insanlara benzer kendiliğinden bağırsak bozuklukları geliştirir. Bağırsak epitelinin apikal yüzeyine erişimde üç boyutlu (3D) organoidlerin doğal sınırlamasının üstesinden gelmek, organoidlerden türetilen hücreleri kullanarak erişilebilir luminal yüzeyi ortaya çıkaran iki boyutlu (2D) tek katmanlı kültürlerin üretilmesine yol açmıştır. Bu organoidlerin ve organoid türevli tek tabakalı kültürlerin mikroakışkan bir Çip Üzerinde Bağırsak sistemine entegrasyonu, teknolojiyi daha da geliştirerek, fizyolojik olarak daha ilgili dinamik in vitro bağırsak modellerinin geliştirilmesine izin verdi.
Bu çalışmada, inflamatuar bağırsak hastalığından (IBD) etkilenen köpeklerden elde edilen primer bağırsak dokusu örneklerini kullanarak köpek bağırsak epitelinin 3D morfogenezini oluşturmak için bir protokol sunuyoruz. Ayrıca, 3D bağırsak organoidlerinden türetilen hücreleri kullanarak 2D tek katmanlı kültürler ve çip üzerinde bağırsak sistemleri oluşturmak ve sürdürmek için bir protokol özetliyoruz. Bu çalışmada sunulan protokoller, köpekler için özel olarak tasarlanmış mikroakışkan bir Çip Üzerinde Bağırsak sistemi oluşturmak için temel bir çerçeve görevi görür. Bu yenilikçi yaklaşımın temelini atarak, Tek Sağlık Girişimi ilkeleriyle uyumlu olarak bu tekniklerin biyomedikal ve translasyonel araştırmalarda uygulanmasını genişletmeyi amaçlıyoruz. Bu yaklaşımı kullanarak, hem köpeklerde hem de insanlarda bağırsak fizyolojisini incelemek için fizyolojik olarak daha ilgili dinamik in vitro modeller geliştirebiliriz. Bu, her iki türde de bağırsak hastalıkları için daha etkili tedavilerin geliştirilmesine yardımcı olabileceğinden, biyomedikal ve farmasötik uygulamalar için önemli etkilere sahiptir.
Bağırsak epitelyal morfogenezi büyük ölçüde maliyetli, zaman alıcı ve insan gelişim süreçlerini doğru bir şekilde temsil etmeyen laboratuvar hayvanı modelleri aracılığıyla incelenmiştir1. Ayrıca, geleneksel statik 2D hücre kültürü modelleri, bir 3D epitel mimarisinin karmaşık uzamsal organizasyonunu taklit etme yeteneğinden yoksundur2. Sonuç olarak, bağırsak epitel mimarisi anlayışımızı ilerletmek için insanla ilgili hayvan modellerinden bağırsak epitel hücrelerini kullanarak in vitro 3D morfogenezi indüklemek için bir protokole ihtiyaç vardır.
Refakatçi köpekler, evcilleştirme sırasında ortak ortamları ve diyetleri nedeniyle insanlara oldukça benzeyen bağırsak anatomisi ve mikrobiyom bileşimleri geliştirmiştir3. Bu benzerliğe ek olarak, hem insanlar hem de köpekler, bağırsak sağlığına atfedildiği düşünülen çeşitli kronik morbiditeleri paylaşırlar. Köpekler, insanlar gibi, obezite, bilişsel işlev bozukluğu, diabetes mellitus, inflamatuar bağırsak hastalığı (IBD) ve kolorektal adenokarsinom 4,5,6,7,8,9,10 gibi kronik durumlar geliştirebilir. Önceki Gut-on-a-Chip çalışmalarında insan ve fare epitel hücrelerinin geliştirilmesine ve kullanılmasına rağmen 2,11,12,13,14, köpek bağırsak epiteli şimdiye kadar kullanılmamıştır. 3D epitelyal morfogeneze sahip dinamik bir kültür sisteminde köpek bağırsak organoid epitelini kullanan yeni yaklaşımımız, hem köpek hem de insan tıbbı için önemli etkilere sahiptir.
Bağırsak organoid kültüründeki son gelişmeler, köpek bağırsak organoid kültürünün kurulmasına yol açmıştır15. Bu kültür sistemi, tanımlanmış morfojen koşullandırma altında bağırsak kök hücrelerinin kültürlenmesini içerir ve yetişkin kök hücrelerden türetilen kendi kendini yenileme özelliklerine sahip bir 3D modelile sonuçlanır 16. Bununla birlikte, taşıma tahlilleri veya konakçı-mikrobiyom kokültürlerinin yürütülmesi, bağırsak lümeninin kapalı doğası nedeniyle bu 3D modelle zorluklar ortaya çıkarmaktadır17. Bunu ele almak için araştırmacılar, bağırsak organoidlerinden türetilen ve luminal yüzeyin18,19 açığa çıkmasına izin veren bir 2D tek tabaka oluşturdular. Bununla birlikte, hem 3D organoidler hem de 2D tek tabakalar, bağırsak mikroçevresinin in vivo biyomekaniğini doğru bir şekilde yansıtmayan statik koşullar altında tutulur. Hasta kaynaklı köpek organoidleri teknolojisinin in vitro 3D morfogenez ile birleştirilmesi, kronik multifaktöriyel hastalıklara yönelik translasyonel araştırmalar için bir fırsat sunar. Bu yaklaşım, araştırmacıların hem insanlara hem de köpeklere fayda sağlayan daha etkili tedaviler geliştirmelerine ve insan, hayvan ve çevre sağlığının birbirine bağlılığını tanıyan işbirlikçi bir yaklaşım olan Tek Sağlık Girişimi ile uyumlu olarak çeviri araştırmalarını daha da ilerletmelerine olanak tanır. Karmaşık sağlık sorunlarını ele almak ve herkes için en iyi sağlık sonuçlarını elde etmek için disiplinler arası işbirliğini teşvik eder. Girişim, insanlar, hayvanlar ve ekosistemler arasındaki karşılıklı bağımlılıkları anlayarak, ortaya çıkan bulaşıcı hastalıklardan, çevresel bozulmadan ve diğer ortak sağlık sorunlarından kaynaklanan riskleri azaltmayı amaçlamaktadır20,21,22.
Bu protokol, polidimetilsiloksan (PDMS) bazlı gözenekli membrana sahip bir Gut-on-a-Chip mikro cihazında hasta organoidlerinden elde edilen köpek bağırsak epitel hücrelerinin kültürlenmesi için kapsamlı yöntemleri özetlemektedir. Köpek bağırsak organoidlerini ve bu Gut-on-a-Chip teknolojisini entegre ederek 3D epitelyal morfogenezin oluşturulması, bağırsağın hücresel organizasyonunu ve kök hücre nişini nasıl geliştirdiğini ve koruduğunu incelememizi sağlar. Bu platform, mikrobiyom topluluklarının bağırsak sağlığı üzerindeki etkisini araştırmak ve bu toplulukların bağırsak patofizyolojisine katkıda bulunan mikrobiyal metabolitleri nasıl ürettiğini anlamak için değerli bir fırsat sunmaktadır14,23. Bu gelişmeler artık köpek bağırsak örneklerine genişletilebilir ve araştırmacılara bağırsak mikrobiyomu ile konakçı fizyolojisi arasındaki karmaşık ilişkiyi keşfetme fırsatları sunar. Bu, bağırsak patofizyolojisinin altında yatan mekanizmalar hakkında değerli bilgiler edinmek ve mikrobiyal metabolitlerin hem köpek hem de insan sağlığında ve ayrıca çeşitli hastalık durumlarında potansiyel rolünü anlamak için yollar açar. Köpek Gut-on-a-Chip için kullanılan protokol tekrarlanabilir, bu da onu karşılaştırmalı tıp için uygun bir deneysel model haline getirir, çünkü bu yaklaşım hem köpeklerde hem de insanlarda konak-mikrobiyom etkileşimlerinin, patojen enfeksiyonlarının ve probiyotik bazlı terapötik etkilerin araştırılmasını sağlar.
Bu çalışma, köpek bağırsak organoidlerinin bir köpek IBD Çip Üzerinde Bağırsak modelinin geliştirilmesiyle uyumluluğunun öncü gösterimini işaret etmektedir. Bağırsak organoidlerinin ve organoid türevli tek tabakalı kültürlerin bir mikroakışkan sisteme (yani, Çip Üzerinde Bağırsak sistemi) entegrasyonu, fizyolojik dinamikleri yakından taklit eden ve biyolojik koşulları daha iyi temsil eden in vitro bağırsak modellerinin oluşturulmasını sağlayan teknolojiyi daha da geliştirmiştir. Özellikle, insanlarda IBD’den türetilmiş organoidleri kullanan Çip Üzerinde Bağırsak kültürüne ilişkin çok az rapor bulunduğundan, köpek IBD’sinden türetilen Çip Üzerinde Bağırsak kullanan mevcut çalışma, insanlarda IBD çalışmasına ilişkin öncü bilgiler sağlayabilir.
Bir Çip Üzerinde Bağırsak üzerinde köpek bağırsak epitelyal 3D morfogenezinin başarılı bir şekilde geliştirilmesi, birkaç kritik adıma dikkat edilmesini gerektirir. İlk olarak, PDMS mikroakışkan kanallarının hidrofobik yüzeyi, ECM adezyonunu ve müteakip hücre bağlanmasını engelleyebilir, bu da ECM kaplaması ve hücre tohumlamasından önce PDMS’nin yüzey aktivasyonunu gerektirebilir (bkz. protokol bölüm 1). Stabil bir tek tabakalı kültür elde etmek için, hücre bağlanmasını takiben fazla bağlanmamış hücrelerin çıkarılması çok önemlidir (protokol adımları 4.6-4.7). Ek olarak, bağırsak epitelinin 3D morfogenezi için sabit ortam akışı ve peristaltik benzeri vakum hareketi gibi dinamik stimülasyon gereklidir (protokol adımı 5.2). Gut-on-a-Chip kültürünün herhangi bir adımında mikrokanaldaki hava kabarcıklarını önlemek için dikkatli kullanım şarttır.
Çip Üzerinde Bağırsak’a zayıf hücre tohumlaması ile karşılaşırsanız, bunun nedeni düşük hücre sayısı veya zayıf hücre bağlantısı olabilir. Düşük hücre sayılarını gidermek için, Matrigel’deki büyümelerini gözlemleyerek hazırlanmış bağırsak organoidlerinin sağlığını incelemek önemlidir. Hücre canlılığı, hücrelerin %20’sinden fazlasının ölmediğinden emin olmak için hücre ayrışmasından sonra Tripan mavisi boyama ile değerlendirilebilir. Canlı hücre sayıları yetersizse, organoid ortam koşullarının optimize edilmesi denenebilir. Diğer bir olasılık, eksik organoid ayrışmadır, bu da filtre tarafından sıkışan 70 μm’den daha büyük hücre kümelerinin fazlalığına neden olur. Bu sorunu çözmek için seçeneklerden biri, hücre ayrışması sırasında pipetleme süresini uzatmaktır. Alternatif olarak, 15 mL’lik konik tüp, tripsin benzeri bir proteaz ile tedavi edilirken her dakika hafifçe çalkalanabilir. Gut-on-a-Chip’e zayıf hücre bağlanması, uygun olmayan ECM kaplamasından kaynaklanıyor olabilir. Kaplama işlemi sırasında, hava kabarcıklarının varlığının dikkatlice kontrol edilmesi ve gerektiğinde nazikçe daha fazla kaplama çözeltisi eklenerek oluşumlarının önlenmesi tavsiye edilir. Hücrelerin aşırı kalabalıklaşması ve bağlanmamış hücrelerin yıkanamaması, yetersiz bir başlangıç tek katmanına neden olabilir. Böyle bir durumda, şırınga pistonunu iterken hafif bir darbe uygulanabilir. Bu sorun giderme adımları, Gut-on-a-Chip kültürü işlemi sırasındaki sorunları tanımlamaya ve gidermeye yardımcı olabilir.
Bu Çip Üzerinde Bağırsak platformu, dalgalı 3D epitel katmanlarının oluşturulmasını sağlarken, bağırsak mikro ortamını tam olarak çoğaltmak için ek biyolojik karmaşıklığa ihtiyaç duyulduğunun farkındayız. Epitelyal ve mezenkimal hücreler arasındaki etkileşimleri, 3D rejenerasyon için ECM birikimini ve uygun bir kök hücre nişi oluşturan kript-villus özelliklerinin varlığını dikkate almak çok önemlidir. Fibroblastlar gibi stromal hücreler, ECM proteinlerinin üretiminde ve bağırsak morfogenezinin düzenlenmesinde hayati bir rol oynar34,35,36. Mezenkimal hücrelerin bu modele dahil edilmesi, hem morfogenezi hem de hücre bağlanmasının verimliliğini artırma potansiyeline sahiptir. Kılcal damar sistemini ve lenfatik damarları kapsayan endotel tabakaları, moleküler taşımayı ve bağışıklık hücrelerinin işe alımını yönetmede çok önemli bir rol oynar37,38. Hasta kaynaklı bağışıklık hücrelerinin dahil edilmesi, doğuştan gelen ve adaptif bağışıklık arasındaki etkileşimin gösterilmesine ve dokuya özgü bağışıklığın kurulmasına izin verdiği için bağırsak hastalıklarının modellenmesinde gerekli olabilir39. Gut-on-a-Chip’te 3D morfogenezin tamamlanmasının ardından, organoid kültür ortamı bir organoid farklılaşma ortamına değiştirilebilir. Bu, deneysel hedeflere bağlı olarak ek hücresel farklılaşmayı indüklemek için uygun bir yaklaşım olabilir.
3D mikro mimariyi yerinde görüntülemek, uzun mesafeli bir hedefle üstesinden gelinebilecek uzun çalışma mesafesi nedeniyle zordur. Ek olarak, katman katman mikrofabrikasyon ve yapıştırma yöntemleri, SEM ile inceleme için üst katmanlara erişimi zorlaştırmaktadır. Mevcut Gut-on-a-Chip tasarımı için, Gut-on-a-Chip mikro cihazı başına bir şırınga pompasına ihtiyaç vardır, bu da CO2 inkübatör alanını kaplar ve büyük ölçekli deneyleri önler. Kullanıcı dostu bir platform ve yüksek verimli tarama için ölçeklenebilirliği artırmak için yeniliklere ihtiyaç vardır.
Bu mevcut protokoller, geleneksel 3D organoidlerin, 2D tek tabakaların ve statik mikrocihaz kültür sistemlerinin sınırlamalarını aşarak, in vitro olarak 3D epitel katmanlarının kendiliğinden gelişmesine izin verir. Bu dinamik in vitro bağırsak mikroçevresi, çeşitli hücre tiplerinin ko-kültürü eklenerek kontrol edilebilir. Önceki çalışmalar, bağırsak mikrobiyomunun14,23 ve periferik mononükleer hücrelerin30 birlikte kültürlenmesi de dahil olmak üzere Çip Üzerinde Bağırsak mikro ortamını manipüle etme yöntemlerini araştırmıştır. Bu yeniden yapılandırılmış mikro çevre, ilaç testi, temel mekanik çalışmalar ve hastalık modellemesi dahil olmak üzere çok sayıda potansiyel uygulamaya sahiptir. Yeniden yapılandırılmış mikro çevre, ilaç testi 23,40,41 ve hastalık modellemesi 12,13,14,30 gibi çok çeşitli uygulamalar için önemli bir potansiyele sahiptir ve ayrıca bağırsak morfogenezinin temel mekanik araştırmaları 42. Metabolitlerin değerlendirilmesi için süpernatanlar toplanarak 43, genomik inceleme için hücreler toplanarak 2,32 veya canlı hücre boyaları kullanılarak hücrelerin görsel olarak incelenmesi veya sonraki immünofloresan görüntülemeiçin fiksasyon23,44 ile çeşitli testler yapılabilir.
Bu çalışma, bir Gut-on-a-Chip platformunda köpek bağırsak epitel katmanlarının 3D morfogenezini geliştirmek için tekrarlanabilir bir protokol sunmaktadır. Ortaya çıkan 3D epitel yapısı, çeşitli biyomedikal çalışmalarda uygulamalar için muazzam bir potansiyele sahip olan bağırsak mikro ortamının daha gerçekçi bir temsilini sağlar. Bu bağırsak mimarisini kullanarak, daha fazla translasyonel araştırma yapabilir ve potansiyel olarak umut verici sonuçlar verebiliriz.
The authors have nothing to disclose.
WSU Küçük Hayvan İç Hastalıkları servisine (Dr. Jillian Haines, Dr. Sarah Guess, Shelley Ensign LVT) ve WSU VTH Klinik Çalışmalar Koordinatörü Valorie Wiss’e vaka alımı ve vatandaş bilim adamlarından (hasta bağışçıları) numune toplama konusundaki destekleri için teşekkür ederiz. Bu çalışma kısmen Direktörlük Ofisi, Ulusal Sağlık Enstitüleri (K01OD030515 ve Y.M.A.’ya R21OD031903) ve Japonya Genç Araştırmacılar için Denizaşırı Bilim Mücadele Programını Teşvik Derneği (202280196’den I.N.’ye) tarafından desteklenmiştir. Şekil 1A ve Şekil 3A , BioRender.com ile oluşturulmuştur.
Organoid basal medium | |||
Advanced DMEM/F12 | Gibco | 12634-010 | |
GlutaMAX | Gibco | 35050-061 | 2 mM, glutamine substitute |
1 M HEPES | VWR Life Science | J848-500ML | 10 mM |
100x penicillin–streptomycin | Corning | MT30009CI | 1x |
Organoids and organoid medium | |||
A-83-01 | PeproTech | 9094360 | 500 nM |
B27 supplement | Gibco | 17504-044 | 1x |
CHIR99021 | Reprocell | 04-0004-base | 2.5 µM |
HEK293 cells engineered to secrete Noggin | Baylor College of Medicine | ||
Murine EGF | PeproTech | 315-09-1MG | 50 ng/mL |
Murine Wnt-3a | PeproTech | 315-20-10UG | 100 ng/mL |
N-Acetyl-L-cysteine | Sigma | A9165-25G | 1 mM |
N2 MAX Media supplement | Gibco | 17502-048 | 1x |
Nicotinamide | Sigma | N0636-100G | 10 mM |
Noggin Conditioned Medium | NA | NA | 10% vol/vol |
Primocin | InvivoGen | ant-pm-1 | 100 µg/ml |
R-spondin1 (Rspo1) cells | Trevigen | 3710-001-01 | Rspo1 cells |
R-Spondin-1 Conditioned Medium | NA | NA | 20% vol/vol |
SB202190 | Sigma-Aldrich | S7067-25MG | 10 µM |
Y-27632 | StemCellTechnologies | 72308 | 10 µM |
[Leu15 ]-Gastrin I human | Sigma-Aldrich | G9145-.5MG | 10 nM |
Reagents | |||
4% Paraformaldehyde solution | Fisher Scientific | AAJ19943K2 | |
Alexa Fluor 647 Phalloidin | Thermo Fisher Scientific | A22287 | x250 dilution |
Anti-Rabbit IgG H&L labeled with Alexa Fluor 555 | Abcam | ab150078 | x1,000 dilution |
Anti-ZO-1 polyclonal antibody | Thermo Fisher Scientific | 61-7300 | x50 dilution |
Cell Recovery Solution | Corning | 354253 | |
Collagen I, Rat Tail 3 mg/mL | Gibco | A10483-01 | |
Diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Thermo Fisher Scientific | 62248 | x1,000 dilution |
EMS Glutaraldehyde Aqueous 50% | Electron Microscopy Sciences | 16320 | |
Matrigel Matrix | Corning | 356255 | |
Poly(ethyleneimine) solution | Sigma | 408700-250ML | |
TrypLE Express | Gibco | 12604-021 | |
Materials and Equipment | |||
24-well culture plates | Corning | 3524 | |
87V Industrial Multimeter | Fluke Corporation | ||
Centrifuge | Eppendorf | 5910R | |
CO2 incubator | Eppendorf | C170i | |
DMi8 fluorescence microscope | Leica microsystems | DMi8 | |
Dry oven | Fisher Scientific | 15-103-0519 | |
FlexCell FX-5000 Tension system | Flexcell International Corporation | ||
Inverted phase-contrast microscope | Leica microsystems | DMi1 | |
SP8-X inverted confocal microscope | Leica microsystems | SP8-X | |
Syringe pump | Braintree Scientific | model no. BS-8000 120V | |
Syringe, 3 mL sterile | BD Biosciences | 14-823-435 | |
Syringes, 1 mL sterile | BD Biosciences | 14-823-434 | |
UV/ozone generator | Jelight Company | model no. 30 | |
Software | |||
LAS X imaging software | Leica microsystems |