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Diese Studie skizziert ein Protokoll zur Erzeugung von 2D-Monolayern von Schweineorganoiden, die aus dem Dünn- und Dickdarm stammen. Das Wachstum dieser Monoschichten ist durch steigende TEER-Werte gekennzeichnet, was auf eine robuste epitheliale Integrität hinweist. Darüber hinaus zeigten diese Monoschichten physiologische sekretorische Reaktionen in Ussing-Kammerexperimenten nach der Anwendung von Forskolin.
Der Magen-Darm-Trakt (GIT) dient sowohl bei der Verdauung der Nahrung und der Aufnahme von Nährstoffen, als auch als Schutzbarriere gegen Krankheitserreger. Traditionell stützt sich die Forschung in diesem Bereich auf Tierversuche, aber es gibt eine wachsende Nachfrage nach alternativen Methoden, die sich an die 3R-Prinzipien halten: Ersetzen, Reduzieren und Verfeinern. Schweine-Organoide haben sich als vielversprechendes Werkzeug herausgestellt, da sie eine genauere In-vitro-Replikation der In-vivo-Bedingungen bieten als herkömmliche Zellmodelle. Eine große Herausforderung bei Darmorganoiden ist ihre nach innen gerichtete apikale Oberfläche und ihre nach außen gerichtete basolaterale Oberfläche. Diese Einschränkung kann überwunden werden, indem zweidimensionale (2D) Organoidschichten auf Transwell-Inserts (im Folgenden als Insert(s) bezeichnet) erzeugt werden, die den Zugang zu beiden Oberflächen ermöglichen. In dieser Studie ist es uns gelungen, zweidimensionale Kulturen von Schweinejejunum und Dickdarmorganoiden zu entwickeln. Der Kultivierungsprozess umfasst zwei wichtige Phasen: Zuerst die Bildung einer zellulären Monoschicht, gefolgt von der Differenzierung der Zellen mit maßgeschneiderten Medien. Das zelluläre Wachstum wird durch Messung des transepithelialen elektrischen Widerstands verfolgt, der sich bei Dickdarm-Organoiden bis zum 8. Tag und bei Jejunum-Organoiden bis zum 16. Tag stabilisiert. Nach einer 2-tägigen Differenzierungsphase ist das Epithel bereit für die Analyse. Um aktive elektrogene Transportprozesse, wie z.B. die Chloridsekretion, zu quantifizieren und zu verfolgen, verwenden wir die Ussing-Kammertechnik. Diese Methode ermöglicht die Echtzeitmessung und detaillierte Charakterisierung von Epitheltransportprozessen. Dieses innovative In-vitro-Modell , kombiniert mit etablierten Techniken wie der Ussing-Kammer, bietet eine robuste Plattform für die physiologische Charakterisierung des Schweine-GIT im Rahmen des 3R-Rahmens. Es eröffnet auch Möglichkeiten, pathophysiologische Mechanismen zu untersuchen und mögliche Therapiestrategien zu entwickeln.
Der GIT spielt eine zentrale Rolle bei der Verdauung, der Nährstoffaufnahme und der Abfallausscheidung über den Kot1. Darüber hinaus fungiert es als Barriere gegen Krankheitserreger, eine Rolle, die durch eine vielfältige zelluläre Zusammensetzung unterstützt wird, darunter Stammzellen, schleimproduzierende Becherzellen, enteroendokrine Zellen und absorbierende Enterozyten2. Die intestinale Homöostase kann durch verschiedene Faktoren gestört werden, wie z. B. bakterielle Infektionen3 oder entzündliche Prozesse4, die zu schwerwiegenden Folgen für den Organismus führen, wie z. B. Malabsorption, Durchfall oder sogar Tod5. Die Untersuchung solcher pathophysiologischen Szenarien erfolgt üblicherweise mit Versuchstieren oder, gemäß dem 3R-Prinzip6, mit Zellkulturen, die von verschiedenen Spezies stammen. Eine genaue Vorhersage und Übertragbarkeit der Ergebnisse sind entscheidend für den Einsatz artspezifischer Modelle7. Trotz dieses Bedarfs besteht ein bemerkenswerter Mangel an aus Schweinen gewonnenen Zellkulturen, die die Komplexität und Funktionalität des Darmtrakts angemessen nachbilden.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, die auch für andere Spezies relevant ist, wurden dreidimensionale (3D) Organoide entwickelt, um die physiologische Komplexität des GIT zu replizieren8. Ursprünglich wurden Organoide aus dem Darm von Menschen und Mäusen hergestellt; Bisher wurden auch Schweineorganoide von juvenilen und adulten Schweinen erfolgreich entwickelt und kultiviert 9,10. Seit ihrer Einführung wurden diese Schweine-Organoide in mehreren Studien verwendet, die sich hauptsächlich auf Darminfektionen konzentrierten 11,12,13,14. Die Forschung zur Charakterisierung physiologischer Eigenschaften wie Nährstofftransport oder sekretorische Prozesse ist nach wie vor begrenzt15. Dies kann auf die Ausrichtung der Darmorganoide zurückzuführen sein, wobei die apikale Oberfläche nach innen und die basolaterale Seite nach außen zeigt, was den Zugang zur apikalen Oberfläche einschränkt. Diese Einschränkung wurde durch die erfolgreiche Kultivierung von Schweineorganoiden in einem zweidimensionalen Format16 behoben, eine Methode, die durch die Verwendung von gefrorenem Gewebe zu ihrer Erzeugung weiter vorangetrieben wurde17.
Die 2D-Kultivierung von Schweine-Organoiden ermöglicht den Zugang zu beiden Seiten des Epithels und ermöglicht die Anwendung etablierter Methoden zur Untersuchung von Transportprozessen durch die Epithelschicht. Eine solche Methode ist die Ussing-Kammer18, die die Echtzeitbeobachtung elektrogener Absorptions- und Sekretionsprozesse im gesamten Epithel ermöglicht. Der umfangreiche Einsatz dieses Systems hat zu einem umfassenden Verständnis der Darmfunktion von Schweinen in vivo geführt, das die gesamte Darmachse abdeckt. Dazu gehören Studien zum Monosaccharidtransport oder Transport von kurzkettigen Fettsäuren oder Reaktionen auf sekundäre Pflanzenmetaboliten wie Resveratrol, die die Transporteigenschaften des Darms beeinflussen 19,20,21,22,23,24. Die umfangreiche Datenmenge aus diesen Studien ermöglicht direkte Vergleiche zwischen den gut charakterisierten in vivo-Bedingungen und der in vitro-Umgebung von Schweine-Organoiden und verbessert unser Verständnis ihrer physiologischen Relevanz.
In dieser Studie stellen wir ein Protokoll zur Generierung und Kultivierung von 2D-Monolayern aus 3D-Organoiden des Schweins vor. Darüber hinaus wird der methodische Ansatz zur Quantifizierung von intestinalen Transportprozessen mit Hilfe der Ussing-Kammertechnik detailliert beschrieben. Das Protokoll bietet Werkzeuge zur Untersuchung der absorbierenden und sekretorischen Eigenschaften in vitro in Jejunum- und Dickdarm-Organoiden, die einen direkten Vergleich mit gut charakterisierten in vivo-Bedingungen ermöglichen. Zukünftige Anwendungen dieses Protokolls könnten die Untersuchung der Wirkungen pharmakologischer oder toxikologischer Substanzen sowie die Erforschung von Wechselwirkungen zwischen dem Epithel und Krankheitserregern umfassen.
Für dieses Protokoll wurden zwei gesunde Schweine (Bentheimer Schwarzscheckenschwein; 1 Rüde, 1 Weibchen; 4,5 Monate alt; ca. 65 kg) durch Bolzenschuss und Blutungen in Gefangenschaft getötet. Nach dem Tierschutzgesetz ist dies (Schlachtung und Entnahme von Geweben) nicht als Tierversuch einzustufen, sondern muss dem Tierschutzbeauftragten (Registrierungs-Nr. TiHo-T-2023-15) der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover.
1. Beschichtung von Einlegeteilen
HINWEIS: Alle Schritte werden mit sterilen Materialien unter einem Sicherheitsschrank durchgeführt. Alle Schritte des Protokolls werden, sofern nicht anders angegeben, auf Eis durchgeführt.
2. Erzeugung von 2D-Organoid-Monoschichten
HINWEIS: Dickdarm-Organoide von Schweinen werden wie für jejunale Organoide von Schweinen beschrieben erzeugt und kultiviert25. Nach der Erzeugung von 3D-Organoiden sollten diese mindestens 3-4 Wochen lang während der wöchentlichen Passage kultiviert werden, um ein gleichmäßiges Wachstum zu gewährleisten. Die Anzahl der Zellen in jeder Kuppel, die 3D-Organoide enthalten, die in den nachfolgenden Schritten aufgelöst werden, reicht aus, um einen einzelnen Transmembranfilter abzudecken. Vor der Monolayer-Generierung wurden die 3D-Organoide einer optischen Qualitätskontrolle unterzogen, um das vorangegangene Wachstum und eine mögliche Kontamination zu überprüfen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Repräsentative 3D-Organoide. Dreidimensionale (A)-Jejunum- und (B)-Dickdarm-Organoide werden vor der Erzeugung von Monolagen sorgfältig unter dem Mikroskop untersucht. Besonderes Augenmerk wird auf die Beurteilung früherer Wachstumsmuster, der strukturellen Integrität und des Vorhandenseins von Verunreinigungen oder Verunreinigungen gelegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
3. Messung des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER)
HINWEIS: Alle Messungen werden unter einem Sicherheitsschrank durchgeführt, um eine Kontamination zu vermeiden. Vor dem Aussäen der Zellen wird jeder leere beschichtete Transwell vermessen, um individuelle Blindwerte zu erhalten. Das Volt-Ohm-Messgerät speichert die Werte auf einem eingeführten USB-Gerät.
4. Elektrophysiologische Transportuntersuchungen mit der Ussing-Kammertechnik
HINWEIS: Die Bestimmung der elektrophysiologischen Transportuntersuchungen erfolgt unter Verwendung einer Ussing-Kammer, die aus zwei Kammerkompartimenten besteht, die durch das Epithel getrennt sind. Diese Kammer ist über Ag/AgCl-Elektroden mit einer Spannungsklemme verbunden. Diese Technik ermöglicht die Verfolgung aktiver elektrogener Transportprozesse des Epithels durch die durch die Spannungsklemme induzierten Änderungen des Kurzschlussstroms (Isc) sowie des nach dem Ohmschen Gesetz berechneten Gewebewiderstands (Rt). Isc und Rt werden während des gesamten Experiments alle 6 s aufgezeichnet. Während des Experiments wird das untersuchte Gewebe mit Carbogen belüftet und mit modifizierten Krebs-Henseleit-Lösungen inkubiert, um lebensfähige Bedingungen zu gewährleisten. Indomethacin (10 μM) wird den Pufferlösungen zugesetzt, um die Prostaglandinsynthese zu hemmen26.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Ussing-Kammer. Dargestellt sind beide Kammern, die durch die Membran mit der gewachsenen 2D-Monoschicht getrennt sind. Beide Kammern sind mit Carbogen belüftet; Spannung und Strom werden von zwei Elektroden pro Kammer überwacht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
5. Analyse der Daten, die durch den Aufbau der Ussing-Kammer generiert werden
Dieses Protokoll erleichtert die zuverlässige Erzeugung von 2D-Monoschichten von Schweinen durch die Disaggregation von 3D-Organoiden, die aus dem Jejunum und dem Dickdarm von Schweinen stammen. Über einen Kultivierungszeitraum von 16 Tagen für Jejunum-Organoide und 9 Tagen für Dickdarm-Organoide bilden sich intakte Monolayer. Diese Monolagen können anschließend zur Beurteilung elektrogener und physiologischer Transporteigenschaften mit der Ussing-Kammertechnik verwendet werden.
Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung etablierter Schweine-3D-Organoide in einzelne Zellen, die dann auf Transwell-Membranen ausgesät werden, um eine intakte Monoschicht zu bilden. Diese Konfiguration ermöglicht den Zugang zur apikalen Seite der Zellen und erleichtert die Verwendung von Ussing-Kammern zur Überwachung von Absorptions- und Sekretionsprozessen.
Der erste und entscheidende Schritt in diesem mehrstufigen Prozess ist der präzi...
Wir haben keine Interessenkonflikte zu deklarieren.
Wir danken dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BLE# 28N-2-071-00) für die Förderung.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24 well plate | SARSTEDT AG & Co. KG | 8,33,922 | |
A83-01 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-10432 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
accujet S | Brand GmbH + Co KG, Wertheim, Germany | 26351 | |
Advanced DMEM/F12 Medium | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 12634010 | Store at 4 °C |
B27 supplement | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 17504044 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
CaCl2.2 H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | C3306 | Store at room temperature |
D(+)-Glucose (wasserfrei) | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.08337 | Store at room temperature |
DAPT | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-13027 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
D-Mannitol | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | M4125 | Store at room temperature |
DMSO | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | 154938 | Store at room temperature |
Electrode-Set (AgCl/PtIr/Std.) | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | #1316 | |
Eppendorf Research plus | Eppendorf SE, Hamburg, Gemany | 3123000063 | |
Eppendorf Research plus | Eppendorf SE, Hamburg, Gemany | 3123000047 | |
EVOM3 Manual Epithelial Volt Ohm Meter | World precision instruments, Sarasota, USA | EVM-MT-03-01 | |
FBS | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | F7524 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Forskolin | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | F6886 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
gasprofi 1 SCS micro | WLD-TEC GmbH, Arsenhausen, Germany | 60,04,000 | |
Gastrin 1 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-P1097 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Glutamax | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 35050061 | Store at 4 °C. |
HCl | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | 1090571000 | Store at room temperature |
HEPES | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | H0887 | Store at 4 °C |
Herasafe 2025 Class II Biological Safety Cabinet | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 51033316 | |
Incubator ICO105 | Memmert GmbH + Co.KG, Schwabach, Germany | 62,20,143 | |
Indomethacin | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | I7378 | Store at room temperature |
KCl | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.04936 | Store at room temperature |
L-Glutamin | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | G7513 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
LWRN Supernatant | selfmade | Store at -20 °C. Thaw when needed. LWRN supplement is produced according to Miyoshi et al. (2012) | |
Matrigel Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning Incorporated - Life Sciences | 354234 | Store at -20 °C. Thaw carefully on ice when needed |
Megafuge 1.OR | Heraeus Instruments, Osterode, Germany | 75003060 | |
MgCl2.6 H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.05833 | Store at room temperature |
Na2HPO4.2H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06580 | Store at room temperature |
N-Acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | A7250 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
NaCl | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06404 | Store at room temperature |
NaH2PO4.H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06346 | Store at room temperature |
NaHCO3 | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06329 | Store at room temperature |
Neubauer improved chamber | Glaswarenfabrik Karl Hecht, Sondheim vor der Rhön, Germany | 40442712 | |
Olympus IX70 iverted Microscope | Olympus Corporation, Hamburg, Germany | ||
Pen/Strep | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 15140122 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
PolymyxinB | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | P4932-1MU | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Primovert microscope stand with binocular phototube | Zeiss | 415510-1101-000 | |
rm EGF | Prepotech, New Jersey, USA | 315-09 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
SB202190 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-10295 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Snapwell 3801 | Corning Incorporated - Life Sciences | 3801 | |
Trypsin/EDTA | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 25300054 | |
Ussing Base System | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | #1317 | |
Ussing Diffusion Chamber | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | SKU 1307 | |
Voltage/Current Clamp VCC6 | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | SKU 1310 | |
Y27632 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-10583 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
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