Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
Method Article
Ce protocole décrit un modèle apico-out d’entérocolite nécrosante (ECN) dans une boîte utilisant des entéroïdes intestinaux grêles à polarité inversée, permettant l’accès à la surface apicale. Nous fournissons un protocole de coloration immunofluorescente pour détecter la perturbation épithéliale liée à l’ECN et une méthode pour déterminer la viabilité des entéroïdes à sortie apicale soumis au protocole NEC-in-a-dish.
L’entérocolite nécrosante (ECN) est une maladie dévastatrice qui touche les nouveau-nés prématurés, caractérisée par une inflammation intestinale et une nécrose. Les entéroïdes sont récemment apparus comme un système prometteur pour modéliser les pathologies gastro-intestinales. Cependant, les méthodes actuellement utilisées pour la manipulation entéroïde n’ont pas accès à la surface apicale de l’épithélium (tridimensionnel [3D]) ou sont longues et gourmandes en ressources (monocouches bidimensionnelles [2D]). Ces méthodes nécessitent souvent des étapes supplémentaires, telles que la micro-injection, pour que le modèle devienne physiologiquement transposable. Ici, nous décrivons un protocole physiologiquement pertinent et peu coûteux pour étudier l’ECN in vitro en inversant la polarité entéroïde, ce qui donne à la surface apicale tournée vers l’extérieur (apical-out). Un protocole de coloration immunofluorescente pour examiner l’intégrité de la barrière entéroïde et l’expression des protéines jonctionnelles après une exposition au facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-α) ou au lipopolysaccharide (LPS) dans des conditions normoxiques ou hypoxiques est également fourni. La viabilité des entéroïdes 3D exposés au LPS normoxique ou hypoxique ou au TNF-α pendant 24 heures est également évaluée. Les entéroïdes exposés au LPS ou au TNF-α, en combinaison avec l’hypoxie, présentaient une perturbation de l’architecture épithéliale, une perte de l’expression de la protéine de jonction adhérente et une réduction de la viabilité cellulaire. Ce protocole décrit un nouveau modèle d’ECN dans une boîte qui présente une plate-forme physiologiquement pertinente et rentable pour identifier les cibles épithéliales potentielles pour les thérapies NEC et étudier la réponse intestinale prématurée aux traitements.
L’entérocolite nécrosante (ECN), une maladie inflammatoire grave de l’intestin grêle survenant chez jusqu’à 10 % des nouveau-nés prématurés, est généralement associée à une morbidité et une mortalité élevées 1,2. Les taux de mortalité approchant les 50% chez les nourrissons de très faible poids de naissance (<1500 g), nécessitant une intervention chirurgicale, ne sont pas rares3. Bien que l’étiologie exacte de l’ECN ne soit pas actuellement comprise, on pense que les facteurs de risque, tels que l’alimentation au lait maternisé, s’ajoutent à des anomalies physiologiques, telles que la dysbiose, un épithélium intestinal immature et une barrière intestinale dysfonctionnelle, dans le développement de la maladie 2,4. Malgré des efforts importants, peu de progrès ont été réalisés dans la prévention ou le traitement de l’ECN au cours de la dernière décennie5. Une nouvelle méthode in vitro pour étudier l’ECN et le dysfonctionnement de la barrière épithéliale intestinale associée est nécessaire pour faire progresser la compréhension de la pathogenèse de la maladie, car les résultats des modèles animaux ont, jusqu’à présent, mal transposé au chevet du patient6.
Un certain nombre de modèles in vitro ont été utilisés pour étudier les mécanismes en jeu pendant l’ECN. La lignée cellulaire épithéliale intestinale humaine, Caco-2, est parmi les modèles in vitro les plus couramment utilisés de NEC 7,8. Les cellules Caco-2 émulent les caractéristiques morphologiques de l’intestin grêle, mais, en tant que lignée cellulaire, ne se différencient pas dans la grande variété de types de cellules in vivo, y compris les cellules caliciformes productrices de mucus, nécessaires pour un modèle hautement traduisible. HT-29-MTX, cellules d’adénocarcinome du côlon humain, comprennent un phénotype mixte d’entérocyte et de cellules caliciformes, mais manquent encore de types cellulaires à base de cryptes de l’épithélium intestinal9. IEC-6 et IEC-18 sont des lignées cellulaires non transformées avec une morphologie immature semblable à une crypte iléale mais ne sont pas dérivées de tissus humains, ce qui limite leur capacité de traduction. Les lignées cellulaires intestinales FHs 74-Int et H4 sont dérivées de tissus fœtaux humains et ne forment pas de jonctions serrées ou de monocouches polarisées10,11, et sont donc immatures par rapport aux nourrissons les plus prématurés sensibles à l’ECN. En règle générale, les modèles in vitro d’ECN utilisent des traitements lipopolysaccharidiques (LPS) pour induire le récepteur 4 de type Toll (TLR4), un récepteur majeur initiant l’inflammation intestinale dans NEC12. Les dommages induits par le traitement des espèces réactives de l’oxygène (ROS), généralement par le peroxyde d’hydrogène, sont souvent utilisés pour induire des dommages oxydatifs de type NEC et l’apoptose13,14. En tant que principal moteur de l’inflammation intestinale, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-α), un composant en aval de la signalisation inflammatoire TLR4, est également couramment utilisé dans ces modèles in vitro pour imiter la pathogenèse in vivo 15.
Les organoïdes, générés à partir de cellules souches pluripotentes inductibles (CSPi), ont gagné en popularité en tant que modèle in vitro de l’intestin en raison de leur capacité à récapituler l’architecture complexe in vivo et la composition de type cellulaire du tissu dont ils sont dérivés16,17. Un système in vitro apparenté, les entéroïdes, sont des organoïdes dérivés de cryptes intestinales réséquées qui sont plus faciles à établir et à maintenir que les organoïdes dérivés de CSPi. Les entéroïdes sont généralement cultivés dans une matrice extracellulaire (ECM) tridimensionnelle (3D) avec un accès expérimental limité à la surface cellulaire basolatérale. Des méthodes, telles que la microinjection18,19, ont été développées pour surmonter cette barrière à la surface apicale, mais l’accumulation de débris cellulaires et de mucus dans la lumière rend la micro-injection à la fois techniquement difficile et incohérente. Comme les plates-formes de micro-injection robotique personnalisées ne sont pas largement accessibles20, la variabilité de la capacité technique et de la technique générale d’un laboratoire à l’autre devient une variable importante à surmonter avec les protocoles de micro-injection. Les monocouches bidimensionnelles (2D) dérivées d’entéroïdes 3D dissociés, comprenant encore tous les principaux types cellulaires de l’épithélium intestinal, permettent d’accéder à la surface apicale mais ont toujours été difficiles à maintenir sans couche nourricière de myofibroblastes mésenchymateux21. Alors que des supports perméables à la culture cellulaire peuvent être utilisés pour accéder aux côtés apical et basolatéral des monocouches entéroïdes sans utiliser de myofibroblastes sous-jacents, ces inserts nécessitent l’excision et le montage de la membrane avant utilisation avec des modalités telles que la microscopie confocale, ce qui entraîne un processus plus exigeant et plus difficile sur le plan technique lors de l’utilisation de méthodes de microscopie traditionnelles22. NEC a été modélisé in vitro en utilisant des entéroïdes 3D traditionnels 23,24,25 et des supports perméables 26,27, et l’inflammation intestinale a récemment été reproduite avec des modèles intestin-sur-puce 28,29. Bien que les modèles gut-on-a-chip intégrant la microfluidique soient, de loin, les modèles les plus avancés et les plus traduisibles, cette technologie est coûteuse, complexe et inaccessible à la plupart des chercheurs30.
Les progrès récents dans les techniques d’entéroïdes apicals ont permis un accès plus facile à la surface apicale des entéroïdes 3D sans risquer d’endommager l’intégrité structurelle de l’épithélium in vitro 31,32,33. Les entéroïdes à sortie apicale partagent la composition de type cellulaire et la fonction barrière de l’épithélium intestinal in vivo, mais, contrairement aux entéroïdes 3D typiques, les surfaces apicales de ces cellules font face au milieu de culture, ce qui permet des études plus pertinentes sur le plan physiologique sur l’absorption des nutriments, l’infection microbienne et la sécrétion luminale31. Un avantage supplémentaire des entéroïdes à élimination apicale est la capacité de distribuer de manière homogène des agents expérimentaux aux entéroïdes. Il n’est pas nécessaire de faire varier les volumes de traitement en fonction de la taille des entéroïdes, comme c’est le cas avec la micro-injection, et la capacité de maintenir ces entéroïdes en culture en suspension annule toute interférence ECM sur la diffusion expérimentale de l’agent32.
L’entérocolite nécrosante est une maladie multifactorielle impliquant plusieurs types de cellules épithéliales intestinales et divers facteurs environnementaux et physiopathologiques34. La composition cellulaire variée des entéroïdes intestinaux est une nette amélioration par rapport aux monocultures dans la modélisation d’une maladie complexe telle que l’ECN. Il est intéressant de noter que, alors qu’une seule exposition inflammatoire est souvent suffisante pour induire des dommages dans les monocultures in vitro , les entéroïdes, comme avec les modèles murins23, semblent nécessiter au moins deux composants inflammatoires pour induire des dommages de type NEC6. Ici, nous présentons un modèle de NEC-in-a-dish apical-out, utilisant des entéroïdes apical-out en combinaison avec l’hypoxie (une caractéristique clinique importante de NEC6) et le LPS ou le TNF-α, comme un modèle in vitro amélioré et physiologiquement plus pertinent pour étudier les réponses épithéliales à l’inflammation de type NEC et, potentiellement, identifier des cibles thérapeutiques. Nous décrivons un protocole pour inverser la polarité des entéroïdes 3D de l’intestin grêle, ainsi qu’un protocole de coloration immunofluorescente pour identifier la perturbation de la barrière épithéliale et les altérations de l’expression des protéines jonctionnelles. Enfin, nous démontrons en outre un test de viabilité entéroïde simple pour déterminer l’impact de notre modèle NEC-in-a-dish à double coup et à sortie apicale.
Toutes les procédures animales de cette étude ont été approuvées par le comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux du Centre des sciences de la santé de l’Université de l’Oklahoma. Des échantillons de commodité de l’intestin grêle provenant d’un primate non humain prématuré (PSN, gestation à 90%, babouin olive, Papio anubis) ont été obtenus après euthanasie pour une étude distincte (Protocole #101523-16-039-I).
1. Mise en place d’un modèle d’entéroïde à l’apocale NEC dans une boîte
2. Coloration par immunofluorescence et microscopie confocale
3. Viabilité des cellules NEC-in-a-dish
L’utilisation d’entéroïdes pour modéliser l’inflammation intestinale, même dans le contexte d’une entérocolite nécrosante, est maintenant courante. Cependant, la plupart des méthodes actuellement utilisées soit n’ont pas accès à la surface apicale des entéroïdes, ce qui annule la pertinence physiologique des composés destinés à une utilisation éventuelle comme traitements oraux, soit sont techniquement difficiles et prennent beaucoup de temps, comme dans le cas des monocouches dérivées d’ent...
Le développement récent de modèles entéroïdes dérivés de cryptes épithéliales intestinales permet d’obtenir un tissu in vitro plus pertinent sur le plan physiologique dans lequel étudier la pathogenèse de l’entérocolite nécrosante. Bien qu’ils incluent tous les principaux types de cellules différenciées de l’épithélium intestinal, les entéroïdes 3D sont toujours soumis à plusieurs limitations importantes. Les entéroïdes conventionnels à sortie basolatérale sont suspendus dans des ...
Les auteurs n’ont rien à divulguer et n’ont aucun conflit d’intérêts.
Ce contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des National Institutes of Health. SC est soutenu par la subvention P20GM134973 des National Institutes of Health. KB est soutenu par une subvention de la Fondation de l’hôpital pour enfants (CHF) et de la Presbyterian Health Foundation (PHF). Nous remercions le Laboratoire de recherche en biologie moléculaire et cytométrie de l’OUHSC pour l’utilisation de l’installation centrale, qui a fourni l’imagerie confocale.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.5 M EDTA, pH 8.0 | Fisher Scientific | 15575-020 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
15 mL Conical tube | VWR | 89039-666 | |
CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay | Promega | G9681 | |
Corning Costar Ultra-Low Attachment 24-Well Microplates | Fisher Scientific | 07-200-602 | |
Cover Glass 24 mm x 60 mm | Thermo Scientific | 102460 | |
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 | Thermo Scientific | A-21202 | |
Donkey Anti-Rabbit IgG Antibody, Cy3 conjugate | Sigma-Aldrich | AP182C | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient Ham's Mixture F-12 (DMEM-F12) with 15 mM HEPES buffer | STEMCELL Technologies | 36254 | |
E-cadherin antibody (7H12) | Novus Biologicals | NBP2-19051 | |
Formaldehyde solution 4%, buffered, pH 6.9 | Millipore Sigma | 1004960700 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | 56-81-5 | |
ImageJ | Fiji | N/A | |
IntestiCult Organoid Growth Medium (Human) | STEMCELL Technologies | 06010 | |
Leica SP8 Confocal Microscope | Leica Biosystems | ||
Lipopolysaccharides from Escherichia coli O111:B4, purified by gel filtration chromatography | Millipore Sigma | L3012-10MG | |
Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-544-7 | |
Normal Donkey Serum | Sigma-Aldrich | 566460 | |
Nunc MicroWell 96-Well, Nunclon Delta-Treated, Flat-Bottom Microplate | Thermo Scientific | 136101 | |
PBS (Phosphate Buffered Saline), 1x [-] calcium, magnesium, pH 7.4 | Corning | 21-040-CM | |
Prolong Glass Antifade Mountant with NucBlue | Fisher Scientific | P36983 | |
Recombinant Anti-Villin antibody [SP145] | Abcam | ab130751 | |
Recombinant Human TNF-α protein 100 µg | Bio-Techne | 210-TA-100/CF | |
SpectraMax iD3 Multi-Mode Microplate Reader | Molecular Devices | ||
Thermo Forma Series II Water-Jacketed Tri-Gas Incubator, 184L | Fisher Scientific | 3140 | |
TO-PRO-3 Iodide (642/661) | Thermo Scientific | T3605 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
Tubes, 0.5 mL, flat cap | Thermo Scientific | AB0350 | |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | 9005-64-5 |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon