该<em&gt;离体</em&gt;结肠器官培养及使用抗菌宿主防御研究

摘要

The ex vivo organ culture allows investigation of biological processes in the context of the intact tissue architecture. Here, we introduce a method of ex vivo culture of the mouse colon, which can be used to study innate immunity and antimicrobial host defense in the intestine.

摘要

肠道显示由不同类型的上皮细胞，含有免疫细胞薄层propia，和基质的重复隐窝结构的架构。所有这些异构细胞有助于肠道内环境稳定，参与抗菌宿主防御。因此，确定了在体外环境研究免疫反应和肠的抗微生物活性的替代模型是极具挑战性。 体外研究使用永生化肠上皮细胞系或甚至小学隐窝化培养并不代表正常的肠道和微环境的确切生理学。在这里，我们在培养皿以及如何体外器官培养系统可以在与抗微生物宿主防御反应的研究来实现讨论培养小鼠结肠组织的方法。在代表的实验中，我们发现，在器官培养冒号表达RESP抗菌肽ONSE外源性的IL-1β和IL-18。此外，通过在器官培养的结肠组织中产生抗菌效应分子有效地杀灭体外大肠杆菌 。这种方法，因此，可以利用解剖在调节肠道先天免疫反应和抗微生物宿主防御反应的病原体和危险相关的分子模式和它们的细胞受体的作用。

引言

肠道代表充当共生微生物屏障的动态系统，地对抗入侵的病原体，并调节微生物组成^1。肠上皮细胞，包括肠，杯状细胞，帕内特细胞和肠内分泌细胞，是主要的细胞群提供对抗肠道微生物的宿主防御反应。杯状细胞产生上创建上皮层²的顶部上的非军事区的粘蛋白。的帕内特细胞和肠上皮产生的抗微生物肽，细胞因子，和构成抗微生物宿主防御反应和有助于形成肠道微生物组合物^3,4活性氧和氮物种。除了上皮细胞，免疫细胞，包括巨噬细胞，树突细胞，嗜中性粒细胞，自然杀伤细胞，淋巴细胞和茵 ^{7 -}固有层和粘膜下层德淋巴样细胞通过产生细胞因子，趋化因子和其他介质⁵发挥肠道抗菌宿主防御反应的关键作用。为了了解粘膜免疫系统如何监管和微生物提供了对微生物感染的保护，应考虑肠道的异质细胞群的复杂的相互作用是非常重要的。但是，包括所有的肠的功能的体外模型是不可用的。因此，在肠道内的宿主 - 病原体相互作用的分子研究是极具挑战性的。

在过去的几年中，模仿肠粘膜的各方面的几个模型系统已被开发用于研究参与炎症性肠疾病（IBD）和其它胃肠道病症⁸的病理生理过程^-="外部参照"> 14。永生化肠上皮细胞系通常用于研究上皮细胞特异性应答。然而，由于差异基因表达和永生化细胞的功能，从利用这些细胞不经常匹配与那些在体内研究观察到的获得的数据。肠隐窝化培养最近出现作为评估的肠上皮细胞对不同刺激¹³的反应的潜在工具。在这个系统中，隐窝干细胞被允许生长和发展三维类器官结构。而类器官培养系统是用于研究肠上皮的许多方面非常有用的，它不模仿免疫细胞，上皮细胞和微生物产品的复杂的相互作用。肠组织的体外培养提供体内宿主防御反应的一个更好的代表性。在该方法中，小肠的部分是在一个细胞培养板机智培养ħ适当的媒体，允许不同类型的肠细胞群是代谢活性为至少48小时。因此，器官的离体培养，可以用于测量抗微生物的基因的表达和肠道的特定刺激宿主防御反应。

调查人员一直在使用体外器官培养系统来研究肠道对¹⁵微生物感染的宿主防御反应^{- 21。}我们最近通过了器官培养系统研究抗菌宿主防御反应的炎性体在小鼠结肠²²的作用。炎性为胱天蛋白酶-1的激活，这是需要用于生产成熟的IL-1β和IL-18的分子的平台。我们发现，IL-1β和IL-18诱导的抗微生物肽，有效地杀死共生pathobionts诸如大肠杆菌 。此观察与炎性缺陷小鼠结肠²²增加大肠杆菌的负担是一致的。该系统因此可以被用来研究如炎性肠病（IBD）和结肠直肠癌（CRC）的模式识别受体（的PRRs）等天然免疫分子在肠道抗菌宿主防御反应肠道疾病中的作用，以及发病。有超过200的IBD易感性基因，突变在许多这些基因与在肠道中改变的微生物组合物相关联。这是重要的临床意义，以确定通过其IBD易感基因调节肠道菌群的确切机制。该方法的总体目标是引进体外结肠器官培养的基本协议并展示如何此培养方法可用于研究肠的抗微生物宿主防御反应。

研究方案

此处描述的所有实验使用维持在无特定病原体（SPF）在动物资源中心（ARC），德克萨斯大学西南医学中心设施6-8周龄雄性野生型（C57BL6 / J）的小鼠中进行。所有研究机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准，并按照IACUC的指导方针和健康指南实验动物的护理和使用国家研究院进行的。

1.收集和科隆的制备

1. 安乐死用CO ₂窒息颈椎脱位的小鼠。
2. 喷雾用70％乙醇和小鼠四肢钉到钉板保持鼠标背面向下在黑板上。
3. 使用预先灭菌的解剖剪刀和镊子，使得一个中线切口在腹部的腹膜内。通过折叠钳腹膜打开腹部。
4. 从腹腔无线除去肠日解剖镊子和剪刀。通过在盲肠的底部，并在直肠的另一端切割分离从小肠结肠。
5. 放置在含有冰冷的PBS的无菌培养皿结肠。冲洗用冰 - 冷PBS结肠的腔的用20毫升的注射器保持20G的针或口服灌胃针直至结肠管腔内的大便被完全去除的内容。
6. 用剪刀剪纵向结肠。通过在无菌培养皿中冰冷的PBS剧烈摇动洗结肠。
7. 切结肠组织成片长大约1厘米长用无菌手术刀或剪刀。
8. 记录结肠件的重量。
   注:在第1节的所有步骤都可以内部或生物安全柜外进行。一旦冒号准备好培养，所有的步骤必须在生物安全柜内进行，以保持无菌。

2.结肠组织一个文化

1. 放置细胞过滤网（100微米）上的6孔细胞培养板。转让所有从一个鼠标收集到的细胞过滤结肠件。
2. 添加含5％FBS，青霉素 - 链霉素（1×），和庆大霉素（20微克/毫升）5毫升DMEM / F12培养基。完全覆盖结肠件与媒体。
3. 在5％的CO ₂和95％空气的培养箱孵育2小时，在37℃。
4. 提起细胞过滤器和吸媒体。
5. 放置在细胞过滤回井，加入5毫升的新鲜媒体无任何抗生素。提起细胞过滤器和吸媒体。
6. 重复上述洗涤步骤（步骤2.5）两次（总共3次）以除去所有的残留抗生素。
7. 传送从单细胞过滤结肠件到无菌的12孔细胞培养板的单个孔。
8. 添加含5％FBS（没有任何抗生素）的DMEM / F12培养基。调整培养基的体积与weig结肠件HT， 例如 ，100 mg组织1毫升网上平台。在注射5％CO ₂和95％空气的培养箱孵育12小时，在37℃。
9. 收集培养物上清液在一个无菌1.5毫升管中。
10. 离心机在4℃下12000×g离心5分钟。分离上清液到新的1.5毫升试管中的细菌使用杀伤实验和/或其它免疫测定法。上清液可以储存在-80℃直到测定。
11. 收集在用于RNA分离的管结肠件。

3. 大肠杆菌的杀灭试验

1. 接种大肠杆菌在5mL的Luria-BERTANI（LB）肉汤中15毫升管中并在37℃以200rpm振荡过夜孵育。保持文化管帽略显宽松。
2. 离心细菌培养管中，在1200 xg离心在4℃下10分钟。除去上清液和重悬细菌沉淀到5毫升冰冷的PBS。
3. 转移1毫升BACT的erial悬挂成600nm的比色皿和测量OD。使用PBS作为空白。
4. 计算使用预定标准曲线的菌落形成单位（CFU）。这里，假设1 OD = 2×10 ⁹ CFU /毫升（约）。
5. 稀释细菌悬浮液，使纸浆悬浮液1×10 ⁵个/毫升。
6. 转移结肠器官培养上清液（500微升/孔）收集在第2.10节到24孔细胞培养板的两个孔。
7. 添加10μL的大肠杆菌培养物（1,000 CFU）成一个孔含有500微升结肠器官培养上清液。离开其它公没有任何大肠杆菌接种，以确认该结肠器官培养上清液中不包含任何污染。
8. 孵育培养基（DMEM / F12加上5％FBS）中的相同数量的细菌（1,000 CFU）而没有任何抗生素作为对照。
9. 孵育在37℃下1小时。
10. 将每个样本下拉式无线的50微升SE在麦康凯琼脂平板上。在37℃下孵育MacConkey琼脂平板过夜。
11. 计数菌落数并计算CFU /毫升。

4.外在和内在因素对结肠抗菌宿主防御反应的影响

注:抗微生物杀灭试验如这里所描述，可以通过检查的病原相关分子模式（PAMP）和细胞因子对器官培养物上清液的杀菌活性的影响。用IL-1β和IL-18这样的实验的一个例子如下所述。

1. 如第1节收集小鼠冒号。
2. 放置在无菌纸巾结肠。纵向切开结肠成使用剪刀（ 图2）三个部分。
3. 如在第1节中所述洗冰冷PBS结肠的每个部分。
4. 切大肠切成小块的每一个部分和无菌权衡。传输各部分的片的结肠成放置在三口井6孔细胞培养板（ 图2）三个独立的细胞过滤器（100微米）。
5. 加入2毫升含5％FBS，青霉素 - 链霉素（1×），和庆大霉素（20微克/毫升）的DMEM / F12培养基。
6. 在注射5％CO ₂和95％空气的培养箱孵育2小时，在37℃。
7. 如在2.4-2.6描述洗结肠件。传输单个细胞过滤的结肠件到无菌的12孔细胞培养板的单个孔。含有从单个小鼠的结肠的三个部分的三个孔应被指定为未处理，IL-1β和IL-18（ 图2）。
8. 添加含5％FBS（没有任何抗生素）的DMEM / F12培养基。调整培养基的体积与重量的结肠件， 例如 ，用于100 mg组织的1毫升介质。
9. 刺激用IL-1β（20毫微克/毫升）或IL-18（20毫微克/毫升）的结肠器官培养12小时。未处理的冒号器官培养作为对照。
10. 在注射5％CO ₂和95％空气培养箱中在37℃12小时培养后，收集培养物上清液中的无菌1.5mL管中。
11. 转移500μL培养上清于24孔板的一式两份孔中。
12. 接种大肠杆菌在结肠癌器官培养物上清液的大肠杆菌 （1,000 CFU）如第3.对于每个条件描述的，接种大肠杆菌在单个井。无大肠杆菌另一孔含有相同的器官培养物上清液将作为细菌污染的控制。
13. 孵化培养基中的细菌相同量没有任何抗生素作为对照。
14. 孵育在37℃下1小时。
15. 将每个样品滴在麦康凯琼脂平板50微升。孵育MacConkey琼脂平板过夜，在37℃。
16. 计数菌落数并计算CFU /毫升（ 图4）。

e_title"> 5。抗菌基因表达的测量

1. 结肠器官培养的过夜培养（12小时）后，如在第2和4所描述，用2ml冰冷的PBS（2×）洗结肠件。
2. 收集结肠片成2毫升RNA酶/ DNA酶无螺丝帽筒。放置管在冰上。
3. 加入1毫升的商业Trizol试剂和裂解矩阵珠入管。
4. 裂解用自动组织匀浆的组织。
5. 收集组织溶解液到一个新的离心管中。
6. 使用标准协议分离RNA。
7. 测量RNA浓度。
8. 用去离子水适当稀释的RNA，并使用500ng的RNA合成cDNA。
9. 使用有针对性的抗菌基因，细胞因子，趋化因子和其他感兴趣的基因的实时RT-PCR分析的基因。

结果

在器官培养冒号的代表性图片示于图1。结肠件在培养保持代谢和生理活性。它们有效地应对加入到培养基外源刺激。结肠组织进行体外培养，并用外源性刺激的刺激， 例如 ，IL-1β和IL-18的制备的示意工作流程，示于图2。在图3中显示，在器官培养冒号表达的抗微生物肽，例如代表数据β防御2（BD2），Reg3γ，S100A8 S100A9，?...

讨论

肠上皮细胞在它们的生长方面的要求非常敏感，因此，难以培养。用EDTA处理分离的上皮细胞不以常规的细胞培养基如DMEM ⁸生存。因此，使用隔离隐窝或主要上皮细胞宿主 - 病原体相互作用的研究是非常具有挑战性的。最近，Sato等人。描述的地穴化培养系统，这是非常有前途的和有用的相关肠道病理生理学研究^13。而组织体代表肠隐窝的许多特征，有人担心作为...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Advanced DMEM/ F12	Life Technologies	12634-010
Dulbecco's phosphate buffered saline, modified, w/o Calcium chloride & Magnesium chloride	Sigma	5634
FBS, heat inactivated	Sigma	F4135
Penicillin-Streptomycin	Life Technologies	15070063
Gentamicin solution	Sigma	G1272
Mouse IL-1b recombinan	Reprokine	RKP10749
Mouse IL-18 recombinant	Reprokine	RKP70380
TRIzol Reagent	Thermo Fisher Scientific	15596018
Difco Luria-Bertani Broth	BD Bioscience	244620
BD Difco Dehydrated Culture Media: MacConkey Agar	Fisher Scientific	DF0075-17-1
NanoDrop 1000 Spectrophotometer	Thermo Scientific		Uded to measure RNA concentration
UV/Vis Spectrophotometer	BECKMAN	DU 530	Used to determine E. coli count
iScript RT Supermix, 100 rxns	Bio-Rad	1708841
iTaq Univer SYBR Green Supermix	Bio-Rad	1725125
Lysing Matrix S (1/8"), 2 ml Tube	MP Biomedicals	116925500	Used to homgenize colon organ for RNA isolation
FastPrep-24 5G System	Bio-Rad	116005500
100 mm x 15 mm Petri Dish	Falcon	5687
Plate 6 well ps TC CS100, Cellstar, 6w, tc, F-bottom (Flat), w/lid, sterile	Cellstar	5085
100 μm cell strainer	Falcon	5698
Sorvall Legend Micro 21R Centrifuge	Thermo Fisher Scientific
Sorvall ST40R Centrifuge	Thermo Fisher Scientific
Forma Scientific orbital shaker	Thermo Fisher Scientific