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Method Article
Presentamos un método para la generación y caracterización de cultivos de organoides de la mucosa oral derivados del epitelio de la lengua de ratones adultos.
El revestimiento mucoso que cubre el interior de nuestra boca, la mucosa oral, es un tejido altamente compartimentado y se puede subdividir en la mucosa bucal, la encía, los labios, el paladar y la lengua. Su capa superior, el epitelio oral, es mantenida por las células madre adultas durante toda la vida. La proliferación y diferenciación de células madre epiteliales adultas se ha estudiado intensamente utilizando modelos de ratón in vivo , así como modelos in vitro basados en células alimentadoras bidimensionales (2D). Complementaria a estos métodos es la tecnología de organoides, en la que las células madre adultas se incrustan en un hidrogel rico en matriz extracelular (MEC) y se les proporciona un medio de cultivo que contiene un cóctel definido de factores de crecimiento. En estas condiciones, las células madre adultas proliferan y forman espontáneamente grupos de células tridimensionales (3D), los llamados organoides. Los cultivos de organoides se establecieron inicialmente a partir de células madre epiteliales del intestino delgado murino. Sin embargo, desde entonces el método se ha adaptado a otros tipos de células madre epiteliales. En este trabajo se describe un protocolo para la generación y caracterización de cultivos de organoides de mucosa oral murina. Las células epiteliales primarias se aíslan del tejido de la lengua murina, se incrustan en un hidrogel ECM y se cultivan en un medio que contiene: factor de crecimiento epidérmico (EGF), R-espondina y factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) 10. Dentro de los 7 a 14 días posteriores a la siembra inicial, los organoides resultantes pueden pasar para una mayor expansión y criopreservación. Además, presentamos estrategias para la caracterización de cultivos de organoides establecidos a través de imágenes 3D de montaje completo y análisis de expresión génica. Este protocolo puede servir como una herramienta para investigar el comportamiento de las células madre epiteliales orales ex vivo de una manera reduccionista.
La mucosa oral es el revestimiento mucoso que recubre el interior de nuestra boca. Funciona como la entrada del tracto alimentario y está involucrado en el inicio del proceso digestivo 1,2. Además, la mucosa oral actúa como barrera de nuestro cuerpo frente al entorno exterior, proporcionando protección contra las agresiones físicas, químicas y biológicas1. Según la función y la histología, la mucosa oral en los mamíferos se puede dividir en tres tipos: la mucosa masticatoria (que incluye el paladar duro y la encía), la mucosa de revestimiento (que funciona como la superficie del paladar blando, la superficie ventral de la lengua y la superficie bucal) y la mucosa especializada (que cubre la superficie dorsal de la lengua)2. Todos los tejidos de la mucosa oral constan de dos capas: el epitelio escamoso estratificado superficial y la lámina propia subyacente1. El queratinocito epitelial oral es el principal tipo de célula del epitelio, que también es la ubicación de las células inmunitarias intraepiteliales, como las células de Langerhans1. El compartimento estromal, la lámina propia, está formado por los diferentes tipos de células, como los fibroblastos, las células endoteliales, las células neuronales y las células inmunitarias1. Como en todos los epitelios estratificados, las células madre y progenitoras residen en la capa basal del epitelio oral1. Estas células especializadas tienen la capacidad de reemplazar el tejido perdido a través de las divisiones celulares y, por lo tanto, alimentan el recambio celular a lo largo de la vida adulta3. A diferencia de otros epitelios como el epitelio intestinal4 o la epidermis cutánea5, los epitelios orales siguen siendo poco conocidos. Sin embargo, estudios recientes descubrieron diferentes genes como Krt14, Lrig1, Sox2, Bmi1 y Gli1 que marcan las células madre y progenitoras epiteliales orales en ratones 1,6,7,8. Dado que el epitelio oral es el origen de los carcinomas orales y un actor fundamental en la inflamación, las heridas y la regeneración de la mucosa1, una mejor comprensión de su biología celular básica es primordial para posibles nuevos enfoques terapéuticos y descubrimientos de fármacos.
Los modelos animales han sido ampliamente utilizados para estudios básicos sobre el epitelio de la mucosa oral1. Por ejemplo, los marcadores antes mencionados de células madre y progenitoras epiteliales orales se han definido en gran medida utilizando modelos de ratón de rastreo de linaje genético 1,6,7,8,9. Sin embargo, los enfoques ex vivo que utilizan células cultivadas de origen humano o murino también se han utilizado ampliamente10. Convencionalmente, este trabajo de cultivo celular se ha realizado utilizando líneas celulares derivadas del carcinoma oral de células escamosas (OSCC) o líneas celulares generadas a partir de células primarias inmortalizadas (espontánea o genéticamente)10. Estos métodos de cultivo celular en 2D tienen limitaciones con implicaciones críticas en la investigación de la homeostasis adulta: (1) la inmortalización celular se acompaña de un alto grado de inestabilidad genética, (2) capacidad limitada para diferenciarse, (3) necesidad de células alimentadoras y (4) un medio de crecimiento en gran parte indefinido que contiene suero11. En conjunto, estos métodos in vitro de referencia no permitían cultivos a largo plazo de células madre epiteliales sin limitar su capacidad para proliferar y diferenciarse, así como para transformar su genoma de tipo salvaje.
La tecnología de organoides se ha convertido en una herramienta para establecer cultivos de tejido epitelial casi nativo in vitro11. En su estudio de 2009, Sato et al. describieron el primer sistema de cultivo de organoides epiteliales12. Su método se basó en la incorporación de células madre individuales del intestino delgado marcadas por el gen diana Wnt/β-catenina Lgr513en un hidrogel rico en matriz extracelular (ECM) en 3D12. Al proporcionar un cóctel definido de factores de crecimiento importantes para la madre, las células madre epiteliales adultas sembradas pudieron proliferar hasta su capacidad en cultivo12. Eventualmente, se formaron grupos de células a partir de las células madre de ciclo activo que contenían todos los principales tipos de células epiteliales intestinales12, que se asemeja efectivamente al tejido de origen11. A diferencia de los cultivos 2D convencionales, la tecnología de organoides permitió el mantenimiento a largo plazo de las células madre epiteliales intestinales murinas en condiciones sin alimentador con un medio sin suero y completamente definido10,11. Además, el método no altera significativamente la composición genética o el fenotipo de las células madre cultivadas11. Además, el cultivo a largo plazo conservó la capacidad de la célula madre para proliferar y diferenciarse sin necesidad de inmortalización celular11. En poco más de una década, este primer sistema de cultivo de organoides epiteliales se modificó para cultivar células madre adultas a partir de muchos otros tejidos epiteliales, como el colon (intestino grueso)12,14,15endometrio16hígado17,18Pulmones19,20, glándulas mamarias21ovarios22páncreas23,24, epidermis cutánea25y estómago26. Si bien la mayoría de los protocolos utilizaron células madre epiteliales adultas derivadas de mamíferos como los humanos11,27ratón11Gatos28Perros29y cerdos30, incluso ha sido posible generar organoides epiteliales a partir de glándulas de veneno de serpiente31. La tecnología de organoides se ha convertido en un método de cultivo de células madre ampliamente utilizado con un alto grado de versatilidad11. Como los organoides epiteliales permanecen en gran medida genéticamente32,33y fenotípicamente estables, son excelentes modelos para la edición de genes34,35para estudiar la función de los genes36o tumorigénesis27,37,38,39,40. Además, los cultivos de organoides se pueden trasplantar a ratones37,41y se utilizan para estudiar las interacciones huésped-microbio42(incluidas las infecciones patógenas43,44,45). Además, los cocultivos basados en organoides con células del microambiente, como las células inmunitarias46,47,48y fibroblastos49,50 han sido descritos. En el contexto de la enfermedad, los organoides se han utilizado para generaciones de biobancos de tejidos vivos21,22,51así como la prueba de drogas27para la eficacia52,53y toxicidad54.
En este protocolo, describimos una metodología optimizada para el establecimiento y mantenimiento de cultivos de organoides de mucosa oral a partir de epitelio de lengua murina. Se basa en informes previos que describen el aislamiento del epitelio de la lengua mediante digestión enzimática55 y la derivación de organoides epiteliales de mucosa oral humana y de ratón52,53. El medio de crecimiento de los organoides de la mucosa oral murina contiene factores críticos que mantienen el estado de las células madre. La R-espondina activa la cascadade señalización Wnt/β-catenina 5, mientras que el factor de crecimiento epidérmico (EGF) y el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) 10 son citocinas y ligandos de receptores tirosina quinasas que estimulan varias vías de señalización, como la vía MAPK/ERK y la vía PI3K/AKT/mTOR25. Describimos en detalle cómo los cultivos de organoides pueden caracterizarse mediante el análisis de expresión génica y proteica y compararse con el tejido de origen.
Todos los métodos aquí descritos se realizaron de acuerdo con la legislación de la Unión Europea y Alemania sobre experimentación animal.
NOTA: Prepare el lugar de trabajo, incluidos los instrumentos quirúrgicos estériles (pinzas finas, tijeras finas y bisturíes) y las placas de Petri llenas de PBSO frío. Descongele el BME durante la noche y manténgalo a 4 °C o en hielo hasta su uso. Precaliente las placas de cultivo celular en una incubadora durante la noche antes de comenzar el aislamiento celular. Todos los materiales se proporcionan en la Tabla de Materiales.
1 Establecimiento de cultivo de organoides de la mucosa oral murina
2 Pasaje, criopreservación y descongelación de organoides murinos de la mucosa oral
3 Análisis de expresión génica de tejido y organoides de la mucosa oral murina
4 Análisis de la expresión proteica de tejido y organoides de la mucosa oral murina
NOTA: La tinción de montaje completo del epitelio de la lengua se realizó en una placa de 24 pocillos, transfiriendo el tejido con pinzas de pocillo a pocillo en cada paso.
Este protocolo describe la separación del epitelio de la lengua de la lámina propia y el músculo subyacentes mediante un cóctel enzimático (Figura 1). El epitelio separado se puede utilizar además para la generación de organoides, así como para la recolección de diferentes tipos de análisis de genes y proteínas. Del mismo modo, la capa digerida de lámina propia y músculo se puede utilizar para los procedimientos de elección.
Digestión de tejidos
La digestión de la colagenasa ayuda a separar el epitelio de la lámina propia subyacente y el tejido muscular. Este paso permite una mejor comparación del tejido primario con los organoides de la mucosa oral generados posteriormente. Dado que la digestión excesiva con enzimas afecta a la capacidad de formación de organoides de las células madre epiteliales adultas, aconsejamos realizar la incubación de la colagenasa durante no más de 1 h ...
K.K. es nombrado el inventor de una patente pendiente que está relacionada con la tecnología de organoides.
Los autores desean agradecer a Sabine Kranz por su ayuda. Nos gustaría agradecer a la Unidad Central de Microscopía Confocal y Clasificación Celular basada en Citometría de Flujo del IZKF Würzburg por apoyar este estudio. Este trabajo fue financiado por una subvención de la Ayuda Alemana contra el Cáncer (a través de IZKF/MSNZ Würzburg a K.K.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Media & Media Components | |||
Advanced Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM)/F12 | Thermo Fisher Scientific | 12634-028 | |
B27 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504-044 | |
GlutaMAX-I (100x) | Thermo Fisher Scientific | 35050-038 | |
HEPES | Thermo Fisher Scientific | 15630-056 | |
N-acetyl-L-cysteine | Sigma Aldrich | A9165 | |
Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636 | |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
Primocin | Invivogen | ant-pm1 | |
RSPO3-Fc fusion protein conditioned medium | U-Protein Express BV | R001 | |
Recombinant human EGF | Preprotech | AF-100-15 | |
Recombinant human FGF-10 | Preprotech | 100-26 | |
ROCK (Rho kinase) inhibitor Y-27632 dihydrochloride | Hölzel Biotech | M1817 | |
Antibodies | |||
Keratin-14 Polyclonal Antibody 100µl | Biozol | BLD-905301 | |
E-Cadherin Antibody | Bio-Techne | AF748 | |
Purified Mouse Anti-Ki-67 Clone B56 (0.1 mg) | BD Bioscience | 556003 | |
ALEXA FLUOR 594 Donkey Anti Mouse | Thermo Fisher Scientific | A21203 | |
ALEXA FLUOR 647 Donkey Anti Rabbit | Thermo Fisher Scientific | A31573 | |
ALEXA FLUOR 488 Donkey Anti Goat | Thermo Fisher Scientific | A110555 | |
Reagents / Chemicals | |||
BME Type 2, RGF Cultrex Pathclear | Bio-Techne | 3533-005-02 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | 34943-1L-M | |
Collagenase A | Roche | 10103578001 | |
Donkey Serum | Sigma Aldrich | S30-100ML | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 100-100-15 | |
EDTA | Sigma Aldrich | 221465-25G | |
Ethanol, denatured (96 %) | Carl Roth | T171.3 | |
Formalin Solution, neutral buffered, 10% | Sigma Aldrich | HT501128-4L | |
TritonX-100 | Sigma Aldrich | X100-500ML | |
Tween-20 | Sigma Aldrich | P1379-500ML | |
TrypLE Express Enzyme (1×), phenol red | Thermo Fisher Scientific | 12605-010 | |
Xylene | Sigma Aldrich | 534056-500ML | |
Equipment and Others | |||
Cell culture 12-Well Multiwell Plates | Greiner BioOne | 392-0047 | |
Cell Strainer: 100 µm | VWR | 732-2759 | |
Cover Slips | VWR | 631-1569P | |
Glass Bottom Microplates VE=10 4580 | Corning | 13539050 | |
Objective Slides: Superfrost Plus | VWR | 631-0108P |
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