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El presente protocolo describe las mediciones de pH en organoides gástricos derivados de tejidos humanos utilizando microelectrodos para la caracterización espacio-temporal de la fisiología intraluminal.
La optimización y caracterización detallada de modelos de organoides gastrointestinales requiere métodos avanzados para analizar sus entornos luminales. Este artículo presenta un método altamente reproducible para la medición precisa del pH dentro de la lumina de organoides gástricos humanos en 3D a través de microelectrodos controlados por micromanipuladores. Los microelectrodos de pH están disponibles en el mercado y consisten en puntas de vidrio biseladas de 25 μm de diámetro. Para las mediciones, el microelectrodo de pH se introduce en el lumen de un organoide (>200 μm) que está suspendido en Matrigel, mientras que un electrodo de referencia descansa sumergido en el medio circundante en la placa de cultivo.
Utilizando estos microelectrodos para perfilar organoides derivados del cuerpo gástrico humano, demostramos que el pH luminal es relativamente consistente dentro de cada cultivo bien a ~7,7 ± 0,037 y que se pueden obtener mediciones continuas durante un mínimo de 15 min. En algunos organoides más grandes, las mediciones revelaron un gradiente de pH entre la superficie epitelial y el lumen, lo que sugiere que las mediciones de pH en organoides se pueden lograr con alta resolución espacial. En un estudio anterior, los microelectrodos se utilizaron con éxito para medir las concentraciones de oxígeno luminal en organoides, lo que demuestra la versatilidad de este método para el análisis de organoides. En resumen, este protocolo describe una herramienta importante para la caracterización funcional del espacio luminal complejo dentro de organoides 3D.
Los organoides, estructuras multicelulares en miniatura derivadas de células madre, han revolucionado nuestra capacidad para estudiar la fisiología humana y están comenzando a reemplazar a los modelos animales, inclusoen entornos regulatorios. Desde la descripción inicial de los organoides intestinales por Sato et al. en 2009, la tecnología de organoides se ha vuelto inmensamente popular2. Un gran número de estudios han caracterizado con gran detalle la composición celular y la función de los modelos de organoides 3,4,5,6. Sin embargo, el espacio luminal de estas estructuras multicelulares 3D sigue siendo en gran medida indefinido 7,8. La luz es la cavidad central de los organoides derivados de los tejidos mucosos que está rodeada por las porciones apicales de las células epiteliales polarizadas. Dado que la secreción y absorción celular ocurre predominantemente en la superficie epitelial apical, el microambiente luminal de los organoides está controlado por estos importantes procesos fisiológicos. Los modelos de organoides utilizados actualmente demuestran variaciones en los patrones de señalización celular, la talla general, los gradientes de concentración de metabolitos y las condiciones ambientales9. Por lo tanto, la comprensión de la fisiología luminal de los organoides es necesaria para el modelado preciso de la función y la patología de los órganos. Desafortunadamente, la relativa inaccesibilidad del lumen dificulta significativamente los análisis funcionales de la fisiología luminal en organoides 3D10.
La capacidad de examinar los perfiles de pH es especialmente importante en el estómago, que es conocido por tener el gradiente de protones más pronunciado del cuerpo, que va desde aproximadamente 1-3 en el lumen, hasta casi neutro en el epitelio 11,12,13. Sigue habiendo una brecha significativa en nuestra comprensión del mantenimiento a microescala del gradiente de pH gástrico y la relevancia de los modelos de organoides para recapitular este entorno dinámico a través de la capa de moco gástrico. Los enfoques tradicionales para el análisis del pH de los organoides han implicado el uso de colorantes sensibles al pH, que pueden ser fluorescentes o indicadores colorimétricos. McCracken et al. utilizaron una inyección luminal de SNARF-5F, un indicador de pH radiométrico, en organoides para analizar una caída en el pH luminal en respuesta al tratamiento con histamina. Dichos colorantes se pueden incorporar a los medios de cultivo, lo que permite un monitoreo no invasivo y en tiempo real del pH. Los colorantes sensibles al pH no solo requieren pasos de calibración complejos que contribuyen a una baja confiabilidad y precisión en las mediciones, sino que dichos colorantes también tienden a operar dentro de rangos de detección específicos que pueden no ser representativos del rango de pH completo dentro del microambiente de interés14,15. Sin embargo, podría considerarse razonable utilizar tintes indicadores para experimentos confirmatorios. También se han desarrollado nanosensores ópticos que utilizan enfoques de detección de pH basados en optódos fluorescentes; Sin embargo, estas técnicas de detección requieren imágenes microscópicas y también son susceptibles al fotoblanqueo, a la fototoxicidad y al sesgo de las imágenes16,17. Además, Brooks et al. tienen placas multipocillos impresas en 3D que contienen microelectrodos sobre los cuales se pueden recubrir organoides18. Este enfoque, sin embargo, no permite mediciones directamente dentro del lumen del organoide.
Las mediciones de pH basadas en electrodos pueden lograr una precisión mejorada en comparación con otros métodos, así como proporcionar un monitoreo de pH en tiempo real. Además, los electrodos de pH montados en micromanipuladores permiten una resolución espacial superior de las mediciones de pH, ya que la ubicación precisa de la punta del electrodo se puede controlar con precisión. Esto permite la mayor flexibilidad y reproducibilidad posible en los análisis de modelos de organoides. Los electrodos utilizados aquí son microelectrodos de pH miniaturizados que funcionan en base a la difusión de protones a través de un vidrio de pH selectivo que rodea un delgado alambre de platino. El microelectrodo se conecta a un electrodo de referencia Ag-AgCl externo y luego se conecta a un medidor de milivoltios de alta impedancia. El potencial eléctrico entre las dos puntas de los electrodos cuando se sumergen en la misma solución reflejará el pH de la solución19. Estos sistemas de microperfilado se han utilizado en el análisis metabólico de biopelículas20,21, algas planctónicas22, muestras de esputo humano23 e incluso en esferoides de células madre mesenquimales24. Tanto nuestro laboratorio como Murphy et al. han utilizado previamente microelectrodos deO2 controlados por micromanipuladores para evaluar las concentraciones de oxígeno en los espacios luminales de los organoides. Murphy et al. combinaron este método con modelos matemáticos para revelar un gradiente de oxígeno dentro de sus esferoides. Nuestro grupo fue capaz de encontrar niveles reducidos de oxígeno luminal en organoides gástricos derivados de tejidos en comparación con la matriz extracelular circundante25.
Aquí, proporcionamos un método detallado para el perfil manual de microelectrodos del pH luminal en organoides esféricos del tracto gastrointestinal que permitirá una mejor comprensión fisiológica de su complejo microambiente luminal. Anticipamos que esta técnica agregará una nueva dimensión a la exploración de la fisiología de los organoides a través de mediciones en tiempo real y de alta resolución de los niveles de pH a microescala. Además, el siguiente protocolo podría adaptarse fácilmente para el análisis deO2,N2, O,H2, NO,H2, Redox y temperatura en varios tipos de modelos de organoides. El perfil fisiológico sirve como una herramienta valiosa para optimizar las condiciones de cultivo de organoides para imitar mejor los entornos in vivo , mejorando así la relevancia y utilidad de los modelos de organoides en la investigación biomédica.
Este protocolo requiere organoides 3D de al menos 200 μm de diámetro que tengan un lumen distinto y que estén incrustados en una matriz extracelular artificial (ECM, por ejemplo, Matrigel). Los tejidos gástricos humanos para la derivación de organoides se obtuvieron con la aprobación de la Junta de Revisión Institucional de la Universidad Estatal de Montana y el consentimiento informado de los pacientes que se sometieron a una endoscopia superior en Bozeman Health (protocolo # 2023-48-FCR, a D.B.) o como muestras exentas de gastrectomía de estómago entero o manga del Intercambio Nacional de Investigación de Enfermedades (protocolo #DB062615-EX). La información sobre las líneas de organoides y los números de paso utilizados para este estudio se proporciona en la Tabla 1, y la composición del medio se enumera en la Tabla 2. Consultar los protocolos publicados previamente para la generación y mantenimiento de líneas de organoides gastrointestinales 6,26,27.
1. Preparación de organoides gástricos humanos para el perfilado de pH
2. Desempaquetado y calibración de microelectrodos
NOTA: Para permitir las mediciones a microescala, se utiliza un electrodo de referencia separado además del microelectrodo del sensor de pH en lugar de utilizar un diseño integrado (y, por lo tanto, más voluminoso). Tanto el microelectrodo de pH como el electrodo de referencia deben almacenarse húmedos. No permita la exposición al aire durante más de 10 minutos seguidos. Determine el tamaño de punta apropiado para la aplicación. En este caso, utilizamos un microelectrodo potenciométrico de pH con un diámetro de punta biselada de 25 μm.
3. Perfil de pH de organoides gástricos humanos
NOTA: Se describe el siguiente protocolo para un usuario diestro. PRECAUCIÓN: Deshabilite todas las opciones de ahorro de energía en su PC, ya que las mediciones en curso se interrumpirán si la PC entra en modo de suspensión.
4. Perfilado motorizado (opcional)
NOTA: Esta opción requiere un micromanipulador que está montado en una etapa de motor mecánico, que en última instancia es controlado por un software de computadora a través de un controlador de motor31.
5. Limpieza de electrodos
6. Almacenamiento de electrodos
NOTA: Ambos electrodos deben almacenarse a temperatura ambiente en un lugar de baja actividad, a salvo de daños accidentales.
7. Inyección de rojo de metilo (opcional)
NOTA: El rojo de metilo es un colorante indicador colorimétrico que se puede utilizar para validar las mediciones de microelectrodos.
La secreción de ácido es una función crucial del estómago humano. Sin embargo, hasta qué punto la secreción ácida puede modelarse en organoides sigue siendo un tema de debate 6,32,33,34. Por lo tanto, desarrollamos el protocolo detallado anteriormente para medir con precisión la producción de ácido en organoides gástricos. En particular, utilizamos organoides derivados de células ma...
El acceso limitado al espacio luminal de los organoides ha restringido severamente nuestra comprensión de la dinámica fisiológica de este microambiente. Una herramienta fiable para los análisis funcionales de la fisiología luminal ampliará nuestra capacidad de aprovechar los organoides como modelos in vitro para la fisiología, la farmacología y la investigación de enfermedades. Los organoides son modelos altamente ajustables, fisiológicamente relevantes, con el potencial añadido de replicar la variabi...
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Los autores desean agradecer a la Dra. Ellen Lauchnor, al Dr. Phil Stewart y a Bengisu Kilic por su trabajo previo y su asistencia con los microsensores deO2 ; Andy Sebrell por su formación en cultivo de organoides y micromanipulación; Lexi Burcham por su asistencia en el cultivo de organoides, la preparación de los medios, el registro de datos y la organización; y la Dra. Susy Kohout para consejos generales en electrofisiología. Nos gustaría agradecer a la Dra. Heidi Smith por su ayuda con las imágenes y reconocer a la Instalación de Bioimágenes del Centro de Ingeniería de Biopelículas de la Universidad Estatal de Montana, que cuenta con el apoyo financiero del Programa de Resonancia Magnética de la Fundación Nacional de Ciencias (2018562), el M.J. Murdock Charitable Trust (202016116), el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (77369LSRIP y W911NF1910288) y la Instalación de Nanotecnología de Montana (un miembro de NNCI apoyado por la subvención NSF ECCS-2025391).
Un agradecimiento especial a todo el equipo de Unisense que hizo posible este trabajo, especialmente al Dr. Andrew Cerskus, la Dra. Laura Woods, el Dr. Lars Larsen, el Dr. Tage Dalsgaard, la Dra. Line Daugaard, la Dra. Karen Maegaard y Mette Gammelgaard. La financiación de nuestro estudio fue proporcionada por las subvenciones R01 GM13140801 (D.B., R.B.) y UL1 TR002319 (K.N.L.) de los Institutos Nacionales de Salud, y un Premio de Expansión de Investigación de la Oficina de Investigación y Desarrollo Económico (D.B.) de la Universidad Estatal de Montana. La Figura 1A se creó con BioRender.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3 M KCl | Unisense | ||
5 mL Wobble-not Serological Pipet, Individually Wrapped, Paper/Plastic, Bag, Sterile | CellTreat | 229091B | |
10 mL Wobble-not Serological Pipet, Individually Wrapped, Paper/Plastic, Bag, Sterile | CellTreat | 229092B | |
15 mL Centrifuge Tube - Foam Rack, Sterile | CellTreat | 229412 | |
24 Well Tissue Culture Plate, Sterile | CellTreat | 229124 | |
25 mL Wobble-not Serological Pipet, Individually Wrapped, Paper/Plastic, Bag, Sterile | CellTreat | 229093B | |
35 mm Dish | No. 1.5 Coverslip | 20 mm Glass Diameter | Uncoated | MatTek | P35G-1.5-20-C | |
50 mL Centrifuge Tube - Foam Rack, Sterile | CellTreat | 229422 | |
70% Ethanol | BP82031GAL | BP82031GAL | |
70 μm Cell Strainer, Individually Wrapped, Sterile | CellTreat | 229483 | |
1,000 µL Extended Length Low Retention Pipette Tips, Racked, Sterile | CellTreat | 229037 | |
Amphotericin B (Fungizone) Solution | HyClone Laboratories, Inc | SV30078.01 | |
Biosafety Cabinet | Nuaire | NU-425-600 | Class II Type A/B3 |
Bovine Serum Albumin | Fisher Bioreagents | BP1605-100 | |
Cell recovery solution | Corning | 354253 | Cell dissociation solution |
DMEM/F-12 (Advanced DMEM) | Gibco | 12-491-015 | |
Dulbecco's Modification of Eagles Medium (DMEM) | Fisher Scientific | 15017CV | |
Fetal Bovine Serum | HyClone Laboratories, Inc | SH30088 | |
G418 Sulfate | Corning | 30-234-CR | |
Gentamycin sulfate | IBI Scientific | IB02030 | |
HEPES, Free Acid | Cytiva | SH30237.01 | |
HP Pavillion 2-in-1 14" Laptop Intel Core i3 | HP | M03840-001 | |
Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144C-212 | |
Incubator | Fisher Scientific | 11676604 | |
iPhone 12 camera | Apple | ||
L-glutamine | Cytiva | SH3003401 | |
Large Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply | Fisher Scientific | 34133 | |
M 205 FA Stereomicroscope | Leica | ||
Matrigel Membrane Matrix 354234 | Corning | CB-40234 | |
MC-1 UniMotor Controller | Unisense | ||
Methyl red | |||
MM33 Micromanipulator | Marzhauser Wetzlar | 61-42-113-0000 | Right handed |
MS-15 Motorized Stage | Unisense | ||
Nanoject-II | Drummond | 3-000-204 | nanoliter autoinjector |
Penicillin/Streptomycin (10,000 U/mL) | Gibco | 15-140-148 | |
pH Microelectrodes | Unisense | 50-109158, 25-203452, 25-205272, 25-111626, 25-109160 | SensorTrace software is not compatible with Apple computers |
Reference Electrode | Unisense | REF-RM-001652 | SensorTrace software is not compatible with Apple computers |
SB 431542 | Tocris Bioscience | 16-141-0 | |
Smartphone Camera Adapter | Gosky | ||
Specifications Laboratory Stand LS | Unisense | LS-009238 | |
Trypsin-EDTA 0.025%, phenol red | Gibco | 25-200-056 | |
UniAmp | Unisense | 11632 | |
United Biosystems Inc MINI CELL SCRAPERS 200/PK | Fisher | MCS-200 | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris Bioscience | 12-541-0 | |
µSensor Calibration Kit | Unisense/ Mettler Toledo | 51-305-070, 51-302-069 | pH 4.01 and 9.21, 20 mL packets |
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