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要約

腸と肝オルガノイドを有する微小生理学的システム(MPS)をアセトアミノフェン(APAP)に曝露した。本稿では、MPSにおけるオルガノイド産生法およびAPAP薬物動態学的および毒性学的特性評価法について説明する。また、結果を検証するために必要な組織機能分析についても説明します。

要約

ヒトオルガノイドを栽培する最近導入された微小生理学的システム(MPS)は、遺伝的にヒトであり、組織間の相互作用を再現するため、薬物開発プロセスの前臨床試験段階で動物よりも優れたパフォーマンスが期待されています。本研究では、ヒト腸バリア(Caco-2およびHT-29細胞の共培養によってエミュレートされる)と肝臓等価物(分化されたHepaRG細胞およびヒト肝星状細胞で作られたスフェロイドによってエミュレートされる)を、2臓器チップ(2-OC)微小流体装置に統合し、アセトアミノフェン(APAP)薬能的反応薬基性(PK)および毒性特性を評価した。MPSには、腸のみ2-OC、肝臓のみ2-OC、腸/肝臓2-OCの3つのアセンブリがあり、両方のオルガノイドを介する同じ培地が付いていました。PK評価では、腸の障壁(経口経路をエミュレートする)または媒体(静脈内経路をエミュレートする)をそれぞれ12μMおよび2μMで投与した後、事前設定された時点でメディアにAPAPを投与した。培地サンプルを、逆相高圧液体クロマトグラフィー(HPLC)で分析した。オルガノイドは、遺伝子発現、TEER値、タンパク質発現および活性について分析し、次いで収集、固定、および形態学的評価のセットに提出した。MTT技術はオルガノイドの生存率を評価する上で良好な成績を発揮したが、高含量分析(HCA)はAPAP治療に応答して非常に初期の毒性事象を検出することができた。我々は、培地流量がAPAP吸収に有意に影響を及ぼさないのに対し、肝臓と同等の機能を有意に改善することを検証した。APAPヒト腸管吸収および肝代謝は、MPSでエミュレートすることができる。MPSデータとインシリコモデリングとの関連は、インビトロ法の予測可能性を向上させ、薬物動態および毒物学的研究における動物モデルよりも優れた精度を提供する大きな可能性を秘めています。

概要

ゲノムとプロテオミクスの違いにより、動物モデルはいくつかの人間の結果に対して予測値が限られています。さらに、彼らは時間がかかり、高価で倫理的に疑わしい1です。MPSは、予測力の向上を目的とし、前臨床試験に費やされるコストと時間を削減することを目的とした比較的新しい技術です。オルガノイド(臓器の人工模倣機能単位)を、オルガノイドとオルガノイドのコミュニケーションを促進する媒体流れの下で育成する微小流体デバイスです。ヒト細胞から作られたオルガノイドは、翻訳関連性を2、3、4に増加させる。MPSは、遺伝的にヒトであり、組織間の相互作用を再現するため、動物実験よりも優れたパフォーマンスを発揮することが期待されています。完全に機能すると、MPSはより高い速度と低コストとリスク4で、より有意義な結果を提供します。多くのグループは、いくつかの目的のためにMPSを開発しています, 特に薬物の有効性をテストするための疾患モデル.

暴露レベルは、薬効と毒性5、6、7、8、9、10、11、12を評価するための最も重要なパラメータの1つです。MPSは全身暴露をエミュレートするオルガノイド統合を可能にし、従来の2Dヒト組織培養よりも優れたパフォーマンスを発揮することが期待される。この技術は、化合物腸吸収と肝臓代謝の予測を大幅に改善することができます4.

腸と肝臓のヒト等価モデルを統合するMPSは、薬物生物学的利用能および全身暴露におけるこれら2つの器官の中心的な役割を考慮して、良い出発点である13、14、15。APAPは、その代謝が主に肝臓16、17によって行われるので、腎臓と同等のMPSを研究するための魅力的な薬です。

2-OCは、マイクロチャネル16によって相互接続された2つの異なるヒト等価組織/オルガノイドの培養に適した2チャンバーマイクロ流体装置である。インビトロヒトの経口/静脈内投与をエミュレートし、腸と肝臓の同等物がAPAP薬物動態に及ぼすクロストークの影響を評価するために、 オルガノイドの機能性と生存率に加えて、3つの異なるMPSアセンブリが行われました:(1)2-OCデバイスに統合されたCaco-2 + HT-29細胞の共培養を含む培養インサートに基づく腸と同等の腸で構成される「腸2-OC MPS」。(2)2-OCデバイスに組み込まれたヘパRG+HHSteC(ヒト肝星状細胞)から成る肝スフェロイドで構成される「肝臓2-OC MPS」。そして(3)マイクロ流体チャネルを通る媒体流によって他方の肝臓と同等の肝臓と通信する一つの装置コンパートメントの腸と同等の腸で構成される「腸/肝臓2-OC MPS」。

全てのアッセイは、細胞の生存率及び機能性18、19、20に対する機械的刺激(圧縮、伸張、および剪断)の影響による静的(流れなし)および動的(流れ)条件下で行われた。本稿では、APAP経口/静脈内投与エミュレーションのプロトコルと、ヒト腸および肝臓等価モデルを含む2-OC MPSにおけるそれぞれの吸収/代謝および毒物学的分析について説明する。

プロトコル

1. 2-OCでの栽培に使用する組織等価物の製造

  1. 小腸バリア同等生産
    1. 腸に相当する培地を使用してCaco-2およびHT-29細胞を維持する:DMEMは10%FBS、1%ペニシリンおよびストレプトマイシン、および1%非必須アミノ酸を補充し、この原稿では「DMEM S」と名付けられました。
    2. 培地を取り出し、1x DPBSで2回洗浄し、0.25%トリプシン/EDTAの8 mLを加えて、細胞培養フラスコで増殖させたCaco-2細胞を解化する(175 cm2)。37°Cで5分間インキュベートし、少なくとも2倍のトリプシン阻害剤を添加して反応を停止する。HT-29細胞に対して同様の手順を実行し、これらの細胞の少量が必要であり、それらがより小さなフラスコ(75cm2)で維持されるので、試薬の体積を調節する。
    3. 遠心分離機を5分間250xgで、両方のチューブから上澄み剤を取り除き、細胞ペレットを10 mLのDMEM S.Count細胞に再懸濁し、80%以上の細胞生存率を保証する。 無菌的にバソラテラサイド(人間の血流を表す)のウェルあたりDMEM Sの400 μLで満たされた24ウェルプレートに細胞培養挿入物を統合する。
    4. 9:121の比率でCaco-2とHT-29細胞を共同栽培する。DMEM Sの最終容積200μLで各腸に相当する2.25 x 105 Caco-2および2.5 x 104 HT-29細胞を使用し、所望のオルガノイド数に応じて細胞数と体積を調整します。慎重に混ぜます。
    5. ピペット200μLの細胞溶液を各インサートのアプリカル側(ヒト腸管腔側を表す)に入れ、挿入ごとに250,000個の細胞を播種する。3週間の挿入物中の細胞を共同培養22.培地を週に3回以上変更し、無菌パスツールピペットで補助側側とバソララル側の両方から吸引し、無傷の細胞バリアを損傷しないように注意する。
      注:セルバリア(セルインサートのプラスチックリムのパスツールピペットを支持して吸引)に触れないように、アプリカル側の吸引を進めます。
    6. メーカーの指示に従って、3日ごとに鉄(経上皮電気抵抗)を測定して、1層の密着性を確認します。
      1. ブランクを実行し、細胞のない細胞培養挿入物の間で抵抗を測定しますが、同じ細胞媒体と同じ細胞プレートで測定します。
      2. 組織等価抵抗からブランク抵抗を差し引き、フィルター膜の有効表面積(0.6cm2)を掛けて組織抵抗を計算する。良好な腸バリア抵抗は、150〜400 Ω∙cm2の範囲にある。
        注:21日後、細胞は完全に分化し、腸の障壁が形成されなければならないので、腸の同等物はMPSに統合される準備ができています。
  2. 肝臓等価生産
    1. 10%のウシ胎児血清、2 mM L-グルタミン、100単位/mLペニシリン、100 μg/mLレンサ球菌、5 μg/mLヒトインスリンおよび5 x 10-5 MHydrocortisoneを添加したウィリアムの培地である肝同等培地を使用してHepaRG細胞を維持し、「このウィリアムズの原稿E」と名付けられました。HepaRG培地を2~3日ごとに更新し、細胞培養を2週間維持して、肝細胞および血行細胞の分化を開始する。
    2. 最初の2週間の後、細胞分化24、25を完了するためにさらに2週間HepaRGの培地に2%DMSOを加える。ステラート細胞培地(SteC CM)でHHSTeCを成長させ、ポリL-リジンコーティング細胞培養フラスコを使用して、2〜3日ごとに培地を変化させる。
    3. 培地を取り出し、1x DPBSで2回洗浄し、0.05%トリプシン/EDTAの8mLを加え、細胞培養フラスコで増殖させたHepaRG細胞を解約する(175cm2)。37°Cで5〜10分間インキュベートし、トリプシン阻害剤の少なくとも2倍の体積を加えて反応を停止する。HHSTeCに対しても同じものを実行し、これらの細胞の量が少ないため試薬量を適応させ、より小さなフラスコ(75cm2)で維持することができるので、
    4. 遠心分離機は250 x g で5分間、上清を取り除き、ウィリアムズE S培地中の細胞ペレットを再懸濁する。セルを数え、80%を超える細胞生存率を保証する。
    5. ウィリアムズE S培地16で、それぞれ24:1の比率でhepaRGとHHSTeC細胞を組み合わせた肝臓スフェロイドを生成する。4.8 x 104 分化ヘパRGと 0.2 x 104 HHSTeC を加えて、50,000 個の細胞の各肝スフェロイドを構成し、80 μL の体積でセル数と体積を所望のスフェロイド数に応じて調整します。慎重に混ぜます。
    6. マルチチャンネルピペットを使用して、384個のスフェロイドマイクロプレートの各ウェルに結合されたセルプールの80 μLを分配し、丸いボトムジオメトリを持っています。
      注:4日後、約300μmのスフェロイドが形成されます。
    7. 広孔の先端を使用して、肝臓のスフェロイドを超低く取り付け可能な6ウェルプレートに移し、必要な「1つずつ」カウントを可能にする。

2. 腸と肝臓の同等物の2-OC MPSにおける統合

  1. 吸収アッセイのための腸2-OC MPSアセンブリ
    1. DMEM Sのピペット500 μLは、小さい方の2-OCおよび300 μLのより大きいコンパートメントに入る。24ウェルプレートに相当する各腸壁のバソラテラおよびアピカル培地を吸引する。滅菌鉗子を使用して、2-OC回路ごとに1つの挿入物を、特に大きいコンパートメントに統合する。腸培地の200μLを補助側に塗布する。
      注:オルガノイドをMPSに組み込む場合は、気泡の形成を避けてください。
    2. MPSを制御ユニットに接続し、加圧空気供給に接続する必要があります。パラメータを設定:約±300バーの圧力と0.3 Hzのポンピング周波数を設定し、試験物質投与の前に流れを24時間開始します。翌日、APAP治療を行う。
  2. 代謝アッセイのための肝臓2-OC MPSアセンブリ
    1. ウィリアムズE Sのピペット650 μLは大きなコンパートメントに、350 μLは小さなコンパートメントに入り、スフェロイドを受け取ります。超低添付着6ウェルプレートでは、広孔先端を使用して回転楕円体をカウントします。各肝臓の同等物は、20個の回転楕円体26で構成される。オルガノイドのみの転送を可能にする広孔先端を使用して、回路ごとに20の肝臓相当物を2-OCの小さなコンパートメントに統合する。
    2. MPSを制御ユニットに接続し、加圧空気供給に接続する必要があります。パラメータを設定:約±300バーの圧力と0.3 Hzのポンピング周波数を設定し、試験物質投与の前に流れを24時間開始します。翌日、APAP治療を行う。
  3. 吸収と代謝アッセイのための腸/肝臓2-OC MPSアセンブリ
    1. 2つの培地(腸と肝臓)を1:4の割合で組み合わせると、腸管の補助側に200μLのDMEM S、バソラテラ側のウィリアムズE Sの800 μLを意味します。腸と肝臓の同等物を同時に2-OCに統合する。
    2. MPSを制御ユニットに接続し、加圧空気供給に接続する必要があります。パラメータを設定:約±300バーの圧力と0.3 Hzのポンピング周波数を設定し、試験物質投与の前に流れを24時間開始します。翌日、APAP治療を行う。
      注: すべての実験では、3 つの 2-OC 回路 (つまり、1 および 1/2 2-OC デバイス) を 3 つの分離した場合に、各タイム ポイントを実行します。各2-OC回路の総容量は1mLです。

3. アセトアミノフェン(APAP)製剤

  1. APAPストック溶液を調製し、APAPを絶対エタノールに溶解する。実験の日に、それぞれの培地(APAP溶液)でAPAPを希釈し、「経口投与」に対して12μM、2μMの濃度に「静脈内投与」を行う。
  2. 両方の投与において、車両制御および処理溶液中のエタノールの最終濃度が0.5%であることを確認してください。陽性対照(100mM APAP)の場合、エタノール濃度は2%である。

4. 試験物質の投与とメディアサンプリング

  1. APAP「経口」投与およびメディアサンプリング
    1. 適切な培養培地の各腸壁と腹膜媒体を、適切な培養培地のピペット500μLにそれぞれ吸引し、オルガノイドバソララル側の大室に、300μLを小区画に入れます。
    2. 気泡を確認し、試験物質を有する腸バリア同等の治療を経て、経理側で、経口投与をエミュレートする。腸管の「ルーメン側」を表す腸培養インサートの補助側に12μM APAP溶液の200 μLを加えることによってAPAP「経口」投与をエミュレートする(図1B)。MPS を制御装置に接続します。
    3. 次の時点で、補助的およびバソラテラの側から総体積を収集する:0時間、5分、15分、30分、1時間、3時間、6時間、12時間、24時間15、27。静的および動的条件ですべての実験を三重に行い、各三重体の各サンプルを別々のマイクロチューブに集めます。HPLC/UV を使用してサンプルを分析します。
      注:別の補助的なサンプルとバソラテララルサンプル。
  2. APAP「静脈内」投与およびメディアサンプリング
    1. 2 μM APAP溶液を直接肝臓コンパートメントに投与することで、「静脈内」経路をエミュレートします。すべての2OC培地コンテンツを吸引します。試験物質を含むウィリアムズE Sのピペット650 μLは、同じ培地の350 μLを含む20個のスフェロイドを含む小さなコンパートメントに入った。0 h、30 分、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、および 24 h27、28の時点ですべてのボリュームを収集します。
    2. 静的および動的条件で、三重ですべての実験を行います。各三重体の各サンプルを別々のマイクロチューブに集める。HPLC/UV を使用してサンプルを分析します。

5. 計測とクロマトグラフィーの条件

  1. HPLC分析
    1. 表 1に従って、HPLC 分析に関連するすべてのパラメータを設定します。
    2. 真空下で0.45 μmの膜フィルターを通して移動相をフィルター処理します。0.22 μmの細孔サイズPVDFシリンジフィルター(直径13mm)でサンプルをフィルターし、バイアルに保管します。測定を開始します。
  2. ストックソリューション、校正規格、品質管理(QC)サンプル
    1. 酢酸アンモニウムバッファー (100 mM, pH 6.8) で APAP ストック溶液を 10 mM 準備し、酢酸アンモニウムバッファー (1:1, v/v) で希釈した DMEM S およびウィリアムズ E S 細胞培養培地でさらに希釈して 0.25 ~ 100.00 μM の範囲の作業ソリューションを実現します。
    2. 三重にキャリブレーションサンプルのセットを含めるとともに、品質管理サンプルを三重に4段階で含めます。シリアル希釈によってこれらの標準を準備します。
    3. APAPピーク領域とAPAP公称標準濃度の較正曲線を作成します。各キャリブレーション曲線に対する線形回帰適合を決定します。目視検査、相関係数、実行精度と実行間精度、精度の値を使用して、さまざまな校正モデルの適合度を評価します。
    4. セクストプリケートで酢酸アンモニウムバッファー(1:1、v/v)で希釈されたDMEM SおよびウィリアムズE S培地のブランクサンプルを注入します。APAP濃度0.50(LOQ)、4.50、45.00、90.00 μMのAPAP濃度に対して、酢酸アンモニウムバッファー(1:1、v/v)で希釈したDMEM SおよびウィリアムズE S培地で品質管理サンプルの三部分解物を調製します。
    5. 標準曲線の生成に使用した品質評価サンプルとは異なる新しいストックソリューションから、品質制御サンプルが用意されていることを確認します。品質管理サンプルを使用して、イントラランとインターランのバリエーションを調査します。
  3. 検証手順
    1. 前述の手順29,30に従ってバイオアナリシス法の検証を実行します。ウィリアムズE SとDMEM S細胞培養培地を考慮して、クロマトグラフィーは5〜6回の別々の機会に実行されます。
    2. APAP の 0.25 ~ 100.00 μM の範囲のキャリブレーション ポイントを、酢酸アンモニウムバッファー(1:1、v/v)で希釈した DMEM S またはウィリアムズ E S 細胞培養培地 (1:1, v/v) で、それぞれの公称濃度(軸 x)に対する APAP (軸 y) のピーク領域に基づいてプロットされていることを確認します。これらの標準キャリブレーション曲線の傾きを酢酸アンモニウムバッファーで調製された較正曲線の傾きと比較します。すべてのキャリブレーションカーブの相関値が 0.998 以上であることを確認します。
    3. 5~6日間の4つの異なるレベルLLOQ、低、中間、および高品質の制御での反復を使用して、サロゲートマトリックス内の検数の精度と精度(イントラおよびインターラン)を決定します。0.50、4.50、45.00、90.00 μM APAP濃度(n= 3)を含む酢酸アンモニウムバッファー(1:1、v/v)で希釈されたDMEM SまたはウィリアムズE S細胞培養培地で、同じ日に実行中の精度と精度の測定を行います。
    4. 最近取得したキャリブレーション曲線からAPAP濃度を含む各品質管理サンプルを評価します。干渉成分によって引き起こされる目的の化合物と可能な他のクロマトグラフィーピークの分離の程度によってアッセイの選択性をテストする。
  4. 定量(LLOQ)の下限と検出限界(LOD)
    1. 応答の標準偏差と勾配アプローチに基づいて、定量(LLOQ)の下限を決定します。αはy-切片の標準偏差、Sはキャリブレーション曲線29,30をプロットして得られる直線の傾きである式10α/Sを用いて計算する。検出限界(LOD)を推定して、ブランクの標準偏差の3.3倍を考慮し、較正曲線29,30の傾きで割った値を示す。

6. 組織等価の生存率/機能性

  1. Mtt
    1. MPSアッセイのすべての時間ポイントでオルガノイド生存率を評価するためにMTTアッセイを実行する。ネガティブコントロールとして、セルメディアと車両を使用します。陽性対照として、細胞培地で100mM APAPと1%NaOH希釈したオルガノイドを治療する。
    2. 各々の20個のスフェロイドを96のウェルプレート内の個々のウェルに対して移し、腸に相当する細胞を含む細胞培養インサートを24のウェルセルプレートに移し、1つの腸をウェルごとに同等の腸に置く。1x DPBSで組織に相当する量を3回洗浄します。
    3. 300 μL の 1 mg/mL MTT 溶液を加え、各細胞培地で希釈します。標準的な細胞培養条件でプレートを3時間インキュベートします。
    4. ピペット処理を行うことで、各井戸からMTT溶液を慎重に取り除きます。腸および肝臓当量からMTTフォルマザンを抽出し、4°Cで一晩200μLのイソプロパノールを使用します。
      注:蒸発を防ぐために蓋を密封してください。
    5. 各上清の200 μLを、96ウェルマイクロテストプレートで事前に識別された各ウェルに移します。イソプロパノールをブランクとして使用します。
    6. 570 nmのプレートリーダーでフォルマザン吸光度をお読みください。MTTを減らすために細胞の相対的な能力を計算する(%)各時点の平均光学密度を用いて、陰性対照と比較して、100%細胞生存率と考えられる。
  2. 細胞化学/細胞学
    1. 0.1 Mリン酸生理食塩水バッファーに4%(w/v)パラホルムアルデヒドを使用して、室温で25分間、腸および肝臓の同等物を固定します。オルガノイドをPBSバッファーで5回洗浄し、毎回10分間洗浄します。腸および肝臓等価物をテトラメチルrhodamineイソチオシアネート・ファロイジンまたはアレクサ・フルオール647ファロイジンで染色し、PBS31で1:50。
    2. 完全な凍結まで液体窒素に移す前に、RTで順応するために数分間OCT凍結培地に移します。肝スフェロイドは、クライオスタットを使用して、厚さ約10〜12μmの凍結切片を行います。
    3. DAPIを使用して、取り付け媒体に組織セクションをマウントします。共焦点蛍光顕微鏡法で調べてください。
    4. 固定後にオルガノイドを凍結し、確立されたプロトコルに従ってヘマトキシリン&エオシン染色を行います。上述のように組織をスライスした後に取り付け媒体でスライドを取り付け、光学顕微鏡を用いて組織学的画像を撮る。
  3. 高コンテンツ分析
    1. ミトコンドリアと細胞の核染色
      1. DMSOで凍結乾燥粉末を再構成して、1 mMミトコンドリア染色ストック溶液(例えば、ミトトラッカーディープレッドFM)を作ります。-20 °Cで、光から保護された貯蔵の在庫の解決。1 mM ミトコンドリア染色ストック液を、血清を含まない前温め(37°C)の組織培養培地で最終濃度(200 nM)に希釈します。
      2. 細胞培養培地を取り除きます。ミトコンドリア染色液を加えて、サンプルを完全に覆い、5%CO2の加湿雰囲気で37°Cで15〜45分間細胞をインキュベートします。
      3. ミトコンドリア染色作業溶液を慎重に取り除き、室温で15分間PBSで2〜4%パラホルムアルデヒド固定液に交換してください。
      4. 固い細胞をPBSで5分間やさしくすすめます。洗浄を2回繰り返します。
      5. 10mg/mL(16.23 M)の核酸染色ストック液を、100mgの極純水に100mgのHoechst 33342染料を溶解して調製します。
        注:ストックソリューションは、-20°Cで光から保護され、保存する必要があります。
      6. PBSで0.2~2.0 μg/mL核酸染色作業溶液を調製し、固定された細胞を核酸染色作業溶液で室温で10分間インキュベートします。
      7. 核酸染色作業溶液を取り除き、PBSで細胞を5分間3回やさしくすすます。細胞は、光から保護された4°CでPBSに保管する必要があります。
    2. ミトコンドリアと核染色解析
      1. 核酸染色に適したフィルターセット(λEx/λEm:361/497 nm)とミトコンドリア染色(λEx/λEm:644/665nm)を用いて、蛍光顕微鏡を用いて細胞を解析します。核酸陽性染色で細胞を見つけ、細胞数を定量化します。ミトコンドリアの蛍光強度を定量化します。
  4. ImageJ におけるモルフォメトリック測定(回転楕円体計算)
    1. コロンバスソフトウェアから*.flexファイルとして高コンテンツ分析(HCA)画像をエクスポートします。バイオフォーマットプラグイン32を使用して ImageJ でグレースケールとして .flex ファイルをインポートする : ファイル > インポート > バイオフォーマット.
    2. [ インポート オプション] ウィンドウで、[ ハイパースタック 表示] を選択し、[別々のウィンドウに分割] の下の [チャネルの分割 ] を有効にします。このオプションは、特定のチャネル内のすべてのファイル(例えば、DAPI、ミトトラッカーなど)へのアクセスを許可します。[メモリ管理] の下の [ 仮想スタックを使用 する] を選択しないでください。
      注:培養培地がUV波長(例えば405nm)で減少するとして、画像内で「ダスト」としてDAPIチャネルを使用することが好ましい。
    3. ピクセル サイズを調整する ([解析] > [スケールの設定] をクリック) は、.flex ファイルの埋め込み値に従って読み込まれません。ガウス ブラーフィルタを適用して、ノイズの超過を除去し、形状の輪郭の不規則性を回避します。プロセス > フィルター > ガウスブラー.2.0 ~ 3.0 の範囲のシグマ(半径)の値が高い場合は、ほとんどの場合に最適です。スタックに複数のイメージがある場合は、すべてのイメージに適用します(プロセススタックウィンドウで[はい]を選択)。
    4. しきい値を使用して背景とオルガノイド(オブジェクト)を分離するバイナリ画像を生成します。[ イメージ] > [調整] > [しきい値] をクリックします。赤いマスクを使用して、画像の強度に応じて値を調整し、オルガノイド形状にフィットし、形態をそのまま維持します。画像の背景が白い場合は 、背景の濃 さを無効にします。[ 適用] をクリックします。
    5. [ スタックをバイナリに変換] ウィンドウで、[ しきい値 ] メソッドを選択します。通常、 この 種の画像処理ではデフォルトまたは トライアングル が好ましい。 背景 を 暗くしてください。スタックに複数のイメージがある場合は 、[各イメージのしきい値を計算 ] を選択します。
    6. [プロセス]-[バイナリ]-[穴を埋める]を選択します。必要に応じて、背景から穴を削除します。プロセス> バイナリ /オプションs で黒の背景を選択し、穴を埋めるをもう一度実行します。次のステップに進む前に、黒の背景オプションを無効にします。
    7. オブジェクトを分離します。オルガノイドの場合、流域法は良い選択です。[ プロセス] > [バイナリ] > [流域] をクリックします。形状解析を実行します。
      1. [ 分析]-[計測値の設定] を選択します。いくつかのオプションが用意されています (詳細はhttps://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/146-30.html)。オルガノイドの場合は、[ 面積]、[ 平均グレー値]、[ 最小と最大グレーの値 ]、および [形状記述子] を選択します。必要に応じて、[ ラベルの表示 ] を選択して、画像内のオブジェクトを識別し、 指数表記を選択します。 [OK] をクリックします。
      2. [ 解析]-[パーティクルの解析]を選択します。 [サイズ] と [円形] の制限を 選択します。イメージ内のすべてのオブジェクトを測定するには、それぞれ 0-無限大と 0.00~ 1.00 を保持します。[ 表示] で [ アウトライン ] を選択して、オブジェクトを識別します。 結果を出力する結果の表示 を有効にします。境界に接するオブジェクトを除外するには 、エッジを除外 します。 穴を含 めるので、オブジェクトの最終的な内部の穴がメイン シェイプの一部とみなされます。
    8. すべての画像スタックに対して 形状解析 を繰り返すと、結果は単一のテーブルに追加されます。[ ファイル] > [名前を付けて保存] の結果テーブルをコンマ区切り値 (.csv) ファイルとしてエクスポートします。
  5. リアルタイム PCR
    1. フェノールとグアニジンイソチオシアネートのモノファーシ溶液を使用して、組織の同等物からRNAを抽出します, メーカーの指示に従って.
    2. 1~ 2 μgの全RNAの逆転写によりcDNA合成を行います。
    3. 遺伝子特異的プライマー(表5)を用いて全ての標的を増幅し、リアルタイム定量PCRを行う。各qRT-PCRには、30ngの逆転写されたRNAと各プライマーの100 nMが含まれています。
    4. PCR条件に従ってください: 50 °C 3分間(1サイクル);95 °C 5分間(1サイクル)。95°Cを30秒間、59°Cで45秒間、72°Cで45秒(35~40サイクル)にします。
  6. サイプアッセイ
    1. 肝臓2-OCアセンブリのセクション2.2に従ってください。実験グループは、無細胞制御、APAP 2 μM処理、12時間、24時間、および車両制御です。APAP 2 μMの調製および治療のためのセクション3.3および4.2に従ってください。
      注:すべてのサンプルがCYPアッセイのために同時に準備ができていることを確認するために、24時間の治療を開始してから12時間後に12時間の治療を開始します。CYP活性の無細胞制御を0.5%エタノール溶液と同様に車両制御で処理します。
    2. 3 mMの発光基質ストック溶液を室温で解凍し、ウィリアムのE S.で1:1000希釈を行います。
    3. スフェロイドを収集し、各実験グループを96ウェルプレートのウェルに移します。媒体を取り出し、1x DPBSの100 μLで2回洗浄し、ウェルあたり3μMの基板溶液を80 μL加えます。ウィリアムのE S培地で無細胞制御を保ちます。背景制御のための回転楕円体または基質解決なしで井戸を保存します。光から保護された37°Cで30〜60分間インキュベートします。
    4. エステル消去を伴う再構成バッファーを使用して、凍結乾燥したルシフェリン検出試薬(LDR)を平衡化します。渦巻きまたは反転によって混ぜます。次のステップまで、適切なボリュームを室温で保管します。
      注意:再構成されたLDRは活動の損失なしで24時間または4 °Cで24時間または4 °Cで保存することができます。長期保管のため、–20°Cで保管してください。
    5. インキュベーション後、白い不透明な96ウェルマイクロプレートの3つの異なるウェルに無傷のスフェロイドの上澄み液の25 μLを移す。ウェルあたり25μLのLDRを加え、均質化します。
    6. 室温で白板を20分間インキュベートします。ルミノメーターの発光を読み取る。蛍光計は使用しないでください。
    7. テスト化合物処理値と未処理(車両制御)値からバックグラウンドルミネッセンス値(非細胞制御)を差し引いて、正味信号を計算します。正味処理値を正味未処理の値で割り、100 を掛けることで、CYP3A4 アクティビティの変化率を計算します。
  7. ウェスタンブロッティング
    1. 特定された1.5 mLマイクロチューブに肝臓スフェロイドを移す。培地を取り出し、100 μLの1x DPBSで2回洗います。
    2. 4°Cで20分間、100μLの細胞リパバッファーで肝スフェロイドをリセートします。遠心分離機15分、4°C、11000rpm。上清を別の識別された1.5 mLマイクロチューブに移します。
    3. ブラッドフォード法を通じて得られるタンパク質の量を定量化します。グリギュラジポリアクリルアミドゲルのウェル当たり定量化された細胞ライセートから10~50μgのタンパク質を3~15%ロードし、SDS-PAGEを実行します。
    4. ゲルから0.22 μmのPVDF膜に、半乾式システム装置を介して、ロードしたタンパク質を移動させます。50 mM Tris-HCl および 192 mM グリシンのトランスファーソリューションを使用してください。転送するゲルの数に応じて機器パラメータを設定します(1~2回)。
    5. TBS-Tバッファー内の3〜5%スキムミルク溶液を有するPVDF膜上の非特異的相互作用をブロック:トリス緩衝生理食塩水(50 mM Tris pH 7.6、150 mM塩化ナトリウム)にTween 20の0.1%を補った。膜を室温で1時間静かに一定に揺れに保ちます。
    6. 室温で3~5分間静かに一定の揺れをしてTBS-Tで洗います。この洗浄手順を2回繰り返します。
    7. 希薄アルブミンおよびビンクリン一次抗体をTBS-T上でそれぞれ1:1000および1:2000にする。一次抗体を一晩4°Cで、穏やかに一定の揺れの下で膜をインキュベートします。
      注:常に抗体を希釈するためにメーカーの指示に従ってください。
    8. 一次抗体を取り出し、膜を3回洗浄する(ステップ6.7.6)。T TBS-T上で1:5000にECL抗マウスIgG二次抗体を希釈する。室温で2時間穏やかに一定の揺れの下で二次抗体で膜をインキュベートします。
    9. 二次抗体を取り出し、膜を洗浄する(ステップ6.7.6)。ECLウェスタンブロッティング基質を用いてタンパク質検出を行います。30 s~30 分の自動電波フィルムを公開します。免疫ブロット検出を三重で行います。

結果

2-OC MPSでPKAPAP検査を行うために、第一のステップは、ヒトの腸および肝臓等価物(オルガノイド)を製造することです。それらはPK APAPのアッセイを開始する前に2-OCのマイクロ流体装置(図1A)24時間に統合される。翌日、メディアが変更され、モデルが APAP に公開されます。図1は、2-OC装置内に配置された腸および肝臓等価物(図1B)?...

ディスカッション

次の開発ステップでリスクを低減するためには、調査用新薬の薬理学的特性の正確かつ信頼性の高い評価が不可欠です。MPSは比較的新しい技術であり、予測力を向上させ、前臨床試験に費やすコストと時間を削減することを目的としています。私たちのグループは、主に鉛最適化に必要な薬物動態および毒物学的特性の評価を進めています。私たちは、2つの部屋を持つ2-OCマイクロ流体デバ?...

開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

クリスティ・グゲン=ギロウゾ博士、522号機INSERMのフィリップ・グリポン博士、インセルム271号機271 INSERMのクリスチャン・トレポ博士に感謝します。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
1x DPBSThermo Fisher Scientific14190235No calcium, no magnesium
2-OCTissUse GmbHTwo-organ chip
384-well Spheroid MicroplateCorning3830Black/Clear, Round Bottom, Ultra-Low Attachment
4% ParaformaldehydeUse to fix cell
AcetaminophenSigma AldrichA7085Use to MPS assays
AcetonitrileTediaUsed to perform HPLC
Alexa Fluor 647 phalloidinThermo Fisher Scientificconfocal experiment
Ammonium acetateSigma AldrichUsed to perform HPLC
Caco-2 cellsSigma Aldrich86010202
Cacodylate buffer
Cell culture flasksSarstedt
Confocal Fluorescence microscopeLeicaDMI6000
CryostatLeicaCM1950
DMEM high glucoseThermo Fisher Scientific12800017Add supplements: 10% fetal bovine serum, 100 units per mL penicillin, 100 µg/mL streptomycin, and 1% non-essential amino acids
DMSOSigma AldrichD4540Add 2% to HepaRG media
EthanolSynth
Fetal Bovine SerumThermo Fisher Scientific12657029
Freezing medium OCTTissue-TekTissue-Tek® O.C.T.™ Compound is a formulation of watersoluble glycols and resins, providing a convenient specimen matrix for cryostat sectioning at temperatures of -10°C and below.
Hematoxylin & Eosin
HepaRG cellsBiopredic InternationalHPR101Undifferentiated cells
HHSTeCScienCell Research Laboratories5300Cells and all culture supplements
Hoechst 33342HCA experiments
HT-29 cellsSigma Aldrich85061109
Human InsulinInvitrogen - Thermo Fisher Scientific12585014
HydrocortisoneSigma AldrichH0888
IsopropanolMerck278475
Karnovsky’s fixative
L-glutamineThermo Fisher ScientificA2916801
Luna C18 guard column SSPhenomenexUsed to perform HPLC
MicroscopeLeicaDMi4000
MicrotomeLeicaRM2245
Millicell 0.4 µm pore size insertsMerckPIHP01250
Millicell ERS-2 meterMerckMERS00002Used to TEER measurement
MitoTracker Deep RedHCA experiments
MTTThermo Fisher ScientificM6494
MX3000P systemAgilent Technologies
Neubauer chamberCounting cells
Operetta High Content Imaging SystemPerkin ElmerUsed to perform HCA
P450-Glo CYP3A4 Assay with Luciferin-IPAPromegaCat.# V9001
Penicillin/StreptomycinThermo Fisher Scientific15070063Cell culture
PermountThermo Fisher ScientificHistology
PrimersRT-qPCR
PVDF membraneBioRad
PVDF Syringe filter0.22 μm pore size
Reversed-phase Luna C18 columnPhenomenexUsed to perform HPLC
Shaker (IKA VXR Basic Vibrax)IKA Works GmbH & Co2819000Used for spheroids to improve MTT assay
Stellate Cell Media (STeC CM)ScienCell5301Add STeC CM supplements
SuperScriptIITM Reverse TranscriptaseThermo Fisher Scientific
SYBR Green PCR Master MixThermo Fisher Scientific
TRizol TM reagentThermo Fisher ScientificTrizol is a monophasic solution of phenol and guanidine isothiocyanate.
Trypsin/EDTA solutionThermo Fisher ScientificR001100
Ultra-low-attachment platesCorningCLS3471-24EA6 wells
Vectashield plus DAPI mounting media
White Opaque 96-well MicroplatePerkinHelmer
Wide-bore tips
Williams EPan BiotechP04-29510Add supplements: 10% fetal bovine serum, 2 mM L-glutamine, 100 units per ml penicillin, 100 µg/mL streptomycin and 5 µg/mL human insulin

参考文献

  1. Zhang, D., Luo, G., Ding, X., Lu, C. Preclinical experimental models of drug metabolism and disposition in drug discovery and development. Acta Pharmaceutica Sinica B. 2 (6), 549-561 (2012).
  2. Hynds, R. E., Giangreco, A. The relevance of human stem cell-derived organoid models for epithelial translational medicine. Stem Cells. 31 (3), 417-422 (2013).
  3. Sivaraman, A., et al. A Microscale In vitro Physiological Model of the Liver: Predictive Screens for Drug Metabolism and Enzyme Induction. Current Drug Metabolism. 6 (6), 569-591 (2005).
  4. Dehne, E. M., Hasenberg, T., Marx, U. The ascendance of microphysiological systems to solve the drug testing dilemma. Future Science OA. 3 (2), 185 (2017).
  5. Oleaga, C., et al. Multi-Organ toxicity demonstration in a functional human in vitro system composed of four organs. Scientific Reports. 6, 20030 (2016).
  6. Maschmeyer, I., et al. A four-organ-chip for interconnected long-term co-culture of human intestine, liver, skin and kidney equivalents. Lab Chip. 15 (12), 2688-2699 (2015).
  7. Esch, M. B., Mahler, G. J., Stokol, T., Shuler, M. L. Body-on-a-chip simulation with gastrointestinal tract and liver tissues suggests that ingested nanoparticles have the potential to cause liver injury. Lab Chip. 14 (16), 3081-3092 (2014).
  8. Materne, E. M., et al. The Multi-organ Chip - A Microfluidic Platform for Long-term Multi-tissue Coculture. Journal of Visualized Experiments. , e52526 (2015).
  9. Esch, M. B., Ueno, H., Applegate, D. R., Shuler, M. L. Modular, pumpless body-on-a-chip platform for the co-culture of GI tract epithelium and 3D primary liver tissue. Lab Chip. 16 (14), 2719-2729 (2016).
  10. Sung, J. H., Kam, C., Shuler, M. L. A microfluidic device for a pharmacokinetic–pharmacodynamic (PK-PD) model on a chip. Lab on a Chip. 10 (4), 446-455 (2010).
  11. Viravaidya, K., Sin, A., Shuler, M. L. Development of a Microscale Cell Culture Analog to Probe Naphthalene Toxicity. Biotechnology Progress. 20 (1), 316-323 (2004).
  12. Sin, A., Chin, K. C., Jamil, M. F., Kostov, Y., Rao, G., Shuler, M. L. The Design and Fabrication of Three-Chamber Microscale Cell Culture Analog Devices with Integrated Dissolved Oxygen Sensors. Biotechnology Progress. 20 (1), 338-345 (2004).
  13. Tsamandouras, N., et al. Integrated Gut and Liver Microphysiological Systems for Quantitative In vitro Pharmacokinetic Studies. The AAPS Journal. 19 (5), 1499-1512 (2017).
  14. Graham, G. G., Davies, M. J., Day, R. O., Mohamudally, A., Scott, K. F. The modern pharmacology of paracetamol: Therapeutic actions, mechanism of action, metabolism, toxicity and recent pharmacological findings. Inflammopharmacology. 21 (3), 201-232 (2013).
  15. Hodgman, M. J., Garrard, A. R. A Review of Acetaminophen Poisoning. Critical Care Clinics. 28 (4), 499-516 (2012).
  16. Maschmeyer, I., et al. Chip-based human liver-intestine and liver-skin co-cultures - A first step toward systemic repeated dose substance testing in vitro. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 95, 77-87 (2015).
  17. Bessems, J. G. M., Vermeulen, N. P. E. Paracetamol (acetaminophen)-induced toxicity: Molecular and biochemical mechanisms, analogues and protective approaches. Critical Reviews in Toxicology. 31 (1), 55-138 (2001).
  18. Hirt, M. N., et al. Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: A new in vitro model. Basic Research in Cardiology. 107 (6), 307 (2012).
  19. Fink, C., et al. Chronic stretch of engineered heart tissue induces hypertrophy and functional improvement. The FASEB journal official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 14 (5), 669-679 (2000).
  20. Zhang, B., Peticone, C., Murthy, S. K., Radisic, M. A standalone perfusion platform for drug testing and target validation in micro-vessel networks. Biomicrofluidics. 7 (4), 044125 (2013).
  21. Araújo, F., Sarmento, B. Towards the characterization of an in vitro triple co-culture intestine cell model for permeability studies. International Journal of Pharmaceutics. 458 (1), 128-134 (2013).
  22. Cadena-Herrera, D., et al. Validation of three viable-cell counting methods: Manual, semi-automated, and automated. Biotechnology Reports. 7, 9-16 (2015).
  23. Gripon, P., et al. Infection of a human hepatoma cell line by hepatitis B virus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (24), 15655-15660 (2002).
  24. Guillouzo, A., et al. The human hepatoma HepaRG cells: A highly differentiated model for studies of liver metabolism and toxicity of xenobiotics. Chemico-Biological Interactions. 168 (1), 66-73 (2007).
  25. Wagner, I., et al. A dynamic multi-organ-chip for long-term cultivation and substance testing proven by 3D human liver and skin tissue co-culture. Lab on a Chip. 13 (18), 3538-3547 (2013).
  26. Forrest, J. A. H., Clements, J. A., Prescott, L. F. Clinical Pharmacokinetics of Paracetamol. Clinical Pharmacokinetics. 7 (2), 93-107 (1982).
  27. Dollery, C. . Therapeutic Drugs. , (1999).
  28. Shah, V. P., et al. Bioanalytical method validation-a revisit with a decade of progress. Pharmaceutical research. 17 (12), 1551-1557 (2000).
  29. Marin, T. M., et al. Shp2 negatively regulates growth in cardiomyocytes by controlling focal adhesion kinase/src and mTOR pathways. Circulation Research. 103 (8), 813-824 (2008).
  30. Linkert, M., et al. Metadata matters: Access to image data in the real world. Journal of Cell Biology. 189 (5), 777-782 (2010).
  31. OECD. OECD TG 491 - Short Time Exposure In vitro Test Method for Identifying i) Chemicals Inducing Serious Eye Damage and ii) Chemicals Not Requiring Classification for Eye Irritation or Serious Eye Damage. OECD. 14, (2018).
  32. Fernandes, M. B., Gonçalves, J. E., Tavares, L. C., Storpirtis, S. Caco-2 cells permeability evaluation of nifuroxazide derivatives with potential activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (7), 1066-1072 (2015).
  33. OECD. OECD TG 492 - Reconstructed human Cornea-like Epithelium (RhCE) test method for identifying chemicals not requiring classification and labelling for eye irritation or serious eye damage. OECD. 35, (2018).
  34. OECD, O. E. C. D. OECD TG 431 - In vitro skin corrosion: reconstructed human epidermis (RHE) test method. OECD. 8, (2016).
  35. OECD. OECD TG 439 - In vitro Skin Irritation: Reconstructed Human Epidermis Test Method. OECD. 21, (2015).
  36. Marin, T. M., et al. Acetaminophen absorption and metabolism in an intestine/liver microphysiological system. Chemico-Biological Interactions. 299, 59-76 (2019).
  37. Maass, C., Stokes, C. L., Griffith, L. G., Cirit, M. Multi-functional scaling methodology for translational pharmacokinetic and pharmacodynamic applications using integrated microphysiological systems (MPS). Integrative Biology (United Kingdom). 9 (4), 290-302 (2017).
  38. Sung, J. H., Wang, Y., Shuler, M. L. Strategies for using mathematical modeling approaches to design and interpret multi-organ microphysiological systems (MPS). APL Bioengineering. 3 (2), 021501 (2019).

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