Method Article
Здесь представлен воспроизводимый, доступный и надежный метод выделения и расширения первичных эпителиальных клеток бронхов для долгосрочного биобанкирования и получения дифференцированных эпителиальных клеток путем культивирования на границе раздела воздух-жидкость.
Слой эпителиальных клеток дыхательных путей образует первый барьер между легочной тканью и внешней средой и, таким образом, постоянно подвергается воздействию вдыхаемых веществ, включая инфекционные агенты и загрязнители воздуха. Эпителиальный слой дыхательных путей играет центральную роль при большом разнообразии острых и хронических заболеваний легких, и различные методы лечения, нацеленные на этот эпителий, проводятся ингаляционно. Понимание роли эпителия в патогенезе и того, как он может быть нацелен на терапию, требует надежных и репрезентативных моделей. Модели эпителиальных культур in vitro все чаще используются и предлагают преимущество проведения экспериментов в контролируемой среде, подвергая клетки воздействию различных видов раздражителей, токсикантов или инфекционных агентов. Использование первичных клеток вместо иммортализированных или опухолевых клеточных линий имеет то преимущество, что эти клетки дифференцируются в культуре в псевдостратифицированный поляризованный эпителиальный клеточный слой с лучшим представлением эпителия по сравнению с клеточными линиями.
Здесь представлен надежный протокол, который был оптимизирован за последние десятилетия для выделения и культивирования эпителиальных клеток дыхательных путей из легочной ткани. Эта процедура позволяет успешно выделять, расширять, культивировать и мукоцилиарную дифференцировку первичных эпителиальных клеток бронхов (PBEC) путем культивирования на границе раздела воздух-жидкость (ALI) и включает протокол биобанкинга. Кроме того, описана характеристика этих культур с использованием клеточно-специфических маркерных генов. Эти культуры ALI-PBEC могут быть использованы для целого ряда применений, включая воздействие цельного сигаретного дыма или медиаторов воспаления, а также совместное культурирование/заражение вирусами или бактериями.
Ожидается, что протокол, представленный в этой рукописи, иллюстрирующий процедуру шаг за шагом, послужит основой и/или справочным материалом для тех, кто заинтересован во внедрении или адаптации таких систем культивирования в своей лаборатории.
Роль эпителия дыхательных путей при различных острых и хронических заболеваниях легких была описана в различных обзорах 1,2,3,4,5,6,7. Хорошо дифференцированные культуры эпителиальных клеток дыхательных путей являются важным инструментом для разгадки роли эпителия дыхательных путей. Культура эпителиальных клеток дыхательных путей на границе воздух-жидкость (ALI) широко применяется для содействия дифференцировке базальных эпителиальных клеток дыхательных путей и, таким образом, надежного изучения эпителия дыхательных путей in vitro 8,9. В последние годы использование таких моделей еще больше возросло в результате новых исследовательских инициатив, связанных с пандемией COVID-19 и всемирным переходом к исследованиям без животных. Таким образом, более широкое использование этой модельной клеточной линии подчеркивает необходимость обмена процедурами и опытом для получения надежных результатов. Это также позволит сравнивать результаты между исследовательскими группами. Надежность процедуры является ключевой характеристикой и поэтому должна подвергаться контролю качества. Несколько лабораторий инвестировали в разработку протоколов культивирования первичных эпителиальных клеток дыхательных путей в ALI. Время, усилия и требуемый бюджет могут быть сокращены, если эти процедуры будут подробно рассмотрены. Эти детали включают, например, выбор пластмасс и сред для клеточных культур, предоставляемых различными производителями, поскольку было обнаружено, что это влияет на характеристики полученных культур10,11,12. Это подчеркивает важность обмена опытом и подробностями процедур культивирования, поскольку в отсутствие такого понимания это может повлиять на результаты и/или усилия по валидации в различных лабораториях могут быть затруднены.
Эпителий легких человека состоит из различных типов клеток, включая основные типы, такие как базальные клетки, реснитчатые клетки, бокаловидные клетки и клубные клетки. Чтобы надежно имитировать эпителиальный клеточный слой в дыхательных путях in vitro, эти типы клеток должны быть представлены в культуральных моделях, а их поляризация и функция поддерживаются13,14,15,16. Не менее важно осознание того, что характеристики донора (включая болезненное состояние) и анатомическое происхождение клеток (т.е. носа, трахеи, больших и малых дыхательных путей) могут влиять на клеточный состав и функциональные реакции клеточной культуры. Соответствующие знания и практика являются предпосылкой для успешного культивирования первичных эпителиальных клеток дыхательных путей и оценки качества культуры как интуитивно (путем визуального осмотра во время культивирования), так и количественно. Цель этого вклада состоит в том, чтобы обеспечить экономически эффективный и эффективный по времени метод выделения и культивирования первичных эпителиальных клеток бронхов человека (PBEC), который также может быть применен к культуре эпителиальных клеток трахеи и мелких дыхательных путей. В дополнение к описанию способа выделения таких клеток из резецированной легочной ткани, представлен и обсужден способ расширения и биобанкирования и, наконец, для создания и характеристики хорошо дифференцированной ALI-культуры в разумные сроки и в разумные сроки и в разумные сроки.
Клетки были выделены из макроскопически нормальной легочной ткани, полученной от пациентов, перенесших операцию по резекции рака легких в Медицинском центре Лейденского университета, Нидерланды. Пациенты, из которых была получена эта легочная ткань, были зачислены в биобанк через систему без возражений для закодированного анонимного дальнейшего использования такой ткани (www.coreon.org). Однако с 01.09.2022 г. пациенты были зачислены в биобанк с использованием активного информированного согласия в соответствии с локальными нормативными актами биобанка LUMC с одобрения институционального комитета по медицинской этике (B20.042/Ab/ab и B20.042/Kb/kb).
ПРИМЕЧАНИЕ: Все процедуры выполняются в шкафу биологической безопасности в соответствии с местными правилами биологической безопасности и в стерильных условиях труда в хирургических перчатках и лабораторном халате, если не указано иное. Обо всех средах, реагентах и других растворах, используемых в протоколе, см. Таблицу материалов и дополнительную таблицу 1. Подробные шаги протокола см. на рисунке 1
1. Выделение эпителиальных клеток бронхов из легочной ткани человека
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы получить оптимальную вероятность успеха выделения эпителиальных клеток бронхов, иссеченное бронхиальное кольцо следует держать погруженным при 4 ° C в течение максимум 24 часов в фосфатно-буферный физиологический раствор (PBS) с добавлением примоцина.
2. Криоконсервация первичных эпителиальных клеток бронхов человека (ПБЭК)
ПРИМЕЧАНИЕ: При работе с температурами -80 °C и -196 °C для защиты используются криоперчатки, а для переноса замороженных флаконов – пинцет. При работе с жидким азотом для индивидуальной защиты используются криоперчатки и лицевой щиток.
3. Размораживание криоконсервированных ПБЭК и выращивание их для культивирования на вкладышах
4. Создание культуры раздела воздух-жидкость с первичными эпителиальными клетками бронхов (ALI-PBEC)
ПРИМЕЧАНИЕ: Следующая процедура предназначена для культивирования PBEC на вкладышах внутреннего диаметра 11,9 мм.
5. Создание культуры ALI-PBEC из смешанной донорской популяции
6. Контроль качества культуры ALI-PBEC
Рисунок 1: Схематический обзор процедуры выделения, расширения и культивирования первичных эпителиальных клеток бронхов . (A) Легочная ткань получается во время операции по резекции рака, и патологоанатом иссекает ткань бронхиального кольца, которая является макроскопически нормальной и не содержит опухолей. (B) Бронхиальное кольцо очищают и подвергают ферментативной обработке для отделения и диссоциации клеточного слоя. (C) Извлеченную клеточную суспензию промывают и распределяют ячейки в лунки 6-луночной пластины для расширения. (D) При достаточном расширении изолированных клеток в c-KSFM с примоцином клеточные слои диссоциируют трипсинизацией, и клетки ресуспендируют в замораживающей среде для криоконсервации. При необходимости криоконсервированные клетки размораживают и снова расширяют с помощью c-KSFM с пенициллином/стрептомицином в колбах для клеточных культур. После экспансии их высевают в среду cBD на вставки для клеточных культур; (Эа) Культивирование ALI-PBEC происходит в два основных этапа: погруженная стадия в среду cBD с добавлением 1 нМ EC 23 до тех пор, пока клетки не достигнут полного слияния, с последующим удалением апикальной среды и культивированием в ALI для обеспечения дифференцировки; в этой фазе ALI клетки культивируют в среде cBD с добавлением 50 нМ EC 23. (Эб) Графическое представление базальных клеток, которые покрывают вставку во время погруженного культивирования. (ЕС) Графическое представление дифференцированного слоя эпителиальных клеток, полученное после культивирования на ОПЗ в присутствии повышенных концентраций ЕС-23. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Экспансия с использованием погруженной культуры
Используя представленный здесь метод, можно получить в среднем восемь криовалов с 400 000 клеток/криовиал из одной 6-луночной пластины для длительного хранения в жидком азоте (рис. 2А). Для достижения этой цели изолированные PBEC культивируют в 6-луночных планшетах в течение минимум 7 дней и максимум 14 дней (рис. 2B) в присутствии Primocin, чтобы исключить микробное (особенно микоплазменное) загрязнение. На рисунке 2A,B показано количество полученных клеток и требуемое время культивирования среди различных выделений от различных доноров. Перед сбором клеток трипсинизацией для хранения в жидком азоте слияние должно быть более 80%. Если это не будет достигнуто в течение 14 дней, клетки не следует криоконсервировать. Важно отметить, что при сборе урожая для хранения и пассирования слияние клеточного слоя не должно превышать ~ 95% (рис. 2C). После хранения в жидком азоте клетки можно размораживать и культивировать для расширения до тех пор, пока не будет получено достаточное количество клеток для культур ALI. Средой, используемой для размножения клеток на этой стадии, является c-KSFM, аналогично тому, как и во время начального культивирования после сбора урожая из бронхиального кольца18. Однако на данном этапе нет необходимости в Примоцине, потому что риск дополнительного микробного загрязнения, происходящего из легочной ткани, отсутствует, и поэтому Примоцин может быть заменен на пенициллин / стрептомицин. Эта среда благоприятствует эпителиальным клеткам по сравнению с фибробластами и, следовательно, предотвращает возможный чрезмерный рост культуры за счет более быстрой пролиферации фибробластов 19,20,21. При использовании среды c-KSFM клетки разложены в колбе и не соединяются друг с другом, что заметно отличается от морфологии культивируемых клеток, погруженных на этой стадии в среду cBD (рис. 2D,E). После 5 или 6 дней культивирования размороженных клеток в колбе T75 клеточный слой должен быть на 80-95% сливающимся, что соответствует примерно 3 x 106 клеткам в общей сложности (рис. 2F). Из этого можно создать примерно 75 вставок (размером с 12-луночную пластину) для культуры ALI.
Способ выделения и посева, описанный в этом вкладе, также может быть адаптирован для использования с биопсией бронхов или бронхиальными щетками в качестве исходного материала.
Рисунок 2: Расширение базальных клеток до и после криоконсервации. Клетки выделяли по описанному протоколу и культивировали с помощью c-KSFM. Контролировалось количество клеток, генерируемых на одного донора, подсчет живых клеток проводили с помощью автоматизированного счетчика клеток (A) при сборе клеток прохода 0 (P0) из 6-луночных планшетов (шаг 2 протокола), n = 123 донора, количество клеток было представлено как количество клеток, собранных в лунке; Каждая точка представляет одного донора, а медиана обозначена горизонтальной чертой. (B) В рамках контроля качества время, необходимое клеткам P0 для достижения слияния от 80% до 90% в 6-луночных планшетах, контролировалось и показывалось как дни после запуска погруженной культуры в c-KSFM (n = 127 различных доноров). Каждый отдельный донор обозначается точкой, все точки, относящиеся к 1 дню, сливаются в линию; чем шире линия, тем больше доноров она отстаивает; Среднее количество дней, в течение которых клетки находятся в культуре, обозначается более тонкой горизонтальной полосой. (C) Репрезентативное светлопольное изображение P0-клеток, выращенных под погружением в c-KSFM в момент сбора клеток для долгосрочной криоконсервации. (D) Репрезентативное изображение светлого поля клеток P1, выращенных под погружением в c-KSFM в момент сбора и переноса клеток на вставки, и (E) клеток P1, выращенных под погружением в среду cBD. (F) количество живых клеток, полученных на одного донора, контролировалось с помощью автоматического счетчика клеток при сборе клеток P1 из колбы T75 (раздел 4 протокола), n = 63 различных доноров; количество клеток представлено в виде количества клеток в колбе T75, каждый донор обозначен точкой, а медианное количество клеток обозначено горизонтальной чертой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Культура интерфейса воздух-жидкость (ALI)
Через 7 дней после начала культивирования ALI измеряется электрическое сопротивление клеточного слоя и должно составлять более 300 Ω (рис. 3А); Если этого не достигается, культура расценивается как провалившаяся из-за возможного отсутствия образования плотного соединения. Рекомендуется исключить возможность получения низких значений TEER, вызванных повреждением эпителиального слоя в отдельных вставках, например, в результате повреждения клеточного слоя во время промывки и аспирации. Это можно проверить с помощью визуального микроскопического осмотра культуральных вставок. По нашему опыту, междонорная изменчивость электрического сопротивления может быть значительной (рис. 3B), о чем также сообщается в литературе14, и, как это наблюдается, также заметно зависит от происхождения используемой модифицированной орлиной среды Дульбекко (DMEM) (рис. 3C).
Рисунок 3: Трансэпителиальное электрическое сопротивление как контроль качества культур ALI-PBEC. Были выделены и расширены PBEC, и были созданы хорошо дифференцированные культуры ALI-PBEC. В несколько моментов времени во время культивирования измерялось электрическое сопротивление, а затем рассчитывался TEER (Ω·см2). (A) Электрическое сопротивление измерялось в течение 14 дней после ALI. n = 4 разных донора. Данные отображаются в виде среднего значения ± стандартного отклонения (SD). (B) В рамках контроля качества клеточных культур ALI-PBEC электрическое сопротивление измерялось на 7-й день (n = 50) и на 14-й день после ALI (n = 25); каждая точка представляет одного донора, а медиана TEER (Ω·см2) обозначена горизонтальной чертой. Данные были проверены на значимость с использованием непараметрического критерия Манна-Уитни, и существенной разницы обнаружено не было. (C) Для оценки влияния на формирование TEER были протестированы носители от трех различных поставщиков DMEM. n = 4 разных донора; средние значения изображены ± SD. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
При создании хорошо дифференцированной культуры ALI-PBEC с начала воздействия на воздух концентрация РА увеличивается22. Таким образом, клетки переключаются с пролиферации на мукоцилиарную дифференцировку, которая видна уже через 9 дней (в зависимости от донора) после воздействия воздуха с помощью светлопольной микроскопии. Движение первых ресничек видно в этот момент и несколько раньше, когда основано на экспрессии генов маркеров дифференцированных люминальных клеток23 (рис. 4).
Как описано в протоколе, выработка слизи также может наблюдаться при промывании апикальной поверхности во время смены среды. РА очень чувствителен к свету, что приводит к сильно варьирующейся активности при одной и той же концентрации запасов. По этой причине РА заменяется синтетическим аналогом РА EC 23 и используется в той же концентрации с аналогичными результатами, что и экспериментально. По этой причине и во избежание изменения процедуры выбранная концентрация EC 23 была сохранена равной концентрации RA (т.е. 50 нМ), ранее использовавшейся24,25 (рис. 5). На рисунке 5А показаны значения TEER, достигнутые при использовании различных концентраций EC 23, с максимальным TEER при 50 нМ в этом диапазоне испытанных концентраций. Результаты, показанные на рисунке 5B, подтверждают, что экспрессия генов маркеров реснитчатых и бокаловидных клеток одинакова при использовании 50 нМ EC 23 или RA. EC 23 также требуется во время культивирования на стадии погружения (хотя и в гораздо более низкой концентрации), поскольку его исключение на этой стадии погружения и добавление его только на стадии ALI приводит к культуре, которая никогда не достигает полного слияния. Время, необходимое для создания хорошо дифференцированной культуры ALI-PBEC с видимой активностью биения ресничек и продуцированием слизи, составляет около 14 дней, и поэтому большинство экспериментов начинается между 14-21-дневными культурами ALI (рис. 4). Все основные различные типы клеток (базальные, реснитчатые, бокаловидные и клубные клетки) наблюдаются через 14 дней культивирования ALI, хотя уровни экспрессии сильно зависят от донора. Это демонстрируется оценкой экспрессии генов TP63, FOXJ1, MUC5AC и SCGB1A1 с помощью ОТ-кПЦР или экспрессии белка с использованием антител, направленных против p63, α-тубулина, Muc5AC и CC-16 с помощью окрашивания иммунной флуоресценции (IF), для обнаружения маркеров базальных, реснитчатых, бокаловидных и клубных клеток соответственно25,26. Однако, в то время как 14-21 день можно рассматривать как эмпирическое правило для большинства экспериментов, для отдельных экспериментов можно рассмотреть более длительную продолжительность дифференцировки, как это было обнаружено для метаболизма ксенобиотиков, инфекции SARS-CoV-2 и оценки мукоцилиарного клиренса27,28,29.
Рисунок 4: Культура интерфейса воздух-жидкость (ALI). Были выделены и расширены PBEC, и были созданы хорошо дифференцированные культуры ALI-PBEC. Посевы ALI-PBEC контролировались в течение 14 дней после ALI. Клеточные культуры лизировали для выделения РНК на 0, 7 и 14 дни после ALI. Показаны данные от двух разных доноров, каждая точка представляет одного отдельного донора, контролируемого с течением времени, а медиана обозначена горизонтальной чертой. Экспрессию генов базальных, реснитчатых, бокаловидных и клубных клеточных маркеров (TP63, FOXJ1, MUC5B и SCGB1A1 соответственно) измеряли с помощью кПЦР и нормализовали экспрессию генов RPL13A и ATP5B (подробнее см. ссылку 23). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Сравнение ретиноевой кислоты (РА) и ее синтетического аналога EC 23. Были выделены и расширены PBEC, и были созданы хорошо дифференцированные культуры ALI-PBEC. С началом воздействия на воздух культур ТЭС РА (50 нМ) был заменен различными концентрациями ЕС 23. (A ) Электрическое сопротивление измеряли на 14-й день после ALI, а затем рассчитывали TEER (Ω · см 2), n =2 донора, столбцы отображают среднее значение ± SD. ( B) На 14-й день после ALI клеточные культуры лизировали для выделения РНК и последующего анализа экспрессии генов клеточных маркеров соответственно для реснитчатых и бокаловидных клеток (FOXJ1, MUC5AC) с использованием кПЦР, и нормализован для RPL13A (n = 3 донора). Показано кратное увеличение по сравнению с ALI-PBEC, культивируемым с 50 нМ RA, и показано как среднее значение ± SD. (Подробнее см. ссылку 23 ) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
За последние годы были изучены характеристики альтернативных продуктов в системе культуры, таких как средства массовой информации и культурные пластики. Для таких оценок были разные причины, в том числе изменения в составе среды производителями, внедрение новых носителей, а также дефицит продукции во время пандемии COVID-19 (2020-2022 гг.). Было сделано наблюдение, что аналогичные продукты от разных поставщиков приводят к дифференцированным культурам эпителиальных клеток на основе оценки маркеров типов эпителиальных клеток, хотя конечный клеточный состав может существенно различаться (рис. 6А), тогда как различия в TEER были менее выражены (рис. 6Б). С другой стороны, среда от разных поставщиков приводила к существенным различиям в клеточном составе; при использовании вкладышей разных марок такие отличия были ограничены (рис. 6В). В частности, при использовании среды для культивирования эпителиальных клеток дыхательных путей PneumaCult от STEMCELL Technologies наблюдалась другая морфология и более быстрое формирование видимой цилиарной активности. Помимо этих наблюдений, также была отмечена разница в значениях TEER и разница в клеточном составе ALI-PBEC по сравнению со средой cBD (рис. 6D).
Рисунок 6: Сравнение различных поставщиков среды эпителиальных клеток и вставок для клеточных культур. Были выделены ПБЭС, расширены и установлены хорошо дифференцированные культуры ALI-PBEC. (A) ALI-PBEC культивировали в течение 14 дней, а затем клеточные слои лизировали для выделения РНК. Экспрессию генов базальных, реснитчатых, бокаловидных и клубных клеточных маркеров (TP63, FOXJ1, MUC5AC и SCGB1A1 соответственно) измеряли с помощью кПЦР и нормализовали для RPL13A и ATP5B. n = 2 донора; столбцы показывают среднее значение ± SD. (B) В течение 9 дней после ALI измерялось электрическое сопротивление, а затем рассчитывался TEER (Ω·cm2). n = 3 разных донора; средние значения изображены ± SD. (C) ALI-PBEC культивировали в течение 14 дней с использованием вставок для клеточных культур, приобретенных у трех разных поставщиков, а затем клеточные слои лизировали для выделения РНК. Экспрессию генов реснитчатых, бокаловидных и клубных клеточных маркеров (FOXJ1, MUC5AC и SCGB1A1 соответственно) измеряли методом кПЦР и нормализовали для RPL13A. n = 18 различных доноров, столбцы отображают среднее значение ± SD. Данные были проверены на значимость с использованием одностороннего непараметрического критерия Крускала-Уоллиса ANOVA, и существенной разницы обнаружено не было. (D) ALI-PBEC культивировали либо в среде cBD, либо в среде PneumaCult (технологии STEMMCELL) в течение 14 дней после ALI, а затем клеточные слои лизировали для выделения РНК. Экспрессию генов базальных, реснитчатых, бокаловидных и клубных клеточных маркеров (TP63, FOXJ1, MUC5B и SCGB1A1 соответственно) измеряли с помощью кПЦР и нормализовали для RPL13A (столбцы показывают среднее значение ± SD), а электрическое сопротивление измеряли на 5-й и 12-й дни после ALI и использовали для расчета TEER (Ω·cm2). n = 2; среднее значение изображено ± SD (подробнее см. ссылку 23). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительная таблица 1: Состав растворов и сред, используемых в протоколе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Представленный здесь протокол описывает выделение эпителиальных клеток бронхов человека из резецированной легочной ткани, способ оптимального расширения клеток без потери потенциала дифференцировки, процедуру криоконсервации и процедуру получения хорошо дифференцированных культур ALI-PBEC. Кроме того, приводится описание контроля качества, а также инструкции по мониторингу и оценке дифференцированных ALI-PBEC.
Описанный протокол начинается с макроскопически нормального, безопухолевого бронхиального кольца, которое резецируется из доли легкого у пациентов, перенесших операцию, связанную с диагнозом рака легких. Поэтому необходимо отметить, что эти кольца строго не могут рассматриваться как здоровая ткань, что, следовательно, может влиять на характеристики клеточных культур. Альтернативные источники получения эпителиальных клеток бронхов включают использование биопсии бронхов, чистки бронхов или ткани от донора трансплантата или легких реципиента. Независимо от источника, при использовании легочной ткани следует учитывать риск микробного загрязнения, и поэтому антибиотики используются в различных питательных средах для снижения риска микробного загрязнения клеточной культуры. В частности, микоплазма представляет собой высокий и распространенный риск в клеточных культурах из-за ее широкого разнообразия воздействия на клеточную культуру, устойчивости к антибиотикам, обычно используемым в клеточных культурах, и того факта, что загрязнение микоплазмой может быть подтверждено только анализами обнаружения микоплазмы. Поэтому на начальном этапе культивирования клеток после выделения клеток из легочной ткани используют антимикробный препарат широкого спектра действия Примоцин, а в процессе культивирования случайно отобранные образцы проверяют на наличие микоплазмы.
Процедура выделения, начинающаяся с бронхиального кольца, обеспечивает достаточный исходный материал, чтобы обеспечить степень расширения этих первичных клеток, необходимую для начала культур в ALI, без ущерба для дифференцировочной способности. Однако начало экспансии изолированных эпителиальных клеток с ограниченным числом клеток может создать проблемы с получением достаточного количества вставок с достаточным количеством клеток, которые могут быть засеяны для культуры ALI. Расширенное культивирование и повторное пассажирование первичных клеток может привести к репликативному старению. Для преодоления этого ограничения были предложены различные решения. Horani et al. показали, что ингибитор Rho киназы (ROCK) Y-27632 увеличивает пролиферацию базальных клеток30, Mou et al. использовали двойное ингибирование Smad для расширения базальных стволовых клеток при сохранении характеристик дифференцированного эпителиального клеточного слоя 31, а Sachs et al. разработали органоидную систему дыхательных путей, которая может быть использована для расширения эпителиальных клеток дыхательных путей и поддержания их потенциала дифференцировки в течение нескольких проходов32. Последний метод также использовался для экстракции клеток из источников с очень низким количеством клеток, таких как трахейные аспираты (ТА) недоношенных детей (<возраст беременности 28 недель) и жидкость бронхоальвеолярного лаважа (БАЛ), перед переносом в культуру ОПЛ, как описано здесь33. Было обнаружено, что клетки, выделенные из BAL и TA, показали способность к дифференцировке, которая была аналогична клеткам, полученным из бронхиальной ткани, хотя различия наблюдались, когда дифференцировка была смещена в сторону более реснитчатых или более бокаловидных культур, содержащих клетки, с использованием ингибирования передачи сигналов Notch или цитокина Th2 IL-1333. Поэтому рекомендуется, если ALI-PBEC культивируются из исходного материала с низким числом эпителиальных клеток с использованием аналогичных подходов, всегда проверять культуры на соответствие основным критериям качества, как описано в разделе 6 протокола. Важно отметить, что использование фидерных клеток может также помочь в получении большего количества клеток, что имеет важное значение в условиях трансплантируемых каркасов, где время и количество клеток имеют важное значение. Это иллюстрируется исследованием, в котором аутологичные эпителиальные клетки культивировались из биопсий, полученных от пациента с заболеванием трахеи, и клетки быстро расширялись в присутствии мышиного эмбрионального питательного слоя (митотически инактивированных фибробластов 3T3-J2) и вышеупомянутого ингибитора пути Rho/ROCK (Y-27632)34. Было обнаружено, что полученная клеточная культура полезна для репопуляции каркасов трахеи, и, таким образом, это можно рассматривать как подходящий протокол для модели трансплантации.
При использовании протокола, описанного в этой статье, а также при использовании других протоколов культуры неизбежно возникает предвзятость отбора. Важно понимать, что различия в деталях протокола, таких как происхождение клеток, используемых для инициирования культур, состав среды и другие детали протокола, могут привести к изменениям в клеточном составе культур и, следовательно, к изменениям в ответе культуры ALI33,35. Кроме того, различия в свойствах клеток также наблюдались при сравнении различных сред для дифференцировки клеток дыхательных путей10,11. При сравнении среды PneumaCult и cBD наблюдались различия в маркерах мРНК бокаловидных клеток и клубных клеток, значениях TEER и толщине клеточного слоя. На основании этих наблюдений, несмотря на отсутствие статистического обоснования, из-за небольшого количества используемых доноров, состава среды неизвестен клиентам и более высокой стоимости среды PneumaCult, в нашей лаборатории было принято решение использовать среду cBD.
Как уже говорилось, клетки могут быть первоначально расширены с использованием органоидной культуры, а затем перенесены в систему вставок 2D ALI. Это важно, поскольку органоиды эпителия дыхательных путей не подходят для воздействия переносимых по воздуху веществ, тогда как использование системы ALI 2D позволяет оценить воздействие переносимых по воздуху веществ, таких как сигаретный дым23,36, на культивируемые эпителиальные клетки дыхательных путей. Другой подход к созданию культур эпителиальных клеток дыхательных путей ALI заключается в создании эпителиальных клеток дыхательных путей путем дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSCs)37. В таких протоколах на заключительном этапе протокола дифференцировки после дифференцировки на проксимальные предшественники дыхательных путей клетки могут быть дифференцированы путем культивирования до ALI с использованием процедур, аналогичных описанным здесь.
В действующем протоколе среда cBD используется для культивирования в ALI. Среда cBD представляет собой среду без сыворотки, которая готовится путем добавления смеси различных добавок, вдохновленных Fulcher et al.38 , а также другими исследованиями. Раствор добавки содержит 52 мкг/мл экстракта бычьего гипофиза (BPE), 0,5 мкг/мл гидрокортизона, 0,5 нг/мл человеческого EGF, 0,5 мкг/мл адреналина, 10 мкг/мл трансферрина, 5 мкг/мл инсулина, 6,5 нг/мл трийодтиронина и 0,1 нг/мл RA39. Поскольку BPE представляет собой тканевый экстракт и подвергается периодическим изменениям, среда не может рассматриваться как полностью определенная среда и не свободна от животных. Среда для культивирования клеток, которая полностью определена, предпочтительна для минимизации различий между партиями. В связи с переходом к исследованиям, свободным от животных, важно, чтобы были предприняты усилия для производства определенных сред, которые не содержат продуктов животного происхождения и которые доступны для научного сообщества.
На основе модели ALI могут быть использованы различные экспериментальные установки, в зависимости от вопроса исследования. Например, чтобы исследовать влияние соединений, которые могут влиять на процесс дифференцировки, это может быть решено путем добавления соединений в культуру на различных стадиях погруженной культуры, во время дифференцировки или на хорошо дифференцированной стадии. На клеточный состав культуры ALI-PBEC можно влиять путем добавления специфических соединений; например, дифференцировка ALI-PBEC в присутствии IL-13 генерирует культуру с большим количеством бокаловидных клеток и меньшим количеством реснитчатых клеток, в то время как лечение ингибитором γ-секретазы DAPT (используемым для блокирования передачи сигналов Notch) во время дифференцировки приводит к культуре с большим количеством реснитчатых клеток за счет бокаловидных клеток 23,40,41,42.
Кроме того, агенты для стимуляции клеток или блокирования определенных процессов могут быть нанесены либо на базальный компартмент, либо (в очень малом объеме) на апикальный компартмент культуры. Клетки также могут подвергаться воздействию переносимых по воздуху веществ с апикальной стороны. Такие конструкции воздействия использовались для изучения влияния выхлопных газов дизельных двигателей или целого сигаретного дыма на PBEC 23,43,44. Среду можно собирать каждый раз, когда среда меняется для мониторинга секретируемых белков на базальной стороне; то же самое относится и к апикальной стороне клеток, которая промывается PBS при обновлении базальной среды. Собирают так называемую апикальную промывку и добавляют дополнительный дитиоэритрит (DTE) для более эффективной диссоциации слизи, вырабатываемой бокаловидными клетками. Клеточные лизаты могут быть получены для выделения общего белка, РНК, хромосомной и митохондриальной ДНК. Клетки могут быть дополнительно изучены с использованием антител к специфическим маркерам, путем разрезания полиэтилентерефталатной (ПЭТ) мембраны от пластиковой вставки и дальнейшего разрезания этой мембраны на более мелкие кусочки для многократного иммунофлуоресцентного окрашивания45. Кроме того, проточная цитометрия или FACS также может быть использована после трипсинизации клеток во вставках. На стадии ALI развитие клеточного барьера можно контролировать, измеряя электрическое сопротивление и впоследствии вычисляя TEER, где электрическое сопротивление обратно пропорционально площади поверхности мембранной вставки. Расчет основан на законе Ома по следующей формуле: , где Rm — измеренное электрическое сопротивление, Rb — базовое электрическое сопротивление вставки без покрытия и ячеек, а SA — площадь поверхности мембраны вставки. Измерение электрического сопротивления с помощью электродов EVOM2 и STX / палочки для еды является простым, но сильно зависит от процедур обращения при введении его в скважину. Кроме того, было высказано предположение, что форма электрода влияет на измерение барьерной функции относительно большой площадиповерхности 17.
Дальнейшее совершенствование системы культивирования клеток ALI, направленное на повышение точного представления тканей, включает совместное культивирование дополнительных типов клеток, таких как лейкоциты, фибробласты или эндотелиальные клетки46,47,48. Было замечено, что совместное культивирование ALI-PBEC с гранулоцитарно-макрофагальным колониестимулирующим фактором (GM-CSF) или M-CSF-дифференцированными макрофагами заметно влияет на врожденные эпителиальные реакции и репарацию48. Важно отметить, что в таких моделях кокультуры средняя совместимость может быть проблемой. Поскольку среда, используемая для культивирования эпителиальных клеток дыхательных путей, разработана специально для PBEC и не может оптимально подходить для других типов клеток, необходима оптимизация. Другим типом достижений, наблюдаемых в области биологии дыхательных путей, для которых могут использоваться изолированные PBEC, является использование технологии «Органы-на-чипах» (OoC)49,50. Используя эту технологию, можно изучить влияние механических сил дыхания и кровотока, таких как растяжение, воздушный и средний поток 29.
Междонорская вариабельность может быть значительной при использовании PBEC от различных доноров, и поэтому важно рассмотреть возможность использования клеток от нескольких доноров для учета этой вариабельности в исследованиях эпителиальных клеточных культур. Поскольку культивирование ALI-PBEC занимает много времени и связано со значительными затратами, рассматривается возможность создания культур ALI-PBEC путем смешивания клеток от разных доноров в одном вкладыше для клеточной культуры. Таким образом, пилотные эксперименты могут быть легко выполнены с использованием первичных клеток, прежде чем анализировать ответы культур, полученных от различных отдельных доноров . Кроме того, доноры с разными характеристиками (например, разной возрастной категорией или полом) могут быть сгруппированы для поисковых исследований. При использовании донорских смесей важно убедиться, что присутствует равное количество клеток разных доноров, чтобы предотвратить возможность того, что один донор будет доминировать в результатах в результате более высокой скорости пролиферации. Таким образом, клетки от отдельных доноров расширяются отдельно и высеваются с более высокой плотностью во вставке по сравнению с посевными клетками от отдельного донора, чтобы свести к минимуму пролиферацию во вставке перед переходом на ALI. Ответы донорских смесей и соответствующих индивидуальных доноров сравнивали путем изучения кинетики инфекции SARS-CoV-2. Используя ОТ-кПЦР и иммунофлуоресцентное окрашивание, было замечено, что донорская смесь обеспечивает хорошее представление о различных отдельных донорах, демонстрируя одинаковое количество продуцируемых вирусных частиц и одинаковое количество инфицированных клеток28.
Чтобы стать приемлемой альтернативой для животных моделей, редактирование генов культивируемых эпителиальных клеток бронхов должно бытьосуществимым 51. Исследуется технология РНК-интерференции с использованием малых интерферирующих РНК (миРНК) в ALI-PBEC, однако, поскольку клетки должны быть трансфицированы миРНК во время погруженной фазы культивирования, нокдаун недостаточно поддерживается во время культивирования ALI из-за длительной продолжительности культивирования, если трансфекция миРНК часто не повторяется во время культивирования52. Тем не менее, миРНК могут быть успешно использованы для модификации экспрессии генов в погруженных базальных клетках. Другие успешно использовали технологию CRISPR/Cas9 для редактирования генов в первичных культурах эпителиальных клеток дыхательных путей ALI с доставкой рибонуклеопротеина (RNP) 53. При использовании таких методов важно, чтобы клетки сохраняли свою полную способность к дифференцировке. Поскольку первичные культуры клеток дыхательных путей не могут передаваться бесконечно, клональная экспансия генно-отредактированных клеток непроста, а добавление среды для отбора трансфицированных клеток является громоздким. Поэтому трудно добиться желаемого нокдауна во всех культивируемых клетках. Альтернативой для создания нокаутных клонов является использование стратегий нокаута в hiPSCs54 и использование этих клеток для генерации эпителиальных клеток дыхательных путей. Другой, хотя и неоптимальной, альтернативой является создание иммортализированной линии PBEC для клонального расширения генно-отредактированных клеток55.
Представленный здесь протокол является одним из способов создания хорошо дифференцированного псевдостратифицированного ALI-PBEC, но было обнаружено, что другие протоколы также устанавливают такую культуру с меньшими и большими различиями по сравнению с представленным протоколом. По нашему мнению, лабораторная валидация методов культивирования и строгий контроль качества необходимы для того, чтобы система ALI-PBEC и аналогичные системы культивирования эпителиальных клеток дыхательных путей стали действительной альтернативой для экспериментов на животных.
Авторы заявляют, что у них нет соответствующих конфликтов интересов.
Исследования с использованием модели, описанной в этом материале, были поддержаны различными финансирующими организациями, включая Фонд легких Нидерландов, Нидерландскую организацию исследований и разработок в области здравоохранения (ZonMw, грант COVID-19 MKMD), Голландское общество по замене испытаний на животных (Stichting Proefdiervrij, грант #114025007), а также исследовательские гранты от таких компаний, как Boehringer Ingelheim и Galapagos. Рисунок 1 был создан с помощью BioRender.com.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,000 ohm test resistor | World Precision Instruments | N/A | Used to calibrate the EVOM2 Epithelial Voltohmmeter |
4-[2-(5,6,7,8-Tetrahydro-5,5,8,8-tetramethyl-2-naphthalenyl)ethynyl)-benzoic acid (EC 23) | Tocris | 4011 | Used in cBD medium |
6-well Clear TC-treated Multiple Well Plates | Corning | 3506 | Used in the first step to grow the cells isolated form the bronchial ring |
Airway Epithelial Cell Growth Medium Kit | PromoCell | C-21160 | Used to compare to cBD medium |
Bead Bath 20 Liter | Lab Armor | 74220-720 | Used to pre-warm cell culture solutions |
BEGM Bronchial Epithelial Cell Growth Medium BulletKit | LONZA | CC-3170 | Used to compare to cBD medium |
Bovine albumin fraction V (BSA) | Thermo Fisher Scientific | 15260037 | Used in coating solution |
Bovine pituitary extract (BPE) | Thermo Fisher Scientific | 37000-015 | Used in c-KSFM |
Bronchial epithelial cell growth supplement (BEpiCGS) | ScienCell Research Laboratories | 3262 | Used in cBD medium |
Bronchial epithelial cell medium-basal (BEpiCM-b) | ScienCell Research Laboratories | SCC3211-b | Used in cBD medium |
Cell culture inserts; 12 mm Transwell with 0.4 µm pore polyester membrane insert | Corning | 3460 | Cell culture inserts used in the protocol |
Cell culture inserts; 12-well inserts, 0.4 µm PET clear | CellQART made by SABEU | 9310412 | Cell culture inserts used to compare with Corning cell culture inserts |
Cell culture inserts; 12-well ThinCert Tissue culture Inserts | Greiner Bio-One | 82050-032 | Cell culture inserts used to compare with Corning cell culture inserts |
CELLSTAR flask, TC, PS, 250 ml, 75 cm2 | Greiner Bio-One | 658170 | Used to expand the number cells |
CFX Maestro 1.0 | Bio-Rad | N/A | Software program for analyzing qPCR data generated with the CFX384 System |
CFX384 Touch Real-Time PCR Detection System | Bio-Rad | 1855484 | qPCR detection system |
Chopstick electrode set | World Precision Instruments | STX2 | Used to measure electrical resistance in ALI-PBEC |
CO2-Incubator | PHCbi | MCO-170AICUV-PE | Cell culture incubator used for mycplasma free cell cultures |
CO2-Incubator | Hereaus | Heracell 150 | Cell culture incubator used for possibly mycplasma infected cell cultures |
Coolcell Container | Corning | 432006 | Used to cryopreserve cells at -80 °C before transfer to liquid N2 |
Countess 3 Automated cell counter | Thermo Fisher Scientific | AMQAX2000 | Used to count cells and determine the cell concentration |
Cryovials | Nalgene | 479-3224 | Used to cryopreserve cells in |
D-Glucose | Avantor VWR BDH CHEMICALS | 101174Y | Used in soft trypsin |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Avantor VWR | 0231 | Used in cell freeze medium |
dNTP (10 mM) | Promega | U1515 | Used in the synthesis of cDNA |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) + 4500 mg/l D-Glucose | STEMCELL Technologies | 36250 | Used in cBD medium |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) 4.5 g/l glucose with l-glutamine | LONZA | LOBE12-604F | Used in cBD medium to compare with DMEM from other manufacturers |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM), high glucose, pyruvate | Thermo Fisher Scientific | 41966029 | Used in cBD medium to compare with DMEM from other manufacturers |
Epidermal growth factor (EGF) | Thermo Fisher Scientific | 37000-015 | Used in c-KSFM |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Avantor VWR BDH CHEMICALS | 443885J | Used in soft trypsin |
EVOM2 Epithelial Voltohmmeter | World Precision Instruments | 91799 | Used with the chopstick electrode set to measure electrical resistance in ALI-PBEC |
Fibronectin solution, Human | PromoCell | C-43060 | Used in coating solution |
Glutamax | Thermo Fisher Scientific | 35050038 | Used in cBD medium |
Hanks balanced salt solution (HBSS) | ScienCell Research Laboratories | SCC0313 | Used to dissolve protease XIV |
IQ SYBR Green Super mix | Bio-Rad | 170887 | qPCR reagent |
Isoproterenol hydrochloride, (-)- | Sigma-Aldrich | I-6504 | Used in c-KSFM |
Keratinocyte-SFM (KSFM) | Thermo Fisher Scientific | 17005-034 | Used in c-KSFM |
Maxwell RSC Instrument | Promega | AS4500 | Automated RNA isolation system |
Maxwell RSC simplyRNA Tissue Kit | Promega | AS1340 | Used to isolate total RNA with the Maxwell RSC Instrument |
M-MLV Reverse transcriptase | Promega | M5301 | Used in the synthesis of cDNA |
M-MLV Reverse transcriptase 5X reaction buffer | Promega | M531A | Used in the synthesis of cDNA |
MycoStrip | InvivoGen | rep-mys-10 | Used to detect the presence of mycoplasma in cell culture samples |
N-2-hydroxyethylpiperazine-N-2-ethane sulfonic acid (HEPES) | Thermo Fisher Scientific | 15630056 | Used in cBD medium |
Oligo(dT)15 | Qiagen | 79237 | Used in the synthesis of cDNA |
Penicillin/Streptomycin solution (Pen/Strep) | ScienCell Research Laboratories | SCC0513 | Used as antibiotic in c-KSFM and cBD medium |
Phosphate buffered saline (PBS) | LUMC pharmacy | N/A | Used in different steps of the protocol |
Pneumacult-ALI Medium | STEMCELL Technologies | 05002 | Used to grow cells in the differentiation stage to compare to cBD medium |
Pneumacult-Ex Plus Medium | STEMCELL Technologies | 05040 | Used to grow cells in the submerged stage to compare to cBD medium |
Primer, ATP5B, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: TCACCCAGGCTGGTTCAGA |
Primer, ATP5B, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: AGTGGCCAGGGTAGGCTGAT |
Primer, FOXJ1, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: GGAGGGGACGTAAATCCCTA |
Primer, FOXJ1, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: TTGGTCCCAGTAGTTCCAGC |
Primer, MUC5AC, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: CCTTCGACGGACAGAGCTAC |
Primer, MUC5AC, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: TCTCGGTGACAACACGAAAG |
Primer, MUC5B, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: GGGCTTTGACAAGAGAGT |
Primer, MUC5B, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: AGGATGGTCGTGTTGATGCG |
Primer, RPL13A, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: AAGGTGGTGGTCGTACGCTGTG |
Primer, RPL13A, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: CGGGAAGGGTTGGTGTTCATCC |
Primer, SCGB1A1, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: ACATGAGGGAGGCAGGGGCTC |
Primer, SCGB1A1, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: ACTCAAAGCATGGCAGCGGCA |
Primer, TP63, forward | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: CCACCTGGACGTATTCCACTG |
Primer, TP63, reverse | Integrated DNA Technologies | N/A | Nucleotide sequence: TCGAATCAAATGACTAGGAGGGG |
Primocin | InvivoGen | ant-pm-2 | Used as antimicrobial agent against bacteria, mycoplasma, and fungi in c-KSFM medium |
Protease XIV | Sigma-Aldrich | P5147 | Used for the enzymatic treatment of the bronchial ring |
RNAsin Recombinant Ribonuclease inhibitor | Promega | N2515 | Used in the synthesis of cDNA |
Soybean trypsin inhibitor (SBTI) | Sigma-Aldrich | T9128 | Used to inhibit the action of soft trypsin |
T100 Thermal Cycler | Bio-Rad | 1861096 | Used in the synthesis of cDNA |
TissueSAFE plus | MILESTONE MEDICAL | N/A | Vacuum transfer system for biological specimens |
Trypan blue solution | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | Used to count live- and dead cells |
Trypsin 1:250 | Thermo Fisher Scientific | 27250-018 | Used in soft trypsin |
Type I collagen solution (PureCol) | Advanced BioMatrix | 5005-B | Used in coating solution |
Universal container, PP, with PE screw cap | Avantor VWR | 216-2053 | Used in the protocol for the Protease XIV treatment of the bronchial ring |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены