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Dieses Protokoll beschreibt Methoden zur Etablierung von Endometrium-Epithel-Organoiden der Maus für die Genexpression und histologische Analysen.
Endometriumgewebe kleidet die innere Höhle der Gebärmutter aus und steht unter der zyklischen Kontrolle von Östrogen und Progesteron. Es ist ein Gewebe, das aus luminalem und Drüsenepithel, einem Stromakompartiment, einem vaskulären Netzwerk und einer komplexen Immunzellpopulation besteht. Mausmodelle waren ein leistungsfähiges Werkzeug, um das Endometrium zu untersuchen und kritische Mechanismen aufzudecken, die Implantation, Plazenta und Krebs steuern. Die jüngste Entwicklung von 3D-Endometrium-Organoidkulturen stellt ein hochmodernes Modell dar, um die Signalwege zu analysieren, die der Biologie der Gebärmutterschleimhaut zugrunde liegen. Die Etablierung von Endometrium-Organoiden aus gentechnisch veränderten Mausmodellen, die Analyse ihrer Transkriptome und die Visualisierung ihrer Morphologie in Einzelzellauflösung sind entscheidende Werkzeuge für die Erforschung von Endometriumerkrankungen. Dieser Artikel skizziert Methoden zur Etablierung von 3D-Kulturen von Endometriumepithel aus Mäusen und beschreibt Techniken zur Quantifizierung der Genexpression und zur Analyse der Histologie der Organoide. Ziel ist es, eine Ressource bereitzustellen, die zur Etablierung, Kultur und Untersuchung der Genexpression und morphologischen Eigenschaften von Endometriumepithel-Organoiden verwendet werden kann.
Das Endometrium - das innere Schleimhautgewebe der Gebärmutterhöhle - ist ein einzigartiges und hochdynamisches Gewebe, das eine entscheidende Rolle für die reproduktive Gesundheit einer Frau spielt. Während der reproduktiven Lebensspanne hat das Endometrium das Potenzial, Hunderte von Zyklen der Proliferation, Differenzierung und des Abbaus zu durchlaufen, die durch die konzertierte Wirkung der Eierstockhormone - Östrogen und Progesteron - koordiniert werden. Studien an gentechnisch veränderten Mäusen haben grundlegende biologische Mechanismen aufgedeckt, die der Reaktion der Gebärmutterschleimhaut auf Hormone und der Kontrolle der Embryoimplantation, der Stromazelldezidualisierung und der Schwangerschaft zugrunde liegen1. In-vitro-Studien waren jedoch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung nicht transformierter primärer Endometriumgewebe der Maus in traditionellen 2D-Zellkulturen begrenzt 2,3. Jüngste Fortschritte in der Kultur von Endometriumgewebe als 3D-Organsysteme oder Organoide bieten eine neue Möglichkeit, biologische Signalwege zu untersuchen, die die Regeneration und Differenzierung von Endometriumzellen steuern. Endometrium-Organoidsysteme der Maus und des Menschen wurden aus reinem Endometriusepithel entwickelt, das in verschiedenen Matriceseingekapselt ist 4,5, während menschliches Endometrium als gerüstfreie epitheliale/stromale Co-Kulturen 6,7 und in jüngerer Zeit als kollagenverkapselte Epithel-/Stroma-Assembloide kultiviert wurde8 . Das Wachstum und das regenerative Potenzial von epithelialen Organoidkulturen wird durch einen definierten Cocktail aus Wachstumsfaktoren und niedermolekularen Inhibitoren unterstützt, die empirisch bestimmt wurden, um das Wachstum und die Regeneration der Organoide zu maximieren 4,5,9. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit, Endometrium-Organoide einzufrieren und aufzutauen, die langfristige Einlagerung von Endometrium-Organoiden von Mäusen und Menschen für zukünftige Studien.
Gentechnisch veränderte Mäuse haben die komplexen Signalwege aufgedeckt, die die frühe Schwangerschaft und Dezidualisierung steuern, und wurden als Modelle für Schwangerschaftsverlust, Endometriumkarzinom und Endometriose verwendet. Diese genetischen Studien wurden weitgehend mit zellspezifischer Deletion von loxP-flankierten Allelen ("gefloxt") unter Verwendung von Cre-Rekombinasen erreicht, die spezifisch im weiblichen Fortpflanzungsgewebe aktiv sind. Zu diesen Mausmodellen gehören der weit verbreitete Progesteronrezeptor-cre 10, der eine starke Rekombinaseaktivität im Epithel- und Stromagewebe des Endometriums aufweist, Lactoferrin i-cre, das bei erwachsenen Mäusen eine endometriumepitheliale Rekombination induziert11, oder Wnt7a-cre, das eine epithelialspezifische Deletion in Müller-abgeleiteten Geweben auslöst12 . Die Kultivierung von Endometriumgewebe aus gentechnisch veränderten Mausmodellen als 3D-Organoide bietet eine hervorragende Möglichkeit, die Biologie des Endometriums zu untersuchen und die Identifizierung von Wachstumsfaktoren und Signalwegen zu erleichtern, die die Erneuerung und Differenzierung von Endometriumzellen steuern13,14. Verfahren zur Isolierung und Kultur von Endometriumgewebe der Maus sind in der Literatur beschrieben und berichten über die Verwendung verschiedener enzymatischer Strategien zur Isolierung von Uterusepithel für die anschließende Kultivierung von Endometriumepithel-Organoiden4. Während die bisherige Literatur einen kritischen Rahmen für Endometriumepithel-Organoid-Kulturprotokolle 4,5,6 bietet, bietet diese Arbeit eine klare, umfassende Methode zur Generierung, Wartung, Verarbeitung und Analyse dieser Organoide. Die Standardisierung dieser Techniken ist wichtig, um den Fortschritt auf dem Gebiet der Reproduktionsbiologie von Frauen zu beschleunigen. Hier berichten wir über eine detaillierte Methodik zur enzymatischen und mechanischen Reinigung von Endometrium-Epithelgewebe der Maus für die anschließende Kultur von Endometrium-Organoiden in einem Gelmatrix-Gerüst. Wir beschreiben auch die Methoden für nachgeschaltete histologische und molekulare Analysen der Gelmatrix-verkapselten Maus-Endometrium-Epithel-Organoide.
Die Handhabung von Mäusen und experimentelle Studien wurden gemäß Protokollen durchgeführt, die vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) des Baylor College of Medicine genehmigt wurden, und gemäß den Richtlinien des NIH-Leitfadens für die Pflege und Verwendung von Labortieren.
1. Isolierung von Uterusepithel aus Mäusen mit enzymatischen und mechanischen Methoden
HINWEIS: In diesem Abschnitt werden die Schritte beschrieben, die erforderlich sind, um epitheliale Endometrium-Organoide von Mäusen unter Verwendung eines Gelmatrix-Gerüsts zu etablieren, zu passieren, einzufrieren und aufzutauen. Frühere Studien haben ergeben, dass während der Brunstphase4 optimale Kulturen von Endometrium-Organoiden der Maus aus Mäusen etabliert werden, was durch zytologische Untersuchung eines Vaginalabstrichs bestimmt werden kann15. Für alle Experimente wurden erwachsene weibliche WT-Mäuse (6-8 Wochen alt, Hybride C57BL/6J und 129S5/SvEvBrd) verwendet. Die Mäuse wurden gemäß den von der IACUC genehmigten Richtlinien mit Isofluran-Sedierung und anschließender zervikaler Disartikulation auf humane Weise eingeschläfert. Sobald die Mäuse eingeschläfert sind, sollten die folgenden Schritte befolgt werden. Weitere Informationen zu den in diesem Protokoll verwendeten Materialien und Lösungen finden Sie in der Materialtabelle .
2. Verarbeitung des Stromakompartiments
HINWEIS: In diesem Abschnitt werden die Protokolle beschrieben, die für die Isolierung des Stromakompartiments des Endometriums der Maus erforderlich sind. Angesichts des zunehmenden Interesses an epithelialen/stromalen Kokulturexperimenten ist es wichtig, neben den Epithelzellen, die Organoide erzeugen, auch die Stromazellpopulationen verarbeiten zu können.
3. Verkapselung von Uterusepithel in Gelmatrix zur Etablierung von Organoiden
HINWEIS: Bewahren Sie die Gelmatrix auf Eis auf, bis sie gebrauchsfertig ist.
4. Genexpressionsanalyse von Endometrium-Organoiden nach Behandlung mit Östradiol
ANMERKUNG: In diesem Abschnitt werden die Methoden beschrieben, die zur Profilierung der Genexpression von Endometriumepithel-Organoiden mittels real-time qPCR nach Behandlung mit Östradiol verwendet werden (E2; siehe Tabelle 1). Da das Endometrium unter der zyklischen Kontrolle des Ovarialhormons E2 steht, ist das Testen der Reaktionsfähigkeit der Organoide auf E2 ein wichtiges Maß für die physiologische Funktion. Wir haben qualitativ hochwertige RNA erhalten und genügend mRNA generiert, um die Genexpression mittels qPCR und/oder RNA-Sequenzierung aus unseren Endometrium-Epithel-Organoiden zu profilieren. In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie Organoide gesammelt und für die nachgelagerte Analyse der Genexpression aufbereitet werden. Das gewählte Behandlungsmedium entspricht demjenigen, das zur Behandlung kultivierter Endometriumzellen verwendet wird. Es ist jedoch zu beachten, dass dieses Behandlungsmedium entsprechend optimiert werden kann, wie es bei der Behandlung von humanen Endometrium-3D-Kulturen mit den Hormonen 8,16,17 der Fall ist.
5. Histologische Analyse von Endometrium-Organoiden
HINWEIS: Die Abbildung der morphologischen Merkmale von Endometrium-Organoiden ist entscheidend für die Beurteilung der zellulären Wirkung von Wachstumsfaktoren, genetischen Manipulationen oder niedermolekularen Inhibitoren. In diesem Abschnitt werden die Techniken beschrieben, die zur Fixierung, Verarbeitung und Abbildung von Endometriumepithelorganoiden unter Verwendung histologischer Färbungen und Antikörper-Immunfluoreszenzfärbung verwendet werden.
6. Hämatoxylin- und Eosin-Färbung
7. Immunfluoreszenzfärbung
Phasenkontrastaufnahmen von Endometrium-Organoiden der Maus
Wir haben Organoide aus dem WT-Maus-Endometriumepithel etabliert, wie im beigefügten Protokoll beschrieben (siehe Diagramm in Abbildung 1). Nach der enzymatischen Dissoziation des Endometrialepithels der Maus wurden die Epithelschichten mechanisch von den Stromazellen der Gebärmutter getrennt und weiter mit Kollagenase dissoziiert, um eine Einzelzellsuspension zu erzeugen. Bei korrekter Durchführung sollte die...
Hier beschreiben wir Methoden zur Erzeugung von Endometriumepithel-Organoiden aus dem Endometrium der Maus und die Protokolle, die routinemäßig für ihre nachgeschaltete Analyse verwendet werden. Endometrium-Organoide sind ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Mechanismen zu untersuchen, die Endometrium-bedingte Erkrankungen wie Endometriose, Endometriumkarzinom und Implantationsversagen kontrollieren. Bahnbrechende Studien, die 2017 veröffentlicht wurden, berichteten über die Bedingungen für die Kultivierung langf...
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Wir danken Dr. Stephanie Pangas und Dr. Martin M. Matzuk (M.M.M.) für die kritische Lektüre und Bearbeitung unseres Manuskripts. Die Studien wurden durch die Zuschüsse R00-HD096057 (DM), R01-HD105800 (DM), R01-HD032067 (M.M.M.) und R01-HD110038 (M.M.M.) sowie durch NCI-P30 Cancer Center Support Grant (NCI-CA125123) unterstützt. Diana Monsivais, Ph.D. erhält einen Next Gen Schwangerschaftspreis des Burroughs Wellcome Fund.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Organoid Media Formulation | |||
Name | Company | Catalog Number | Final concentration |
Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, *LDEV-free | Corning | 354230 | 100% |
Trypsin from Bovine Pancreas | Sigma Aldrich | T1426-1G | 1% |
Advanced DMEM/F12 | Life Technologies | 12634010 | 1X |
N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | 1X |
B-27™ Supplement (50X), minus vitamin A | Life Technologies | 12587010 | 1X |
Primocin | Invivogen | ant-pm-1 | 100 µg/mL |
N-Acetyl-L-cysteine | Sigma Aldrich | A9165-5G | 1.25 mM |
L-glutamine | Life Technologies | 25030024 | 2 mM |
Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636-100G | 10 nM |
ALK-4, -5, -7 inhibitor, A83-01 | Tocris | 2939 | 500 nM |
Recombinant human EGF | Peprotech | AF-100-15 | 50 ng/mL |
Recombinant human Noggin | Peprotech | 120-10C | 100 ng/mL |
Recombinant human Rspondin-1 | Peprotech | 120-38 | 500 ng/mL |
Recombinant human FGF-10 | Peprotech | 100-26 | 100 ng/mL |
Recombinant human HGF | Peprotech | 100-39 | 50 ng/mL |
WNT3a | R&D systems | 5036-WN | 200 ng/mL |
Other supplies and reagents | |||
Name | Company | Catalog Number | Final concentration |
Collagenase from Clostridium histolyticum | Sigma Aldrich | C0130-1G | 5 mg/mL |
Deoxyribonuclease I from bovine pancreas | Sigma Aldrich | DN25-100MG | 2 mg/mL |
DPBS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher | 14190-250 | 1X |
HBSS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher | 14170112 | 1X |
Falcon Polystyrene Microplates (24-Well) | Fisher Scientific | #08-772-51 | |
Falcon Polystyrene Microplates (12-Well) | Fisher Scientific | #0877229 | |
Falcon Cell Strainers, 40 µm | Fisher Scientific | #08-771-1 | |
Direct-zol RNA MiniPrep (50 µg) | Genesee Scientific | 11-331 | |
Trizol reagent | Invitrogen | 15596026 | |
DMEM/F-12, HEPES, no phenol red | ThermoFisher | 11039021 | |
Fetal Bovine Serum, Charcoal stripped | Sigma Aldrich | F6765-500ML | 2% |
Estratiol (E2) | Sigma Aldrich | E1024-1G | 10 nM |
Formaldehyde 16% in aqueous solution, EM Grade | VWR | 15710 | 4% |
Epredia Cassette 1 Slotted Tissue Cassettes | Fisher Scientific | 1000961 | |
Epredia Stainless-Steel Embedding Base Molds | Fisher Scientific | 64-010-15 | |
Ethanol, 200 proof (100%) | Fisher Scientific | 22-032-601 | |
Histoclear | Fisher Scientific | 50-899-90147 | |
Permount Mounting Medium | Fisher Scientific | 50-277-97 | |
Epredia Nylon Biopsy Bags | Fisher Scientific | 6774010 | |
HistoGel Specimen Processing Gel | VWR | 83009-992 | |
Hematoxylin solution Premium | VWR | 95057-844 | |
Eosin Y (yellowish) solution Premium | VWR | 95057-848 | |
TBS Buffer, 20X, pH 7.4 | GenDEPORT | T8054 | 1X |
TBST (10X), pH 7.4 | GenDEPORT | T8056 | 1X |
Citric acid | Sigma Aldrich | C0759-1KG | |
Sodium citrate tribasic dihydrate | Sigma Aldrich | S4641-500G | |
Tween20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma Aldrich | A2153-100G | 3% |
DAPI Solution (1 mg/mL) | ThermoFisher | 62248 | 1:1000 dilution |
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium | Vector Labs | H-1000-10 | |
Clear Nail Polish | Fisher Scientific | NC1849418 | |
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides | Fisher Scientific | 22037246 | |
VWR Micro Cover Glasses | VWR | 48393-106 | |
SuperScript VILO Master Mix | ThermoFisher | 11755050 | |
SYBR Green PCR Master Mix | ThermoFisher | 4364346 | |
Krt8 Antibody (TROMA-I) | DSHB | TROMA-I | 1:50 dilution |
Vimentin Antobody | Cell Signaling | 5741S | 1:200 dilution |
Donkey anti-Rat IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 594 | ThermoFisher | A-21209 | 1:250 dilution |
Donkey anti-Rabbin IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 | ThermoFisher | A-21206 | 1:250 dilution |
ZEISS Stemi 508 Stereo Microscope | ZEISS | ||
ZEISS Axio Vert.A1 Inverted Routine Microscope with digital camera | ZEISS | ||
Primer Sequence | Forward (5'-3') | Reverse (5'-3') | _ |
Lipocalin 2 (Lcn2) | GCAGGTGGTACGTTGTGGG | CTCTTGTAGCTCATAGATGGTGC | |
Lactoferrin (Ltf) | TGAGGCCCTTGGACTCTGT | ACCCACTTTTCTCATCTCGTTC | |
Progesterone (Pgr) | CCCACAGGAGTTTGTCAAGCTC | TAACTTCAGACATCATTTCCGG | |
Glyceraldehyde 3 phosphate dehydrogenase (Gapdh) | CAATGTGTCCGTCGTGGATCT | GCCTGCTTCACCACCTTCTT |
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