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이 연구는 소장과 대장에서 유래한 돼지 오가노이드의 2D 단층을 생성하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 이러한 단층의 성장은 TEER 값의 증가로 표시되며, 이는 견고한 상피 무결성을 나타냅니다. 게다가, 이 단층은 forskolin의 신청에 따르는 Ussing 약실 실험에 있는 생리적인 분비 반응을 전시합니다.
위장관(GIT)은 음식의 소화와 영양소 흡수뿐만 아니라 병원체에 대한 보호 장벽 역할도 합니다. 전통적으로 이 분야의 연구는 동물 실험에 의존해 왔지만, 3R 원칙(대체, 감소, 개선)을 준수하는 대체 방법에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 돼지 오가노이드는 기존 세포 모델보다 생체 내 조건의 더 정확한 체외 복제를 제공하는 유망한 도구로 부상했습니다. 장 오가노이드의 주요 문제 중 하나는 안쪽을 향하는 정점 표면과 바깥쪽을 향하는 기저측 표면입니다. 이러한 한계는 트랜스웰 인서트(이하 인서트라고 함)에 2차원(2D) 오가노이드 레이어를 생성하여 두 표면에 모두 액세스할 수 있도록 함으로써 극복할 수 있습니다. 이 연구에서는 돼지 제주눔과 결장 오가노이드의 2차원 배양을 성공적으로 개발했습니다. 배양 과정에는 두 가지 주요 단계가 포함됩니다: 첫 번째는 세포 단층의 형성이고, 그 다음에는 맞춤형 배지를 사용하여 세포를 분화하는 것입니다. 세포 성장은 경상피 전기 저항을 측정하여 추적하며, 이는 결장 오가노이드의 경우 8일째, 제주눔 오가노이드의 경우 16일째까지 안정화됩니다. 2일의 분화 단계가 끝나면 상피를 분석할 준비가 됩니다. 염화물 분비와 같은 활성 전기 전달 과정을 정량화하고 추적하기 위해 당사는 Ussing 챔버 기술을 사용합니다. 이 방법을 사용하면 상피 수송 과정의 실시간 측정 및 상세한 특성화가 가능합니다. Ussing 챔버와 같은 확립된 기술과 결합된 이 혁신적인 체외 모델은 3R 프레임워크 내에서 돼지 GIT를 생리학적으로 특성화하기 위한 강력한 플랫폼을 제공합니다. 또한 병태생리학적 메커니즘을 조사하고 잠재적인 치료 전략을 개발할 수 있는 기회를 열어줍니다.
GIT는 소화, 영양소 흡수 및 대변을 통한 배설물1에 중심적인 역할을 합니다. 또한 줄기세포, 점액 생성 배상 세포, 장 내분비 세포 및 흡수성 장세포를 포함한 다양한 세포 구성에 의해 지원되는 역할인 병원체에 대한 장벽으로 기능합니다2. 장의 항상성은 세균 감염3 또는 염증 과정4과 같은 다양한 요인에 의해 방해를 받을 수 있으며, 이는 흡수 장애, 설사또는 심지어 사망5과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 이러한 병태생리학적 시나리오는 일반적으로 실험 동물 또는 3R 원칙6에 따라 다양한 종에서 유래한 세포 배양을 사용하여 수행됩니다. 결과의 정확한 예측과 전달 가능성은 종 특이적 모델을 사용할 때 매우 중요합니다7. 이러한 필요성에도 불구하고 장관의 복잡성과 기능을 적절하게 복제하는 돼지 유래 세포 배양이 현저히 부족합니다.
다른 종과 관련된 이 문제를 해결하기 위해 GIT8의 생리학적 복잡성을 복제하기 위해 3차원(3D) 오가노이드가 개발되었습니다. 처음에 오가노이드는 인간과 생쥐의 장에서 만들어졌습니다. 현재까지 어린 돼지와 성체 돼지의 돼지 오가노이드도 성공적으로 개발되고 배양되었습니다 9,10. 이 돼지 오가노이드는 처음 등장한 이래로 주로 장 감염에 초점을 맞춘 여러 연구에서 활용되었습니다 11,12,13,14. 영양소 수송 또는 분비 과정과 같은 생리학적 특성을 규명하기 위한 연구는 여전히 제한적이다15. 이는 장 오가노이드(intestinal organoids)의 방향이 정점 표면이 안쪽을 향하고 기저측 면이 바깥쪽을 향하여 정점 표면에 대한 접근을 제한하기 때문일 수 있습니다. 이러한 한계는 돼지 오가노이드를 2차원 형식16으로 성공적으로 배양함으로써 해결되었으며, 이는 냉동 조직을 사용하여 생성함으로써 더욱 발전된 방법입니다17.
돼지 오가노이드의 2D 배양은 상피의 양쪽에 대한 접근을 제공하여 상피층을 가로지르는 수송 과정을 연구하기 위해 잘 확립된 방법을 적용할 수 있습니다. 이러한 방법 중 하나는 Ussing 챔버18로, 이를 통해 상피 전체의 전기적 흡수 및 분비 과정을 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 이 시스템의 광범위한 사용은 전체 장 축을 포괄하는 생체 내 돼지 장 기능에 대한 포괄적인 이해를 제공했습니다. 여기에는 단일당류 수송 또는 단쇄 지방산의 수송 또는 장 수송 특성에 영향을 미치는 레스베라트롤과 같은 2차 식물 대사 산물에 대한 반응에 대한 연구가 포함됩니다 19,20,21,22,23,24. 이러한 연구에서 얻은 방대한 양의 데이터는 돼지 오가노이드의 잘 특성화된 생체 내 조건과 체외 환경 간의 직접적인 비교를 용이하게 하여 생리학적 관련성에 대한 이해를 높입니다.
본 연구에서는 3D 돼지 오가노이드로부터 2D 단층을 생성하고 배양하기 위한 프로토콜을 제시한다. 또한 Ussing 챔버 기법을 사용하여 장 수송 과정을 정량화하는 방법론적 접근 방식에 대해 자세히 설명합니다. 이 프로토콜은 제주넘 및 결장 오가노이드의 in vitro 흡수 및 분비 특성을 연구할 수 있는 도구를 제공하여 잘 특성화된 생체 내 조건과 직접 비교할 수 있습니다. 이 프로토콜의 향후 응용 분야에는 약리학적 또는 독성학적 물질의 영향을 조사하고 상피와 병원체 간의 상호 작용을 탐색하는 것이 포함될 수 있습니다.
이 규약을 위해 건강한 돼지 두 마리(Bentheim Blacked Pied 돼지, 수컷 1마리, 암컷 1마리, 생후 4.5개월, 약 65kg)를 포획 화살과 출혈로 희생시켰다. 동물보호법에 따르면 이것(도축 및 조직 제거)은 동물실험으로 분류되지 않고 동물복지담당관(등록번호)에게 알려야 합니다. TiHo-T-2023-15)를 수여했습니다.
1. 인서트 코팅
알림: 모든 단계는 안전 캐비닛 아래에서 멸균 재료로 수행됩니다. 프로토콜의 모든 단계는 달리 명시되지 않은 경우 얼음 위에서 수행됩니다.
2. 2D 오가노이드 단층 생성
참고: 돼지 결장 오가노이드는 돼지 제주날 오가노이드25에 대해 설명된 대로 생성 및 배양됩니다. 3D 오가노이드 생성 후에는 지속적인 성장을 보장하기 위해 매주 전달하면서 최소 3-4주 동안 배양해야 합니다. 후속 단계에서 용해되는 3D 오가노이드를 포함하는 각 돔 내의 세포 수는 단일 막관통 필터를 커버하기에 충분합니다. 단층 생성 전에 3D 오가노이드는 이전 성장 및 오염 가능성을 확인하기 위해 광학 품질 관리를 받았습니다(그림 1).
그림 1: 대표적인 3D 오가노이드. 3차원 (A) 제주넘 및 (B) 결장 오가노이드는 단층을 생성하기 전에 현미경으로 주의 깊게 검사됩니다. 이전의 성장 패턴, 구조적 무결성 및 불순물이나 오염의 존재 여부를 평가하는 데 특별한 주의를 기울입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 경상피 전기 저항(TEER) 측정
알림: 모든 측정은 오염을 방지하기 위해 안전 캐비닛 아래에서 수행됩니다. 세포를 시딩하기 전에 코팅된 모든 빈 트랜스웰을 측정하여 개별 blank 값을 얻습니다. 볼트-옴 미터는 도입된 USB 장치에 값을 저장합니다.
4. Ussing 챔버 기술을 사용한 전기 생리학적 수송 연구
참고: 전기생리학적 수송 연구의 결정은 상피로 나뉘어진 두 개의 챔버 구획으로 구성된 Ussing 챔버를 사용하여 수행됩니다. 이 챔버는 Ag / AgCl 전극에 의해 전압 클램프에 연결됩니다. 이 기술은 전압 클램프에 의해 유도 된 단락 전류 (Isc)의 변화와 옴의 법칙에 의해 계산 된 조직 저항(RT)을 통해 상피의 활성 전기 전달 과정을 추적 할 수 있습니다. Isc 및RT 는 전체 실험 동안 6초마다 기록됩니다. 실험하는 동안 조사된 조직은 탄수화물로 폭기되고 실행 가능한 조건을 보장하기 위해 변형된 Krebs-Henseleit 용액으로 배양됩니다. 인도메타신(Indomethacin, 10μM)을 완충액에 첨가하여 프로스타글란딘 합성을 억제한다26.
그림 2: Ussing 챔버의 개략적 구조. 성장된 2D 단층이 있는 멤브레인으로 분할된 두 챔버가 표시됩니다. 두 챔버 모두 발암원으로 폭기되어 있습니다. 전압과 전류는 챔버당 두 개의 전극으로 모니터링됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. Ussing 챔버 설정에 의해 생성된 데이터 분석
이 프로토콜은 돼지의 제주넘(jejunum)과 결장(colon)에서 유래한 3D 오가노이드(organoid)를 세분화하여 돼지 2D 단층(porcine 2D monolayer)의 안정적인 생성을 촉진합니다. 제주눔 오가노이드의 경우 16일, 결장 오가노이드의 경우 9일의 배양 기간 동안 온전한 단층이 형성됩니다. 이러한 단층은 이후에 Ussing 챔버 기술을 사용하여 전기적 및 생리학적 수송 특성을 평가하는 데 사용할 ...
이 프로토콜은 확립된 돼지 3D 오가노이드를 단일 세포로 변환한 다음 트랜스웰 멤브레인에 파종하여 온전한 단층을 형성하는 방법을 설명합니다. 이 구성은 세포의 정점 쪽에 대한 접근 권한을 부여하여 흡수 및 분비 과정을 모니터링하기 위해 Ussing 챔버를 쉽게 사용할 수 있도록 합니다.
이 다단계 공정의 초기이자 중요한 단계는 3D 오가노이드를 ?...
우리는 선언할 이해 상충이 없습니다.
연방 식량 농업부(BLE# 28N-2-071-00)에 자금을 지원해 주셔서 감사합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24 well plate | SARSTEDT AG & Co. KG | 8,33,922 | |
A83-01 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-10432 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
accujet S | Brand GmbH + Co KG, Wertheim, Germany | 26351 | |
Advanced DMEM/F12 Medium | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 12634010 | Store at 4 °C |
B27 supplement | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 17504044 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
CaCl2.2 H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | C3306 | Store at room temperature |
D(+)-Glucose (wasserfrei) | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.08337 | Store at room temperature |
DAPT | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-13027 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
D-Mannitol | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | M4125 | Store at room temperature |
DMSO | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | 154938 | Store at room temperature |
Electrode-Set (AgCl/PtIr/Std.) | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | #1316 | |
Eppendorf Research plus | Eppendorf SE, Hamburg, Gemany | 3123000063 | |
Eppendorf Research plus | Eppendorf SE, Hamburg, Gemany | 3123000047 | |
EVOM3 Manual Epithelial Volt Ohm Meter | World precision instruments, Sarasota, USA | EVM-MT-03-01 | |
FBS | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | F7524 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Forskolin | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | F6886 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
gasprofi 1 SCS micro | WLD-TEC GmbH, Arsenhausen, Germany | 60,04,000 | |
Gastrin 1 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-P1097 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Glutamax | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 35050061 | Store at 4 °C. |
HCl | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | 1090571000 | Store at room temperature |
HEPES | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | H0887 | Store at 4 °C |
Herasafe 2025 Class II Biological Safety Cabinet | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 51033316 | |
Incubator ICO105 | Memmert GmbH + Co.KG, Schwabach, Germany | 62,20,143 | |
Indomethacin | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | I7378 | Store at room temperature |
KCl | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.04936 | Store at room temperature |
L-Glutamin | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | G7513 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
LWRN Supernatant | selfmade | Store at -20 °C. Thaw when needed. LWRN supplement is produced according to Miyoshi et al. (2012) | |
Matrigel Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning Incorporated - Life Sciences | 354234 | Store at -20 °C. Thaw carefully on ice when needed |
Megafuge 1.OR | Heraeus Instruments, Osterode, Germany | 75003060 | |
MgCl2.6 H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.05833 | Store at room temperature |
Na2HPO4.2H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06580 | Store at room temperature |
N-Acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | A7250 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
NaCl | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06404 | Store at room temperature |
NaH2PO4.H2O | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06346 | Store at room temperature |
NaHCO3 | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | 1.06329 | Store at room temperature |
Neubauer improved chamber | Glaswarenfabrik Karl Hecht, Sondheim vor der Rhön, Germany | 40442712 | |
Olympus IX70 iverted Microscope | Olympus Corporation, Hamburg, Germany | ||
Pen/Strep | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 15140122 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
PolymyxinB | Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Germany | P4932-1MU | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Primovert microscope stand with binocular phototube | Zeiss | 415510-1101-000 | |
rm EGF | Prepotech, New Jersey, USA | 315-09 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
SB202190 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-10295 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
Snapwell 3801 | Corning Incorporated - Life Sciences | 3801 | |
Trypsin/EDTA | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA | 25300054 | |
Ussing Base System | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | #1317 | |
Ussing Diffusion Chamber | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | SKU 1307 | |
Voltage/Current Clamp VCC6 | Scientific Instruments, Simmerath, Germany | SKU 1310 | |
Y27632 | MedChemExpress, New Jersey, USA | HY-10583 | Store at -20 °C. Thaw when needed |
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