歯科幹細胞の制御を研究するためのトロウェル型臓器培養の使用

要約

トロウェル型臓器培養法は、歯の発達を支配する複雑なシグナル伝達ネットワークを解明するために使用され、最近では、継続的に成長するマウス切歯の幹細胞に関与する調節を研究するために使用されています。蛍光レポーター動物モデルとライブイメージング法は、歯科幹細胞とその特定のニッチ微小環境の詳細な分析を容易にします。

要約

臓器の発生、機能、および再生は、幹細胞ニッチと呼ばれる個別の解剖学的空間内に存在する幹細胞に依存しています。継続的に成長するマウス切歯は、組織特異的幹細胞を研究するための優れたモデルを提供します。切歯の上皮組織特異的幹細胞は、頸部ループと呼ばれるニッチの歯の近位端に位置しています。それらは、歯の自己研ぎ先端の絶え間ない摩耗を相殺するために細胞の連続的な流入を提供する。ここに提示されるのは、幹細胞とそのニッチを収容するマウス切歯の近位端の単離と培養のための詳細なプロトコルです。これは、組織片(外植片)の in vitro 培養を可能にする修正トロウェルタイプの臓器培養プロトコルであり、金属グリッドで支えられたフィルター上の液体/空気界面の厚い組織スライスを可能にします。ここで説明する臓器培養プロトコルは 、in vivoでは 不可能な組織操作を可能にし、蛍光レポーターの使用と組み合わせると、幹細胞を含む生きた組織中の離散的な細胞集団の経時的な識別と追跡のためのプラットフォームを提供します。このシステムでは、幹細胞とそのニッチに対する効果について、さまざまな調節分子や薬理学的化合物を試験することができます。これは最終的に幹細胞の調節と維持を研究するための貴重なツールを提供します。

概要

マウスの切歯は、歯の成分の絶え間ない生産をサポートする幹細胞(SC)の生涯保存により、継続的に成長します。これらには、エナメル質産生アメロブラストを生成する上皮SCや、象牙質産生歯芽細胞を生成する間葉系幹細胞(MSC)などが含まれます¹。継続的に成長する切歯の上皮SCは、最初はラベル保持細胞として同定され^2,3、その後^、Sox2⁴を含む多くのよく知られたステムネス遺伝子を発現することが示されています。これらの細胞は他の臓器の上皮SCと共通の特徴を共有し、切歯の唇側に位置する頸部ループと呼ばれるSCニッチ内に存在する。ニッチは、SC^活性5を制御する細胞と細胞外マトリックスで構成される動的実体です。系統追跡研究は、Sox2+上皮SCが歯の上皮コンパートメント全体を再生することができ、それらが連続した歯の形成に重要であることを示しています^6,7。象牙質修復または再生の可能性を有するMSCは、主に血管および神経を介して臓器外から募集されるため8、⁹、¹⁰、¹¹、したがって、MSC集団の募集^、移動^、および住居を研究するための適切なモデルを提供します。

遺伝的および/または薬理学的操作の多くは臓器の恒常性に影響を与えたり、致命的な結果をもたらす可能性があるため、in vivoでSCを研究することは常に実行可能であるとは限りません。したがって、臓器培養は、in vitroでSCとそのニッチの調節を研究するための優れたツールを提供します。金属グリッドを利用する臓器培養システムは、当初、臓器発達を研究するためにTrowell¹²によって開発され、腎臓発達における誘導シグナルを研究するためにSaxen¹³によってさらに変更されました。それ以来、臓器の全部または一部を培養するこのin vitro法は、さまざまな分野でうまく適用されてきました。歯の発達の分野では、この方法は、歯の発達¹⁴と連続的な歯の形成¹⁵を支配する上皮間葉系相互作用の研究に広く使用されています。Thesleff研究室の研究は、歯の成長と形態形成の時間的分析、歯の成長に対するさまざまな分子と成長因子の影響の分析、および歯の発達のタイムラプスライブイメージングのためのこのシステムの有用性を実証しました^16,17。最近では、この方法は、切歯SCおよびそれらのニッチ^18,19の調節を研究するために利用されており、これはここで詳細に説明されている。

プロトコル

この議定書には動物の使用が含まれ、すべての手順は、動物の使用と世話に関する倫理委員会とヘルシンキ大学の動物施設によって承認されました。

1. 臓器培養皿の調製

1. すべての手順は層流フードで実行します。作業面を70%エタノールで洗浄し、オートクレーブ滅菌したガラス器具と溶液を使用します。はさみやその他の金属機器をガラスビーズ滅菌器で滅菌します。
2. 通常70%エタノールで保存されるフィルターを1x PBSで3回洗浄してエタノールを除去して準備します(図1)。フィルターを長方形(3 x 3-5 x 5 mm)にカットします。
   注:洗浄されたフィルターピースは、4°Cで1x PBSで数日間保存できます。
3. 培養培地を調製します(1:1 DMEM:F12に、0.85%NaCl、10%[v/v] FBS、150 μg/mLアスコルビン酸、0.2%[v/v]ペニシリン[10,000 IU/mL]およびストレプトマイシン[10,000 μg/mL]中の1% [v/v] 200 mM L-アラニル-L-グルタミンジペプチドを添加した)。4°Cで保存してください。
4. 30 mmの金属グリッド(組織のイメージングを可能にする直径1〜2 mmの穴付き)を35 mmのペトリ皿に入れます。気泡を発生させずにグリッド表面に到達するのに十分なメディアを追加します。組織が単離されて培養の準備ができるまで、準備した培養皿を37°Cで予熱します(5%CO₂ および90%〜95%湿度の標準的なインキュベーター内)。

2.切歯の解剖と近位端の分離

1. 承認された動物飼育プロトコルに従って動物を犠牲にしてください。
2. マウスを斬首し、下顎骨を解剖します。これを行うには、まず皮膚を取り除いて下顎骨を露出させ、咬筋を切り開いて上顎と頭の残りの部分から分離します。
3. 下顎骨が分離されたら、舌とできるだけ多くの軟部組織を取り除きます。
4. すべての下顎骨を収集し、氷上のPBSを含むペトリ皿に保管してください。
5. 1つの下顎骨をガラスのペトリ皿に移し、使い捨ての20/26 G皮下注射針を使用して、実体顕微鏡下で切歯を解剖します。正中線で下顎骨を分割し、結合を切り裂きます。軟組織と筋肉組織を骨表面からきれいにして、視覚化を改善します。
   注:ガラスのペトリ皿は、針を鈍くしないため、不可欠です。
6. 10日未満の動物から得られた下顎骨はより柔らかく、より壊れやすいため、使い捨ての20/26 G皮下注射針を使用して下顎骨の各半分を縦方向に開き、切歯を露出させます。10日以上経過したマウスの場合は、ピンセットを使用して下顎骨をつかみ、骨を折って歯を露出させます。
7. 切歯を周囲の骨からそっと外し、頸部ループを含む近位端を切り取ります。
8. 近位端を切断し、石灰化したエナメル質と象牙質マトリックスを取り除きます。
9. 培養の準備ができるまで、収集した近位端をダルベッコのPBSに氷上に置いておきます。

3.文化

1. あらかじめ温めた培養皿のグリッドの上部にフィルター長方形を慎重に置きます。
2. 実体顕微鏡を使用して、組織片を適切に方向付けます。
3. 5%のCO₂ および90%〜95%の湿度で37°Cの標準的なインキュベーターに入れる。
4. 一日おきに培地を交換し、気泡の形成を慎重に避けて、新しい培地と交換してください。組織の成長を監視し、実体顕微鏡に取り付けられたカメラを使用して毎日写真を撮ります。

4.培養物に可溶性因子を加える

1. 培養液に可溶性因子と目的の分子を補給して、SCの調節に対するそれらの効果を調べます。
   注:任意の分子(成長因子、シグナル伝達分子、ブロッキング抗体、阻害剤または活性化剤などの薬理学的化合物、ベクターなど)の投与プロトコルは、その半減期および溶解度に依存する。これらのパラメーターは、使用する適切なコントロールも決定します。

5. 分子・組織学的解析

1. 培地を取り出します。
2. フィルターからの剥離を防ぐために、氷冷メタノールをティッシュに注意深く追加します。
3. メタノールを5分間放置します。
4. 組織外植片を運ぶフィルターをサンプリングチューブに移します。
5. 外植片をPBS中の4%パラホルムアルデヒドに4°Cで10〜24時間固定します。
6. 組織学的処理(パラフィン、凍結など)または免疫染色のための確立されたプロトコルに進みます。

6.組織スライスの培養

注:このプロトコルにはいくつかのバリエーションがあり、それらはすべて等しく成功し、ユーザーの速度とスキルに応じて個人的な選択の問題です。これらは、組織の生存率を収集して維持するために使用されるバッファーを指します。この目的のために、クレブス緩衝液、2%グルコースおよび抗生物質を添加したPBS、またはPBSを使用することができる。クレブス緩衝液を使用する場合は、1日前に作成し、4°Cに保つ必要があります。

1. 実験の前に、2〜2.5 gの低融点アガロースを50 mLの沸騰2%グルコース/ PBSに溶解して4%〜5%の低融点アガロースを調製し、その後、溶液を45°Cの水浴に入れます。
2. ビブラトームをセットアップし、70%エタノールで洗浄し、抗生物質(100 U / mLペニシリン、100 mg / mLストレプトマイシン)を添加した氷冷2%グルコース/ PBSで満たします。
3. 切歯の近位端を解剖し、抗生物質を添加した氷冷の2%グルコース/ PBSに集めます。
4. 切歯の1つの近位端を、4%〜5%の低融点アガロースを含む型に入れます。実体顕微鏡下で、ピースを希望の方向に向け、アガロースが固まるまで氷上に置いておきます。
5. 硬化したアガロースブロックをトリミングし、ビブラトームに入れます。厚いスライス(150〜300 μm)を切ります。
6. 抗生物質を添加した氷冷2%グルコース/ PBSを含むペトリ皿にスライスを収集します。
7. へらを使用して、セクション1.3のように準備された予熱されたグリッドに配置されたフィルター長方形に厚いスライスを転送します。
8. インキュベーター内で厚いスライスをインキュベートし、イメージングに進みます(図2)。

結果

上皮SCは、切歯の近位端に位置する頸部ループと呼ばれるニッチに存在します(図3A)。頸部ループは、緩く配置された上皮細胞のコアである星状網を包む内側と外側のエナメル質上皮で構成される形態学的に異なる構造です(図3B、C)。各切歯には2つの頸部ループがありますが(図3A)、唇頸部ループにのみSCが含まれ?...

ディスカッション

in vitro 臓器培養は、臓器の成長と形態形成を支配する誘導電位と上皮間葉系相互作用を研究するために広く使用されています。Theslef研究室は、トロウェル型臓器培養のサクセン修飾を適応させ、それを使用して歯の発達を研究する方法を実証しました¹⁴。再現性のある条件と蛍光レポーターの進歩により、これは歯の形態形成とその中の明確な細胞集団をモニタリン?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-mL plastic syringes
Disposable 20/26 gauge hypodermic needles	Terumo
DMEM	Gibco	61965-026
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline	Gibco	14287
Extra Fine Bonn Scissors	F.S.T.	14084-08
F-12	Gibco	31765-027
FBS South American (CE)	LifeTechn.	10270106	divide in aliquotes, store at -20°C
Glass bead sterilizer, Steri 250 Seconds-Sterilizer	Simon Keller Ltd	4AJ-6285884
GlutaMAX-1 (200 mM L-alanyl-L-glutamine dipeptide)	Gibco	35050-038
Isopore Polycarb.Filters, 0,1 um 25-mm diameter	MerckMillipore	VCTP02500	Store in 70% ethanol at room temperature.
L-Ascobic Acid	Sigma	A4544-25g	diluted 100 mg/ml in MilliQ, filter strerilized and divided in 20μl aliquotes, store at dark, -20°C
Low melting agarose	TopVision	R0801
Metal grids			Commercially available, or self-made from stainless-steel mesh (corrosion resistant, size of mesh 0.7 mm). Cut approximately 30 mm diameter disk and bend the edges to give 3 mm height. Use nails to make holes.
Micro forceps	Medicon	07.60.03
Paraformaldehyde	Sigma-Aldrich
Penicillin-Streptomycin (10,000U/ml) sol.	Gibco	15140-148
Petri dishes, Soda-Lime glass	DWK Life Sciences	9170442
Petridish 35 mm, with vent	Duran	237554008
Petridish 90 mm, no vent classic	Thermo Fisher	101RT/C
Small scissors