Combinación de organoides humanos y tecnología organ-on-a-chip para modelar la funcionalidad específica de la región intestinal

Resumen

Los organoides intestinales derivados de biopsias y las tecnologías de organ-on-a-chips se combinan en una plataforma microfisiológica para recapitular la funcionalidad intestinal específica de la región.

Resumen

La mucosa intestinal es una barrera física y bioquímica compleja que cumple una miríada de funciones importantes. Permite el transporte, la absorción y el metabolismo de nutrientes y xenobióticos, al tiempo que facilita una relación simbiótica con la microbiota y restringe la invasión de microorganismos. La interacción funcional entre varios tipos de células y su entorno físico y bioquímico es vital para establecer y mantener la homeostasis del tejido intestinal. Modelar estas interacciones complejas y la fisiología intestinal integrada in vitro es un objetivo formidable con el potencial de transformar la forma en que se descubren y desarrollan nuevas dianas terapéuticas y candidatos a fármacos.

Los organoides y las tecnologías Organ-on-a-Chip se han combinado recientemente para generar chips intestinales relevantes para el ser humano adecuados para estudiar los aspectos funcionales de la fisiología intestinal y la fisiopatología in vitro. Los organoides derivados de las biopsias del intestino delgado (duodeno) y grueso se siembran en el compartimento superior de un chip de órgano y luego se expanden con éxito como monocapas mientras preservan las características celulares, moleculares y funcionales distintivas de cada región intestinal. Las células endoteliales microvasculares específicas del tejido del intestino humano se incorporan en el compartimento inferior del chip del órgano para recrear la interfaz epitelial-endotelial. Esta novedosa plataforma facilita la exposición luminal a nutrientes, fármacos y microorganismos, lo que permite estudios de transporte intestinal, permeabilidad e interacciones huésped-microbio.

Aquí, se proporciona un protocolo detallado para el establecimiento de chips intestinales que representan el duodeno humano (chip de duodeno) y el colon (chip de colon), y su posterior cultivo bajo flujo continuo y deformaciones similares a la peristalsis. Demostramos métodos para evaluar el metabolismo de fármacos y la inducción de CYP3A4 en chip duodeno utilizando inductores y sustratos prototípicos. Por último, proporcionamos un procedimiento paso a paso para el modelado in vitro de la interrupción de la barrera mediada por interferón gamma (IFNγ) (síndrome del intestino permeable) en un chip de colon, incluidos los métodos para evaluar la alteración de la permeabilidad paracelular, los cambios en la secreción de citoquinas y el perfil transcriptómico de las células dentro del chip.

Introducción

El intestino humano es un órgano complejo y multitarea capaz de autorregenerarse. Se divide en el intestino delgado y grueso. La función principal del intestino delgado es digerir aún más los alimentos que provienen del estómago, absorber todos los nutrientes y pasar el residuo al intestino grueso, que recupera el agua y los electrolitos. El intestino delgado se divide en múltiples regiones anatómicamente distintas: el duodeno, el yeyuno y el íleon, cada uno de los cuales está adaptado para realizar funciones específicas. Por ejemplo, el duodeno ayuda a descomponer el quimo (contenido del estómago) para permitir la absorción adecuada de nutrientes que involucran prote....

Protocolo

NOTA: Todos los cultivos celulares deben manejarse utilizando una técnica aséptica adecuada.

Los organoides intestinales humanos empleados en este estudio se obtuvieron de la Universidad Johns Hopkins y todos los métodos se llevaron a cabo de acuerdo con las pautas y regulaciones aprobadas. Todos los protocolos experimentales fueron aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad Johns Hopkins (IRB #NA 00038329).

1. Preparación de los reactivos de cultivo celular

1. Prepare el medio de crecimiento de organoides humanos siguiendo las instrucciones del fabricante (....

Resultados

La Figura 1D resume la línea de tiempo del cultivo de chips intestinales e ilustra las células endoteliales intestinales y los organoides antes y después de la siembra en el chip. Además, demuestra las diferencias morfológicas distintivas entre las virutas de duodeno y colon, destacadas por la presencia de formaciones similares a vellosidades en la vilipruta de duodeno y representativas de la arquitectura del intestino delgado.

La Figura .......

Discusión

La combinación de la tecnología de órganos en un chip y los organoides intestinales es prometedora para el modelado preciso de la fisiología intestinal humana y la fisiopatología. Aquí, proporcionamos un protocolo paso a paso simple y robusto (descrito en la Figura 1) para el establecimiento del chip intestinal que contiene epitelio intestinal delgado o colónico derivado de la biopsia y células endoteliales microvasculares intestinales cocultivadas en un dispositivo microfluídico. E.......

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
small intestine Human Intestinal Microvascular Endothelial Cells	AlphaBioRegen	ALHE15	0.5 cells M/ml ; cryopreserved
colon Human Intestinal Microvascular Endothelial Cells	AlphaBioRegen	ALHE16	0.5 cells M/ml ; cryopreserved
Biopsy-derived Human Duodenal Organoids	John Hopkin's University	-	The organoids were provided by Professor Mark Donowitz (Institutional Review Board Number: NA_00038329).
Biopsy-derived Human Colonic Organoids	John Hopkin's University	-	The organoids were provided by Professor Mark Donowitz (Institutional Review Board Number: NA_00038329).
Zoë CM-1™ Culture Module	Emulate Inc.	-	Culture module
Orb-HM1™ Hub Module	Emulate Inc.	-	5% CO2, vacuum stretch, and power supply
Chip-S1™ Stretchable Chip	Emulate Inc.	-	Organ-Chip
Pod™ Portable Modules	Emulate Inc.	-	Portable module
UV Light Box	Emulate Inc.	-	-
Chip Cradle	Emulate Inc.	-	1 per square culture dish
Steriflip®-HV Filters	EMD Millipore	SE1M003M00	0.45 μm PVDF filter
Square Cell Culture Dish (120 x 120 mm)	VWR	82051-068	-
Handheld vacuum aspirator	Corning	4930	-
Aspirating pipettes	Corning / Falcon	357558	2 mL, polystyrene, individually wrapped
Aspirating tips	-		Sterile (autoclaved)
Serological pipettes		-	2 mL, 5 mL, 10 mL, and 25 mL low endotoxin, sterile
Pipette			P20, P200, P1000 and standard multichannel
Pipette tips			P20, P200, and P1000.
Conical tubes (Protein LoBind® Tubes)	Eppendorf	0030122216; 0030122240	15 mL, 50 mL tubes
Eppendorf Tubes® lo-bind	Eppendorf	022431081	1.5 mL tubes
96 wells black walled plate	-	-	for epithelial permeability analysis
Microscope (with camera)	-	-	For bright-field imaging
Water bath (or beads)	-	-	Set to 37°C
Vacuum set-up	-	-	Minimum pressure: -70 kPa
Cell scrapers	Biotium	220033
T75 flasks	BD Falcon	353136	Cell culture flask
Emulate Reagent-1 (ER-1)	Emulate Inc.	-	Chip coating solution
Emulate Reagent-2 (ER-2)	Emulate Inc.	-	Chip coating solution
Dulbecco’s PBS (DPBS)	Corning	21-031-CV	1X
Cell Culture Grade Water	Corning	MT25055CV
Trypan blue	Sigma	93595	For cell counting
TryplE Express	ThermoFisher Scientific	12604013	Organoids dissociation and endothelium cells detachment solution
Advanced DMEM/F12	ThermoFisher Scientific	12634028	Medium
IntestiCult™ Organoid Growth Medium (Human)	Stem Cell technologies	06010	Organoid Growth Medium
Endothelial Cell Growth Medium MV 2	Promocell	C-22121	Endothelial medium
Fetal bovine serum (FBS)	Sigma	F4135	Serum
Primocin™	InvivoGen	ANT-PM-1	antimicrobial agent
Attachment Factor™	Cell Systems	4Z0-210	coating solution for flask
Matrigel - Growth Factor Reduced	Corning	356231	Solubilized basement membrane matrix
Collagen IV	Sigma	C5533	ECM component
Fibronectin	Corning	356008	ECM component
Y-27632	Stem Cell technologies	72304	organoid media supplement
CHIR99021	Reprocell	04-0004-10	organoid media supplement
Cell Recovery Solution	Corning	354253	Basement mebrane matrix dissociationsolution
Bovine Serum Albumin (BSA)	Sigma	A9576	30%, Sterile
Cell Culture Grade Water	Corning	MT25055CV	Sterile, Water
DMSO	Sigma	D2650	solvent
3KDa Dextran Cascade Blue	Invitrogen	D7132	10 mg powder
Rifampicin (RIF)	Sigma	Cat# R3501	CYP inducer
Testosterone hydrate	Sigma	T1500	CYP substrate
1,25-dihyroxy Vitamin D3 (VD3)	Sigma	Cat# D1530	CYP inducer
Acetonitrile with 0.1% (v/v) Formic acid	Sigma	159002	LCMS stop solution
IFNγ	Peprotech	300-02
4% Paraformaldehyde (PFA)	EMS	157-4	Fixative
Triton-X 100	Sigma	T8787
Normal Donkey Serum (NDS)	Sigma	566460
anti-Occludin	ThermoFisher Scientific	33-1500	tight junctions marker
anti-Claudin 4	ThermoFisher Scientific	36-4800	tight junctions marker
anti-E-cadherin	Abcam	ab1416	epithelial adherens junctions marker
anti-VE-cadherin	Abcam	ab33168	endothelial adherent junctions marker
anti- Zonula Occludens 1 (ZO-1)	Thermo Fischer	339194	tight junctions marker
DAPI	ThermoFisher Scientific	62248	nuclear stain
2-mercaptoethanol	Sigma	M6250
PureLink RNA Mini Kit	Invitrogen	12183020	RNA lysis, isolation and purification kit
SuperScript™ IV VILO™ Master Mix	Invitrogen	11756050	reverse transcriptase kit
TaqMan™ Fast Advanced Master Mix	Applied Biosystems	4444557	qPCR reagent
QuantStudio™ 5 Real-Time PCR System	Applied Biosystems	A28573	Real-time PCR cycler
18S primer	ThermoFisher Scientific	Hs99999901_s1	Eukaryotic 18S rRNA
CYP3A4 primer	ThermoFisher Scientific	Hs00604506_m1	Cytochrome  family 3 subfamily A member 4
Pierce™ Coomassie Plus (Bradford) Assay Kit	ThermoFisher Scientific	23236	Protein quantification kit
MSD Tris lysis buffer	Meso Scale Diagnostics	R60TX-3	Protein lysis buffer
Cleaved/Total Caspase-3 Whole Cell Lysate Kit	Meso Scale Diagnostics	K15140D	Caspase 3 detection kit
V-PLEX Vascular Injury Panel 2 Human Kit	Meso Scale Diagnostics	K15198D
V-PLEX Human Proinflammatory Panel II (4-Plex)	Meso Scale Diagnostics	K15053D
Zeiss LSM 880	Zeiss	-	Confocal microscope
Zeiss LD plan-Neofluar 20x/0.40 Korr M27	Zeiss	-	20X long-distance objective lenses
Zeiss AXIOvert.A1	Zeiss	-	Brightfield microscope
Zeiss LD A-Plan 10X/0.25 Ph1	Zeiss	-	10X objective lenses