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Descrevemos um protocolo simples para desenvolver organoides epiteliais mucociliais a partir de células ectoderm profundas isoladas dos embriões Xenopus laevis. Os progenitores multipotentes regeneram precursores de células de cálice epitelial e permitem o acompanhamento ao vivo da iniciação e progressão das transições celulares na superfície dos organoides.
O epitélio mucociliary fornece a primeira linha de defesa removendo partículas estranhas através da ação da produção de muco e liberação mediada por cílios. Muitos defeitos clinicamente relevantes no epitélio mucociliary são inferidos à medida que ocorrem profundamente dentro do corpo. Aqui, introduzimos um modelo 3D tratável para epitélio mucociliário gerado a partir de progenitores multipotentes que foram microsurgicamente isolados dos embriões Xenopus laevis. Os organoides epiteliais mucociliais são cobertos com epitélio recém-gerado a partir de células ectoderme profundas e posteriormente decorados com distintas células multiciliadas padronizadas, células secretas e células de cálice produtoras de muco que são indistinguíveis da epiderme nativa dentro de 24 horas. As sequências completas de transições celulares dinâmicas de mesenquimal para epitelial que emergem na superfície apical dos organoides podem ser rastreadas por imagens ao vivo de alta resolução. Esses organoides epiteliais mucociliais in vitro, auto-organizados, oferecem vantagens distintas no estudo da biologia do epitélio mucocilial com alta eficiência na geração, condições de cultura definidas, controle sobre número e tamanho e acesso direto à imagem ao vivo durante a regeneração do epitélio diferenciado.
Lesões, infecções e doenças do epitélio mucociliário estão associadas à produção prejudicada e ao despejo de muco, que muitas vezes é encontrado em doenças pulmonares pulmonares crônicas, asma, fibrose cística, bronquiectase e diskinesia ciliar primária1,2,3,4. Um recente avanço na tecnologia organoide, por exemplo, o organoide pulmonar derivado de células basais chamado traqueosfera que recapitula a regeneração do epitélio mucociliary surge como um modelo promissor com potencial terapêutico1,5,6. No entanto, seu uso é atualmente limitado, em parte devido à falta das condições de cultura definidas e à baixa eficiência nas produções organoides. Epitélio mucociliary nas vias aéreas humanas e epiderme de sapo são notavelmente semelhantes em morfologia tecidual, composição celular, e sua função7,8,9,10,11,12. Em ambos os organismos, o epitélio mucociliary fornece defesa de primeira linha, secretando substâncias mucosas e antimicrobianas e limpa partículas e patógenos nocivos através da ação sincronizada de cílios.
Aqui, descrevemos um protocolo simples para gerar organoides epiteliais mucociliais usando os progenitores multipotentes dos embriões Xenopus laevis 13,14. Anteriormente, relatamos14 que, na ausência de fatores de crescimento exógenos e da matriz extracelular, as células profundas microsurgicamente isoladas do estágio gastrula precoce se reúnem espontaneamente em agregados, regeneram o epitélio em sua superfície e amadurecem em epitélio mucociliário, intercalando células multicilitárias e outras células acessórios dentro de 24h. Além do rápido desenvolvimento, este protocolo oferece uma oportunidade distinta para acessar diretamente as transições de células ectoderme profunda multipotentes em progenitores de células de cálice epitelial que recapitulam as etapas de regeneração de um epitélio14 interrompido que não estão disponíveis a partir de embriões intactos e ectoderme (também conhecido como cape animal)15,16,17. O número e o tamanho dos organoides produzidos são escaláveis com alta eficiência, controlando os materiais iniciais dos embriões Xenopus. Organoides na cultura flutuante podem ser facilmente classificados e transferidos na fase desejada para análises posteriores, incluindo imagens de alta resolução, testes mecânicos, tratamento medicamentoso e caracterização genética14. Esta regeneração espontânea e baseada em mecânica tecidual do epitélio na superfície dos agregados de células embrionárias resulta em organoides epiteliais mucociliais e fornecem um novo modelo tridimensional (3D) para estudar a biologia do epitélio mucociliário.
Os protocolos experimentais de uso e uso animal foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) do Instituto de Ciência Básica (IBS 18-01) e do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KA2017-22).
1. Embriões
2. Preparação de ferramentas microcirúrgicas, soluções e vasos culturais
3. Isolamento de células de ectoderme profundo
4. Geração de organoides epiteliais mucociliais
5. (Opcional) Imagem ao vivo de alta resolução de organoides em desenvolvimento
6. (Opcional) Imagem desenvolvendo organoides por fixação e imunostaining
Este protocolo padronizado gera um organoide epitelial mucociliary de progenitores multipotentes isolados do estágio gastrula inicial X. laevis embriões dentro de 24 horas do cultivo14. Coletâneos células de ectoderme profundo se auto-montam para formar um agregado em um tubo PCR não adesivo e sofrem epitelialização superficial e diferenciação de células de cálice. A superfície recém-epitelializada dos agregados fornece um substrato semelhante ao epitélio nativo encontrado in vivo para intercalar células internas (por exemplo, multiciliárias e outras células acessórios) e desenvolve-se para formar organoides epiteliais mucociliais(Figura 1A,B). Dentro de 24 horas após a agregação, organoides epiteliais mucociliary auto-organizados regeneram uma epiderme madura que é indistinguível da epiderme de um girino. Os organoides compreendem epitélio totalmente diferenciado (queratina), células gúrias secretantes de muco (ITLN), células multiciliadas (tubulina acetilada) e pequenas células secretary (aglutinina de amendoim, PNA)(Figura 1C).
Além de confirmar o desenvolvimento de diferentes tipos celulares com imunossuagem, a dinâmica do desenvolvimento organoide pode ser seguida por imagem viva(Figura 2A). Para examinar a epitelialização que emerge no estágio inicial da formação organoide(Figura 1B),rotulamos embriões expressando proteínas de junção apertadas marcadas fluorescente (ZO-1-RFP) e proteínas de localização de membrana (mem-GFP). Com rotulagem dupla, os passos sequenciais da formação de junção apertada ZO-1 positivo podem ser marcados e analisados quantitativamente durante a epitelialização(Figura 2). Por exemplo, para células (Figura 2B, de cor verde) em diferentes estágios da epitelialização (em 0 min), algumas regiões de adesão celular têm espalhado puncta de ZO-1 (Figura 2B, setas verdes). Em contraste, outras áreas têm expressão ZO-1 totalmente montada (Figura 2B, setas amarelas). Com o tempo, o puncta coalesce e conecta-se para formar junções apertadas contíguas(Figura 2B, setas verdes), e junções apertadas contíguas mantêm sua morfologia mesmo durante a divisão celular(Figura 2B, setas amarelas). À medida que as junções apertadas amadurecem, as células se movem dinamicamente para dentro e para fora da superfície ao longo dos planos apical dos organoides(Figura 2C,D). Além disso, rastreando células espacialmente na superfície de organoides diferenciadores(Figura 2B, células codificadas por cores), a análise em várias escalas é possível, variando de puncta individual a junções apertadas contíguas, limites celular-células e subconjuntos de populações celulares dentro de organoides.
Figura 1: Geração de organoides epiteliais mucociliais.
(A) Um esquema mostrando o protocolo para montar agregados profundos de ectoderm de embriões X. laevis. (B) Um esquema para um modelo de formação organoide epitelial mucociliary originário de células ectoderme profunda multipotentes (visão transversal). Células posicionadas na superfície transitam em células epiteliais e se diferenciam em células de cálice. Diferenciando células ciliadas, células secretas e ionócitos intercalam radialmente na superfície e regeneram uma epiderme madura. (C) Projeção máxima z de epitélio mucociliary imunostidido para ITLN (células gúrias produtoras de muco), tubulina acetilada (células ciliadas), PNA (pequenas células secretary) e queratina (células epiteliais) em organoides a 24 hpa (painel superior) e epiderme de girinos (painel inferior). Barra de escala = 30 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Imagem ao vivo de organoides em desenvolvimento.
(A) Um esquema da câmara de imagem para organoides vivos (para não escalar). (B) Sequências de lapso de tempo de pilhas confocal coletadas de agregados de células ectoderm profundas expressando ZO-1-RFP e mem-GFP de 2,5 hpa. Barra de escala = 20 μm. As células são pseudocoloridas para rastrear ao longo do tempo. As células de cor verde têm diferentes status de adesão celular, incluindo uma adesão positiva ZO-1 progressivamente em desenvolvimento (setas verdes) e uma mantendo a adesão positiva contígua ZO-1 (setas amarelas) ao longo do tempo. (C, D) Imagens confocalas de tempo de zo-1-RFP expressando agregados de células profundas ectoderm mostram as células radialmente intercalando para a superfície (C, estrela amarela) e movendo-se dentro dos agregados (D, estrela azul). Barras de escala = 10 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Organoides epiteliais mucociliais gerados a partir de células de ectoderme profundos do embrião X. laevis são uma ferramenta poderosa para estudar a epitelialização e diferenciação de progenitores multipotentes in vitro. Em contraste com o ensaio da tampa animal amplamente adotado16 utilizado para organogênese in vitro13 e o desenvolvimento da epitélio mucociliaria15,17,22 que utilizam o ectoderme intacto, os organoides derivados do ectoderme profundo apresentados neste protocolo oferecem uma oportunidade distinta de monitorar as fases de regeneração orientadas pela mecânica tecidual do epitélio superficial14. Em torno de 2 hpa, as células epiteliais positivas zo-1 recém-geradas(Figura 2) começam a aparecer na superfície apical dos organoides e aumentam sua população para cobrir todo o organoide à medida que o tecido solidifica ou reduz a conformidade14. A regeneração do epitélio e as especificações subsequentes de linhagem para células de cálice produtoras de muco prosseguem espontaneamente em uma mídia cultural quimicamente definida dentro de um dia. Estes organoides epiteliais mucociliais em rápido desenvolvimento fornecem uma plataforma para examinar comportamentos celulares dinâmicos em tempo real, em alta resolução, durante etapas progressivas de regeneração epitelial. Também permitem a investigação de questões fundamentais que surgem durante o desenvolvimento do epitélio mucociliary, homeostase e doenças associadas2,9,23. Em particular, a sensibilidade mecânica das células progenitoras profundas durante a transição para precursores de células de cálice epitelial identificadas nos organoides14 pode servir para ligar doenças respiratórias associadas à diferenciação basal anormal onde as células de cálice que se secretam muco estão sobre ou sub-produzidas23.
Embora este protocolo ofereça uma abordagem simples para gerar esses organoides, existem várias etapas críticas para o sucesso em experimentos. Para evitar a contaminação de células epiteliais superficiais durante o isolamento de células de ectoderme profundo da tampa animal, deve-se monitorar a tampa animal colocada em DFA livre de cálcio e magnésio sob um estereoscópio e detectar o momento certo para iniciar a separação da camada superficial pigmentada escura da tampa animal. Se o tecido for mantido em DFA livre de cálcio e magnésio por muito tempo, todo o tecido se dissociará e distinguir entre células profundas e superficiais seria então impossível para agregados profundos de ectoderme. Para confirmar a ausência de células superficiais em agregados de ectoderme profundo, recomendamos rotular fluorescentemente a superfície apical do embrião com NHS-rhodamina (passo 1.414) antes da microcirurgia; isso permitiria fácil identificação de células superficiais se existissem nos organoides resultantes. Uma vez que a regeneração epitelial é regulada pela mecânica tecidual14, é essencial evitar a geração de força não intencional para organoides auto-organizados. Em particular, sugerimos evitar o contato com o fundo de vidro da câmara de imagem durante a imagem ao vivo, colocando agregados nas bordas das grades TEM, pois isso permite o contato livre com a janela de imagem dos agregados ao vivo (passo 5.1.2.). Este modelo 3D in vitro-cultivado e auto-organizado para epitélio mucociliário servirá como uma ferramenta tratável para responder às questões fundamentais que surgem durante a regeneração do epitélio e a especificação de linhagem das células de cálice.
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecemos aos membros do laboratório Kim e Lance Davidson por seus comentários e apoio. Este trabalho foi apoiado pela Young Scientist Fellowship para hyk do Institute for Basic Science (IBS-R0250Y1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
Dual-stage Glass Micropipette Puller | Narishige | PC-100 | |
Picoliter microinjector | Warner Instruments | PLI-100A | |
Confocal Laser Microscope | |||
Stereoscope | |||
Tools | |||
Forcep | Dumont | Dumont #5 | |
Hair knife | Reference (Kay, B.K.; Peng, H.B., 1991) | ||
Hair loop | Reference (Kay, B.K.; Peng, H.B., 1991) | ||
hCG injection | |||
human chorionic gonadotropin | Sigma | cg10-10vl | |
MBS solution | |||
10M Sodium hydroxide | Sigma | 72068 | |
Calcium chloride | Sigma | C3881 | |
Calcium nitrate | Sigma | C1396 | |
HEPES | Sigma | H4034 | |
Magnesium sulfate | Sigma | 230391 | |
Phenol-red | Sigma | P0290 | |
Potassium chloride | Sigma | 7447-40-7 | |
Sodium bicarbonate | Sigma | S6014 | |
Sodium chloride | Sigma | S9625 | |
Sodium hydroxide reagent grade, 97%, powder-25g | Sigma | 655104 | |
dejellying solution | |||
L-Cysteine hydrochloride monohydrate | Sigma | C7880 | |
Sodium hydroxide 10M | Sigma | 72068 | |
Ficoll solution | |||
Ficoll | Sigma | F4375 | |
DFA solution | |||
Sodium chloride | Sigma | S9625 | |
0.22mm Filter | Millipore | S2GPT05RE | |
Antibiotic Antimycotic Solution | Sigma | A5955 | |
Bicine | Sigma | B3876 | |
Calcium chloride | Sigma | C3881 | |
Magnesium sulfate | Sigma | 230391 | |
Potassium gluconate | Sigma | G4500 | |
Sodium carbonate | Sigma | 222321 | |
Sodium gluconate | Sigma | G9005 | |
mRNA in vitro transcription | |||
SP6/T7 in vitro transcription kit | Invitrogen | AM1340 | |
mRNA microinjection | |||
Borosilicate glass capillary tubes | Harvard Apparatus | GC100-10 | |
Eppendorf microloader pipette tips | ThermoFisher | A25547 | |
Mineral oil | Sigma | M5904 | |
PCR tube coating | |||
BSA | Thermofisher | 26140079 | |
PCR tubes | SSI | SSI-3245-00 | |
Imaging | |||
Custom-milled acrylic chamber | |||
Coverglass 24mmX50mm | Duran | B01_001650 | |
SPI Hexagonal TEM Grids, Gilded Nickel (50mesh) | SPI | 275HGN-XA | |
SPI Hexagonal TEM Grids, Gilded Nickel (75mesh) | SPI | 2775GN-XA | |
Silicone grease | Shinetsu | HIVAC-G | |
Fixation | |||
20ml screw top-cap vial | Wheaton | WH.986580 | |
2ml screw top-cap vial | |||
Benzyl alcohol | Sigma | 305197 | |
Benzyl benzoate | Sigma | B6630 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sgima | D4540 | |
Glutaraldehyde 10% EM GRADE | Electron Microscopy Sciences | 16120 | |
Goat serum | Jackson | 005-000-121 | |
Methanol | Sigma | 322415 | |
Paraforlamdehyde | Sigma | P6148 | |
Phosphate-buffered saline (PBS) | LPS Solution | CBP007B | |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
Primary antibody (1:200) | |||
acetylated tubulin | Sigma | clone 6-11B-1 | |
Itln1 | Proteintech | 11770-1-AP | |
Keratin | Developmental Studies Hybridoma Bank | 1h5 | |
ZO1 | Invitrogen | 402200 | |
Vectors | |||
pCS2-mem-GFP | Gift from Dr. Lance Davidson | ||
pCS2-ZO1-RFP | Gift from Dr. Lance Davidson |
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