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Method Article
El protocolo combina la tecnología de organoides intestinales humanos con el análisis transcriptómico de células individuales para proporcionar información significativa sobre la biología intestinal previamente inexplorada.
La transcriptómica de células individuales ha revolucionado nuestra comprensión de la biología celular del cuerpo humano. Los cultivos de organoides del intestino delgado humano de última generación proporcionan sistemas modelo ex vivo que cierran la brecha entre los modelos animales y los estudios clínicos. La aplicación de la transcriptómica de células individuales a modelos de organoides intestinales humanos (HIO) está revelando la biología celular, la bioquímica y la fisiología del tracto gastrointestinal no reconocidas anteriormente. Las plataformas avanzadas de transcriptómica de células individuales utilizan particiones microfluídicas y códigos de barras para generar bibliotecas de ADNc. Estos ADNc con códigos de barras pueden ser fácilmente secuenciados por plataformas de secuenciación de próxima generación y utilizados por varias herramientas de visualización para generar mapas. Aquí, describimos métodos para cultivar y diferenciar HIOs de intestino delgado humano en diferentes formatos y procedimientos para aislar células viables de estos formatos que son adecuados para su uso en plataformas de perfiles transcripcionales de una sola célula. Estos protocolos y procedimientos facilitan el uso de HIOs del intestino delgado para obtener una mayor comprensión de la respuesta celular del epitelio intestinal humano a nivel transcripcional en el contexto de una variedad de entornos diferentes.
El epitelio del intestino delgado tiene dos zonas distintas: la cripta que alberga la célula madre intestinal (ISC) y las vellosidades, que está compuesta por células diferenciadas de los linajes secretor y absorbente. A esta complejidad se suma la especificidad regional del epitelio que proporciona propiedades funcionales únicas entre las regiones del intestino delgado. Un trabajo pionero estableció las condiciones de cultivo en las que tanto la cripta del intestino delgado humano como las zonas de vellosidades pueden generarse ex vivo a partir de tejidos quirúrgicos o biopsias de tejido1. Estos cultivos están cerrando la brecha entre los estudios en animales y los ensayos clínicos y están revelando la biología celular, la bioquímica y la fisiología del tracto gastrointestinal no reconocidas anteriormente. Las HIOs se propagan como estructuras esféricas 3D utilizando un medio con factores de crecimiento que promueven la viabilidad de las células madre y matrices de soporte extracelular. Estas condiciones dan como resultado un modelo de HIO similar a una cripta que consta principalmente de progenitores y células madre. La eliminación de los factores de crecimiento promueve la diferenciación de ISC (modelo similar a vellosidades) y la producción de células epiteliales intestinales maduras (cáliz, enteroendocrino, penacho, enterocito) en proporciones apropiadas junto con la proliferación y diferenciación celular, la polarización, la integridad de la barrera, las características específicas regionales y las respuestas fisiológicas apropiadas2. Los cultivos de HIO son genéticamente estables y pueden propagarse indefinidamente en su estado similar a una cripta. El fácil acceso a la superficie apical de estos cultivos es proporcionado por las condiciones de cultivo que permiten el crecimiento en un formato monocapa3. Las HIO también permiten incluir en los análisis biológicos consideraciones sobre la variabilidad individual del huésped, como la genética, la edad, el sexo, el origen étnico y el estado de la enfermedad. Las herramientas de evaluación analítica y funcional son idénticas a las utilizadas en los enfoques centrados en líneas celulares transformadas e incluyen una variedad de técnicas moleculares como la citometría de flujo, la microscopía, la transcriptómica, la proteómica y la metabolómica.
La transcriptómica de células individuales está revolucionando nuestra comprensión de la biología y la fisiología del intestino delgado al proporcionar información sobre las contribuciones individuales de cada tipo de célula a un proceso biológico. El trabajo pionero con esta tecnología ha proporcionado un panorama de los tipos de células presentes en el intestino humano nativo 4,5,6. Las plataformas de perfiles transcripcionales de células individuales permiten explorar el panorama transcripcional de células individuales, lo que permite que la heterogeneidad celular pase a primer plano en la exploración científica. En algunas plataformas de perfiles transcripcionales de una sola célula, la partición microfluídica y el código de barras se utilizan para generar bibliotecas de ADNc a partir de ARNm celulares poliadenilados obtenidos de hasta 10.000 células por muestra. En esta plataforma, las gotas que contienen células individuales, oligonucleótidos con código de barras, reactivos de transcripción inversa y aceite forman una vesícula de reacción que da como resultado que todos los ADNc de una sola célula tengan el mismo código de barras. A continuación, los ADNc con códigos de barras se pueden secuenciar de forma eficiente mediante la secuenciación de última generación. Los datos generados se pueden manejar a través de software y herramientas de visualización, que convierten las secuencias con códigos de barras en mapas de visualización y perfiles transcripcionales de una sola célula. Las poblaciones celulares pueden identificarse utilizando bases de datos disponibles públicamente del epitelio del intestino delgado humano 4,5,6. Aunque muchos estudios han utilizado esta plataforma para interrogar organoides intestinales murinos a nivel de una sola célula, el análisis de las respuestas transcripcionales de una sola célula de las HIO se ha quedado atrás 7,8,9,10,11,12.
Aquí, proporcionamos una guía paso a paso para aislar células viables de OHIO del intestino delgado para su procesamiento en plataformas de perfiles transcripcionales de células individuales (Figura 1). Proporcionamos pautas de cultivo y diferenciación junto con componentes de medios que se han optimizado para la diferenciación epitelial. Describimos métodos de recuperación celular para tres formatos de cultivo diferentes: cultivos tridimensionales (3D) y monocapa, ya sea en plástico o en insertos de cultivo celular de membrana. Proporcionamos datos de agrupamiento de muestras obtenidos mediante software de código abierto para derivar genes expresados diferencialmente en cada clúster.
Las líneas de organoides utilizadas aquí se obtuvieron del Centro de Enfermedades Digestivas GEMS Core del Centro Médico de Texas. Brevemente, para establecer inicialmente líneas de organoides, las muestras de tejido del donante se lavaron y se digierieron enzimáticamente para liberar las criptas intestinales. Las criptas se incrustaron en una membrana basal y se cultivaron en un medio. La Junta de Revisión Institucional de la Facultad de Medicina de Baylor aprobó el protocolo del estudio para obtener muestras de tejido a partir de las cuales se establecieron líneas de organoides, y se obtuvo el consentimiento informado de todos los donantes para establecer líneas de organoides a partir del tejido donado.
1. Aprobación de las OHIO 3D para expandirlas y diferenciarlas
2. Diferenciación HIO: formato 3D
3. Diferenciación HIO: Formato monocapa
4. Preparación de suspensiones unicelulares a partir de HIOs 3D diferenciadas para transcriptómica unicelular
5. Preparación de suspensiones unicelulares a partir de HIOs diferenciadas en un inserto de cultivo celular de membrana
6. Preparación de suspensiones unicelulares a partir de HIOs diferenciadas como monocapas de 96 pocillos
Las suspensiones unicelulares se agruparon a partir de 2-3 pocillos de inserto de cultivo celular de membrana, monocapa y OHIO 3D para garantizar un rendimiento celular suficiente y reducir la variación de pocillo a pocillo. Las bibliotecas de células individuales se prepararon utilizando reactivos específicos para la plataforma de perfiles transcripcionales de células individuales. y secuenciado con lecturas finales emparejadas en una plataforma de secuenciación de próxima generación, 30.000 lecturas/celda. Las l...
Mediante el uso de plataformas genómicas unicelulares, los sistemas biológicos complejos, como los cultivos de HIO derivados de tejidos que modelan el epitelio intestinal, se pueden descomponer para producir contribuciones celulares individuales a la respuesta biológica general 4,5,6. La heterogeneidad celular y las poblaciones de células raras también pueden ser identificadas e interrogadas. La entrada celular debe optimiz...
Los autores no tienen conflictos de intereses.
Los autores reconocen las subvenciones U19 AI157984, U01 DK103168, U19 AI144297, P30 DK56338, P01 AI057788, U19 AI116497 y el Aviso de Acuerdo de Cooperación de la NASA/TRISH NNX16AO69A.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
[Leu15]-Gastrin I | Sigma-Aldrich | G9145 | 10 nM |
0.05% Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25300054 | |
0.4% Trypan blue | Millipore-Sigma | T8154 | |
0.5 M EDTA | Corning | 46-034-CI | |
1x PBS Ca- Mg- | Corning | 21-040-CM | |
24 mm Transwell | Costar | 3412 | |
24 well Nunclon delta surface tissue culture dish | Thermo Scientific | 142475 | |
40 µm cell strainer | Falcon | 352340 | |
40 µm Flowmi tip strainer | SP Bel-Art Labware | H13680-0040 | |
70 µm Flowmi tip strainer | SP Bel-Art Labware | H13680-0070 | |
96 well plate | Corning | 3595 | |
A-83-01 | Tocris | 2939 | 500 nM |
Accutase | StemCell Technologies | 7920 | |
Advanced DMEM/F12 | Invitrogen | 12634-028 | |
B27 supplement | Invitrogen | 17504-044 | 1X |
Chromium Next GEM Single Cell 3’ GEM, Library & Gel Bead Kit v3.1 | 10x Genomics | PN-1000128 | |
Collagen IV | Sigma-Aldrich | C5533-5MG | 33 µg/mL |
Corning Cell Recovery Solution | VWR | 354253 | |
DPBS (Mg2-, Ca2-) | Invitrogen | 14190-136 | 1X |
GlutaMAX-I | Invitrogen | 35050-061 | 2 mM |
HEPES 1M | Invitrogen | 15630-080 | 10 mM |
L-WRN conditioned media | ATCC | CRL-3276 | |
Matrigel, GFR, phenol free | Corning | 356231 | |
mouse recombinant EGF | Invitrogen | PMG8043 | 50 ng/mL |
N2 supplement | Invitrogen | 17502-048 | 1X |
N-Acetylcysteine | Sigma-Aldrich | A9165-5G | 500 µM |
Nicotinamide | Sigma-Aldrich | N0636 | 10 mM |
SB202190 | Sigma-Aldrich | S7067 | 10 µM |
Transwell | Corning | 3413 | |
Y27632 | Stem Cell Technologies | 72308 | 10 µM |
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