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本プロトコルは、管腔内生理学の時空間特性評価のための微小電極を使用したヒト組織由来胃オルガノイドのpH測定について説明しています。
消化管オルガノイドモデルの最適化と詳細な特性評価には、その管腔環境を解析するための高度な方法が必要です。この論文では、マイクロマニピュレータ制御の微小電極を介して、3Dヒト胃オルガノイドの細胞腔内のpHを正確に測定するための再現性の高い方法を紹介します。pH微小電極は市販されており、直径25μmの面取りガラスチップで構成されています。測定では、pH微小電極をマトリゲルに懸濁したオルガノイド(>200 μm)の内腔に進め、参照電極を培養プレート内の周囲の培地に沈めます。
このような微小電極を使用してヒト胃体に由来するオルガノイドをプロファイリングすると、管腔pHが各培養ウェル内で~7.7 ± 0.037と比較的一貫しており、最低15分間の連続測定が得られることが実証されます。一部の大型オルガノイドでは、測定により上皮表面と内腔との間にpH勾配が明らかになり、オルガノイドのpH測定を高い空間分解能で達成できることが示唆されました。以前の研究では、微小電極を使用してオルガノイドの管腔酸素濃度を測定することに成功しており、この方法のオルガノイド分析の多様性が実証されています。要約すると、このプロトコルは、3Dオルガノイド内の複雑な管腔空間の機能特性評価のための重要なツールを説明しています。
オルガノイド(幹細胞に由来する超小型の多細胞構造)は、ヒトの生理学を研究する能力に革命をもたらし、規制環境においても動物モデルに取って代わり始めています1。2009年に佐藤らが腸管オルガノイドを初めて報告して以来、オルガノイド技術は非常に人気があります2。オルガノイドモデルの細胞組成と機能については、多くの研究が詳細に特徴づけられています3,4,5,6。しかし、これらの3D多細胞構造の管腔空間は、ほとんど未定義のままです7,8。内腔は、粘膜組織に由来するオルガノイドの中央空洞で、分極した上皮細胞の頂端部分に囲まれています。細胞の分泌と吸収は主に頂端上皮表面で起こるため、オルガノイドの管腔微小環境はこれらの重要な生理学的プロセスによって制御されています。現在使用されているオルガノイドモデルは、細胞シグナル伝達パターン、全体的な幹細胞性、代謝物濃度勾配、および環境条件の変動を示しています9。したがって、オルガノイド管腔生理学を理解することは、臓器機能と病理の正確なモデリングに必要です。残念ながら、内腔が比較的アクセスしにくいため、3Dオルガノイド10の管腔生理学の機能解析が大幅に妨げられます。
pHプロファイルを調べる能力は、体内で最も急なプロトン勾配を持つことで悪名高い胃で特に重要であり、内腔の約1〜3から上皮11,12,13で中性に近い範囲にあります。胃のpH勾配のミクロスケールの維持に関する理解と、この動的な環境を胃粘膜層全体で再現するオルガノイドモデルの関連性については、依然として大きなギャップがあります。オルガノイドのpH分析における従来のアプローチでは、蛍光または比色指標となるpH感受性色素を使用してきました。McCrackenらは、オルガノイドにSNARF-5F-aレシオメトリックpHインジケーターを管腔注射して、ヒスタミン治療に応答した管腔pHの低下を分析しました。このような色素は培地に組み込むことができるため、pHの非侵襲的なモニタリングをリアルタイムで行うことができます。pH感受性色素は、測定の信頼性と精度の低下に寄与する複雑なキャリブレーションステップを必要とするだけでなく、そのような色素は、目的の微小環境14,15内の全pH範囲を代表していない可能性のある特定の検出範囲内で動作する傾向があります。しかし、確認実験にはインジケーター色素を使用することは合理的であると考えられる。蛍光オプトードベースのpHセンシングアプローチを使用する光学ナノセンサーも開発されています。しかし、このようなセンシング技術は顕微鏡イメージングを必要とし、また、光退色、光毒性、ならびにイメージングバイアス16,17の影響を受けやすい。さらに、Brooksらは、その上にオルガノイドをプレーティングすることができる微小電極を含む3Dプリントされたマルチウェルプレートを有する18。ただし、このアプローチでは、オルガノイド内腔内を直接測定することはできません。
電極ベースのpH測定は、他の方法と比較して精度が向上するだけでなく、リアルタイムのpHモニタリングも実現できます。また、マイクロマニピュレータに搭載されたpH電極は、電極先端の正確な位置を細かく制御できるため、pH測定の空間分解能に優れています。これにより、オルガノイドモデルの解析において可能な限り高い柔軟性と再現性が得られます。ここで使用している電極は、細い白金線を囲む選択的なpHガラスを介してプロトンを拡散させることで作動する小型のpH微小電極です。微小電極は、外部のAg-AgCl参照電極に接続され、次に高インピーダンスのミリボルトメーターに接続されます。同じ溶液に浸されたときの2つの電極先端間の電位は、溶液19のpHを反映する。このようなマイクロプロファイリングシステムは、バイオフィルム20,21、プランクトン性藻類22、ヒト喀痰サンプル23、さらには間葉系幹細胞スフェロイド24の代謝分析に使用されてきた。私たちの研究室とMurphyらは、これまでにマイクロマニピュレーター制御のO2微小電極を使用して、オルガノイドの管腔内の酸素濃度を評価してきました。Murphyらは、この方法を数学的モデリングと組み合わせて、スフェロイド内の酸素勾配を明らかにしました。私たちのグループは、組織由来の胃オルガノイドにおいて、周囲の細胞外マトリックスと比較して管腔酸素レベルが低下していることを発見することができました25。
ここでは、球状消化管オルガノイドの管腔pHの手動微小電極プロファイリングの詳細な方法を提供し、複雑な管腔微小環境の生理学的理解を深めることができます。この手法は、マイクロスケールでのpHレベルのリアルタイムかつ高分解能の測定を通じて、オルガノイド生理学の探求に新たな次元を追加すると期待しています。さらに、以下のプロトコルは、様々なタイプのオルガノイドモデルにおけるO2、N2O、H2、NO、H2S、酸化還元、および温度の分析に容易に適合させることができる。生理学的プロファイリングは、オルガノイド培養条件を最適化して in vivo 環境をよりよく模倣するための貴重なツールとして機能し、生物医学研究におけるオルガノイドモデルの関連性と有用性を高めます。
このプロトコールでは、直径200 μm以上の3Dオルガノイドが必要で、それらは明確な内腔を持ち、人工細胞外マトリックス(ECM、例えば、Matrigel)に埋め込まれています。オルガノイド由来のヒト胃組織は、モンタナ州立大学の治験審査委員会の承認を得て、ボーズマンヘルスで上部内視鏡検査を受ける患者からのインフォームドコンセント(プロトコル#2023-48-FCR、D.B.へ)または全胃またはスリーブ胃切除術の免除標本として、National Disease Research Interchange(プロトコル #DB062615-EX)から取得されました。この研究に使用したオルガノイド系統と通路番号に関する情報を表1に、培地組成を表2に示します。胃腸オルガノイド系統6,26,27の生成および維持について以前に発表されたプロトコルを参照されたい。
1. pHプロファイリングのためのヒト胃オルガノイドの調製
2. 微小電極の開梱と校正
注:マイクロスケール測定を可能にするために、pHセンサーの微小電極に加えて、統合された(したがってかさばる)設計を使用するのではなく、別の参照電極が使用されます。pH微小電極と参照電極はどちらも濡れた状態で保管する必要があります。一度に10分以上空気にさらさないでください。アプリケーションに適したチップサイズを決定します。ここでは、先端径が25μmの電位差pH微小電極を使用しました。
3. ヒト胃オルガノイドのpHプロファイリング
注: 次のプロトコルは、右利きのユーザー向けに説明されています。注意: PCがスリープモードに入ると進行中の測定が中断されるため、PCのすべての省電力オプションを無効にしてください。
4. 電動プロファイリング (オプション)
(注)このオプションには、機械式モータステージに取り付けられたマイクロマニピュレータが必要であり、これは最終的にモータコントローラ31を介してコンピュータソフトウェアによって制御される。
5. 電極の洗浄
6. 電極の保管
注意: 両方の電極は、偶発的な損傷から安全に、放射能の低い場所に室温で保管する必要があります。
7.メチルレッドインジェクション(オプション)
注:メチルレッドは、微小電極の測定を検証するために使用できる比色インジケーター色素です。
酸の分泌は、人間の胃の重要な機能です。しかし、オルガノイドで酸分泌をどの程度モデル化できるかは、まだ議論の余地があります6,32,33,34。したがって、胃オルガノイドの酸産生を正確に測定するために、上記のプロトコルを開発しました。特に、数回継代した標準的な増殖条件下で培養した...
オルガノイドの管腔へのアクセスが限られているため、この微小環境の生理学的ダイナミクスの理解は著しく制限されています。管腔生理学の機能解析のための信頼性の高いツールにより、生理学、薬理学、疾患研究のためのin vitroモデルとしてオルガノイドを活用する能力が広がります。オルガノイドは、高度に調整可能で生理学的に関連性のあるモデルであり、ヒト集団内の遺伝?...
著者には、開示すべき利益相反はありません。
著者らは、Ellen Lauchnor博士、Phil Stewart博士、Bengisu Kilic氏に対し、O2 マイクロセンサーに関するこれまでの研究と支援に感謝の意を表します。アンディ・セブレルはオルガノイド培養とマイクロマニピュレーションのトレーニング。Lexi Burchamは、オルガノイド培養、培地調製、データ記録、および組織化の支援に対して。スージー・コホウト博士は、電気生理学の一般的なアドバイスを提供しています。イメージングへの協力についてHeidi Smith博士に感謝するとともに、全米科学財団MRIプログラム(2018562)、M.J. Murdock Charitable Trust(202016116)、米国国防総省(77369LSRIP & W911NF1910288)、およびMontana Nanotechnology Facility(NSF Grant ECCS-2025391によってサポートされているNNCIメンバー)からの資金提供を受けているモンタナ州立大学のCenter for Biofilm Engineering Bioimaging Facilityに感謝します。
この作業を可能にしたUnisenseチーム全体、特にAndrew Cerskus博士、Laura Woods博士、Lars Larsen博士、Tage Dalsgaard博士、Line Daugaard博士、Karen Maegaard博士、Mette Gammelgaard博士に感謝します。私たちの研究の資金は、国立衛生研究所の助成金R01 GM13140801(D.B.、R.B.)とUL1 TR002319(K.N.L.)、およびモンタナ州立大学研究経済開発局(D.B.)からのResearch Expansion Awardによって提供されました。 図1A はBioRenderで作成しました。
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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