Name: Auteur in de schijnwerpers: onderzoek naar de effecten van verbindingen op darmweefsel met behulp van 3D-modellen voor menselijke cellijnen
Uploaded: 2023-09-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Investigating the Effects of Compounds on Intestinal Tissue Using 3D Human Cell Line Models at JoVE.com

Met dank aan de Umberto Veronesi Foundation voor een fellowship ter ondersteuning van het werk van onderzoekers.

1. Voorbereiding van het 3D-gereconstrueerde darmslijmvliesmodel
OPMERKING: De hele procedure moet worden uitgevoerd in een steriele laminaire stroomkap. Alle stappen in de procedure waarbij de celincubator wordt gebruikt, betekenen dat culturen worden geïncubeerd bij 37 °C in een bevochtigde atmosfeer die 5% CO2 bevat (tenzij anders vermeld in het protocol).
<ol><li>Voorafgaande voorbereiding van de cellijnen die worden gebruikt in het darmmodelsysteem<ol><li>Zaad L9...

Constructie van een 3D darmslijmvliesmodel met paraffine-inbedding

<ol>
	<li>Chelakkot, C., Ghim, J., Ryu, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+regulating+intestinal+barrier+integrity+and+its+pathological+implications.">Mechanisms regulating intestinal barrier integrity and its pathological implications.</a> Experimental &amp; Molecular Medicine. 50 (8), 1-9 (2018).</li><li>Schoultz, I., Keita, &. #. 1. 9. 7. ;. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+intestinal+barrier+and+current+techniques+for+the+assessment+of+gut+permeability.">The intestinal barrier and current techniques for the assessment of gut permeability.</a> Cells. 9 (8), 1909 (1909).</li><li>Bednarek, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+methods+for+measuring+the+permeability+of+cell+monolayers.">In vitro methods for measuring the permeability of cell monolayers.</a> Methods and Protocols. 5 (1), 17 (2022).</li><li>Suzuki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+the+intestinal+barrier+by+nutrients:+The+role+of+tight+junctions.">Regulation of the intestinal barrier by nutrients: The role of tight junctions.</a> Animal Science Journal. 91 (1), e13357 (2020).</li><li>Guibourdenche, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Food+contaminants+effects+on+an+in+vitro+model+of+human+intestinal+epithelium.">Food contaminants effects on an in vitro model of human intestinal epithelium.</a> Toxics. 9 (6), 135 (2021).</li><li>Panwar, S., Sharma, S., Tripathi, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+barrier+integrity+and+dysfunctions+in+maintaining+the+healthy+gut+and+their+health+outcomes.">Role of barrier integrity and dysfunctions in maintaining the healthy gut and their health outcomes.</a> Frontiers in Physiology. 12, 715611 (2021).</li><li>Truzzi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pro-inflammatory+effect+of+gliadins+and+glutenins+extracted+from+different+wheat+cultivars+on+an+in+vitro+3D+intestinal+epithelium+model.">Pro-inflammatory effect of gliadins and glutenins extracted from different wheat cultivars on an in vitro 3D intestinal epithelium model.</a> International Journal of Molecular Sciences. 22 (1), 172 (2020).</li><li>Fedi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+models+replicating+the+human+intestinal+epithelium+for+absorption+and+metabolism+studies:+A+systematic+review.">In vitro models replicating the human intestinal epithelium for absorption and metabolism studies: A systematic review.</a> Journal of Controlled Release. 335, 247-268 (2021).</li><li>De Fazio, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Necrotizing+enterocolitis:+Overview+on+in+vitro+models.">Necrotizing enterocolitis: Overview on in vitro models.</a> International Journal of Molecular Sciences. 22 (13), 6761 (2021).</li><li>Jubelin, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+in+vitro+culture+models+in+oncology+research.">Three-dimensional in vitro culture models in oncology research.</a> Cell &amp; Bioscience. 12 (1), 155 (2022).</li><li>Russell, W., Burch, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+principles+of+humane+experimental+technique.">The principles of humane experimental technique.</a> Available online. , (2023).</li><li>Ingber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Is+it+time+for+reviewer+3+to+request+human+organ+chip+experiments+instead+of+animal+validation+studies.">Is it time for reviewer 3 to request human organ chip experiments instead of animal validation studies.</a> Advanced Science. 7 (22), 2002030 (2020).</li><li>Jung, S. M., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+models+of+the+small+intestine+for+studying+intestinal+diseases.">In vitro models of the small intestine for studying intestinal diseases.</a> Frontiers in Microbiology. 12, 767038 (2022).</li><li>Nitsche, K. S., M&#252;ller, I., Malcomber, S., Carmichael, P. L., Bouwmeester, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implementing+organ-on-chip+in+a+next-generation+risk+assessment+of+chemicals:+a+review.">Implementing organ-on-chip in a next-generation risk assessment of chemicals: a review.</a> Archives of Toxicology. 96 (3), 711-741 (2022).</li><li>Kekilli, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Midkine+level+may+be+used+as+a+noninvasive+biomarker+in+Crohn's+disease.">Midkine level may be used as a noninvasive biomarker in Crohn's disease.</a> Turkish Journal of Medical Sciences. 50, 324-329 (2020).</li><li>Truzzi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spermidine-eugenol+supplement+preserved+inflammation-challenged+intestinal+cells+by+stimulating+autophagy.">Spermidine-eugenol supplement preserved inflammation-challenged intestinal cells by stimulating autophagy.</a> International Journal of Molecular Sciences. 24 (4), 4131 (2023).</li><li>Truzzi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Are+supplements+safe?+Effects+of+gallic+and+ferulic+acids+on+in+vitro+cell+models.">Are supplements safe? Effects of gallic and ferulic acids on in vitro cell models.</a> Nutrients. 12 (6), 1591 (2020).</li><li>Buckley, A. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualisation+of+multiple+tight+junctional+complexes+in+human+airway+epithelial+cells.">Visualisation of multiple tight junctional complexes in human airway epithelial cells.</a> Biological Procedures. Online. 20, 3 (2018).</li><li>Ghosh, R., Gilda, J. E., Gomes, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+necessity+of+and+strategies+for+improving+confidence+in+the+accuracy+of+western+blots.">The necessity of and strategies for improving confidence in the accuracy of western blots.</a> Expert Review of Proteomics. 11 (5), 549-560 (2014).</li></ol>

Het hier gepresenteerde gereconstrueerde modelsysteem voor het gereconstrueerde darmslijmvlies (figuur 6) combineert fysiologische complexiteit (meer fysiologisch relevante 3D-celculturen met een Caco-2-monolaag met een ECM-rijke lamina propria-ondersteuning die fibroblasten en monocyten bevat) met experimentele eenvoud (het gebruik van commerciële menselijke cellijnen om een gestandaardiseerd en gemakkelijk herhaalbaar systeem te produceren)13. Als zodanig wordt dit...

De intestinale epitheelbarrière, een eencellige dikke binnenbekleding die verschillende soorten epitheelcellen bevat, vormt de eerste fysieke verdedigingsbarrière of interface tussen de buitenkant en het interne milieu van het lichaam 1,2. Enterocyten van het zuilvormige type vormen het meest voorkomende type epitheelcellen. Deze zijn verantwoordelijk voor het handhaven van de integriteit van de epitheliale barrière door interacties tussen verschillende barrièrecomponenten, waaronder tight junctions (TJ's), die een belangrijke rol spelen bij het aanhalen van de barrière 1,3. De TJ-structuur bestaat uit intracellulaire plaque-eiwitten, zoals zonula occludens (ZO) en cinguline, die samenwerken met transmembraaneiwitten, waaronder occludines, claudines en junctionele adhesiemoleculen (JAM's) die een ritsachtige structuur vormen die de naburige cellen nauw met elkaar verbindt. De transmembraaneiwitten reguleren de passieve paracellulaire diffusie van kleine verbindingen en sluiten toxische grote moleculen uit.
Potentieel giftige voedselverbindingen en voedselcontaminanten stimuleren de productie van inflammatoire cytokines die de epitheliale permeabiliteit verstoort, immuuncellen activeert en chronische darmweefselontsteking veroorzaakt 5,6,7. Daarentegen is gemeld dat verschillende antioxiderende en ontstekingsremmende fytochemicaliën de expressie van inflammatoire cytokines verminderen en de integriteit van de intestinale TJ-barrière verbeteren door het herstel van de expressie en assemblage van TJ-eiwitten 4,6,8. Vandaar dat de regulering van de integriteit van de epitheliale barrière door zowel nuttige als schadelijke verbindingen heeft geleid tot een toename van het gebruik van zowel in vivo als in vitro modellen die gericht zijn op het nabootsen van de darmbarrière voor farmaceutische screening en toxiciteitsstudies. Dit is met name relevant gezien de toenemende belangstelling voor het begrijpen van de pathofysiologie van intestinale darmziekten (IBD), necrotiserende enterocolitis en kanker, die kunnen worden gesimuleerd in experimentele modellen 8,9,10.
Er is vraag naar de ontwikkeling van op cellen gebaseerde in-vitromodellen om de doelstelling van de "3V's" in dierproeven te bereiken. Deze omvatten vervangende alternatieven voor het gebruik van dieren, vermindering van het aantal gebruikte dieren en verfijning in het toepassen van methoden die het leed verlichten 11,12,13. Bovendien zijn de onderliggende moleculaire, cellulaire en fysiologische mechanismen tussen menselijke en muizenmodellen (knaagdieren zijn de meest gebruikte soorten) onderscheidend, wat leidt tot controverse over de werkzaamheid van de muizenmodellen als voorspellers van menselijke reacties12,13. Talrijke voordelen van in vitro menselijke cellijnmodellen zijn onder meer doelbeperkte experimenten, directe observatie en continue analyse13.
Monolagen van het eencellige type in tweedimensionale (2D) culturen hebben als krachtige modellen gediend. Deze kunnen echter niet precies de fysiologische complexiteit van menselijke weefsels reproduceren 8,13,14. Als gevolg hiervan worden 3D-kweeksystemen ontwikkeld met steeds grotere verbeteringen om de fysiologische complexiteit van zowel gezonde als zieke darmweefsels samen te vatten als toolboxen voor risicobeoordeling van de volgende generatie13,14. Deze modellen omvatten 3D Transwell-steigers met diverse cellijnen, organoïdeculturen en microfluïdische apparaten (darm-op-chip) met behulp van zowel cellijnen als organoïden (afkomstig van zowel gezonde als zieke weefsels)8,13,14.
Het 3D-protocol voor het equivalent van de darm "gezond weefsel" dat in de huidige studie werd gepresenteerd, was gebaseerd op het vinden van een evenwicht tussen fysiologische complexiteit en experimentele eenvoud13. Het model is representatief voor een 3D Transwell-steiger, bestaande uit drie cellijnen (enterocyten [de gouden standaard colonadenocarcinoom Caco-2-lijn] met een ondersteunende immuuncomponent [U937-monocyten en L929-fibroblasten]), die een gestandaardiseerd en gemakkelijk herhaalbaar systeem vormen dat van toepassing is op de voorlopige screening van voedingsmoleculen die van belang zijn voor de integriteit van de darmepitheliale barrière en de immuunrespons. Het protocol omvat paraffine-inbedding voor lichtmicroscopische evaluatie van de integriteit van de epitheliale barrière met behulp van vaste intestinale equivalenten. Het voordeel van de huidige aanpak is dat meerdere delen van de ingebedde weefsels kunnen worden gekleurd voor meerdere parameters uit een enkel experiment.

basic three-dimensional (3d) intestinal model system with an immune component

Er is een toename in het gebruik van in vivo en in vitro darmmodellen voor het bestuderen van de pathofysiologie van inflammatoire darmziekten, voor de farmacologische screening van potentieel heilzame stoffen en voor toxiciteitsstudies op potentieel schadelijke voedingsbestanddelen. Relevant is dat er momenteel vraag is naar de ontwikkeling van celgebaseerde in-vitromodellen ter vervanging van diermodellen. Hier wordt een protocol gepresenteerd voor een basis, "gezond weefsel" driedimensionaal (3D) intestinaal equivalente model met behulp van cellijnen met het dubbele voordeel van zowel experimentele eenvoud (gestandaardiseerd en gemakkelijk herhaalbaar systeem) als fysiologische complexiteit (Caco-2-enterocyten met een ondersteunende immuuncomponent van U937-monocyten en L929-fibroblasten). Het protocol omvat ook paraffine-inbedding voor lichtmicroscopische evaluatie van vaste darmequivalenten, waardoor het voordeel wordt geboden van het analyseren van meerdere visuele parameters uit een enkel experiment. Hematoxyline- en eosine-gekleurde (H&E) gekleurde secties die laten zien dat de Caco-2-kolomvormige cellen een strakke en regelmatige monolaag vormen in controlebehandelingen, worden gebruikt om de werkzaamheid van het model als experimenteel systeem te verifiëren. Door gluten als pro-inflammatoire voedselcomponent te gebruiken, omvatten de geanalyseerde parameters van secties een verminderde monolaagdikte, evenals verstoring en loslating van de onderliggende matrix (H&E), verminderde tight junction-eiwitexpressie zoals blijkt uit occludinekleuring (statistisch kwantificeerbaar) en immuunactivering van migrerende U937-cellen, zoals blijkt uit de cluster van differentiatie 14 (CD14)-kleuring en CD11b-gerelateerde differentiatie in macrofagen. Zoals aangetoond door lipopolysaccharide te gebruiken om darmontsteking te simuleren, zijn aanvullende parameters die kunnen worden gemeten verhoogde slijmkleuring en cytokine-expressie (zoals midkine) die voorafgaand aan fixatie uit het medium kunnen worden geëxtraheerd. Het driedimensionale (3D) basismodel van het darmslijmvlies en de vaste secties kunnen worden aanbevolen voor onderzoeken naar de ontstekingsstatus en de integriteit van de barrière, met de mogelijkheid om meerdere visueel kwantificeerbare parameters te analyseren.

The intestinal epithelial barrier, a one-cell-thick internal lining containing different types of epithelial cells, constitutes the first physical defensive barrier or interface between the outside and the internal milieu of the body1,2. Columnar-type enterocytes constitute the most abundant type of epithelial cells. These are&#160;responsible for maintaining epithelial barrier integrity through interactions between several barrier components, including tight junctions (TJs), playing a significant role in barrier tightening1,3. The TJ structure consists of intracellular plaque proteins, such as zonula occludens (ZO) and cingulin, cooperating with transmembrane proteins, including occludins, claudins, and junctional adhesion molecules (JAMs) that form zipper-like structure tightly linking the neighboring cells3,4. The transmembrane proteins regulate the passive paracellular diffusion of small compounds and exclude toxic large molecules.
Potentially toxic food compounds and food contaminants stimulate inflammatory cytokine production that disrupts the epithelial permeability, activating immune cells and causing chronic intestinal tissue inflammation5,6,7. In contrast, various anti-oxidant and anti-inflammatory phytochemicals have been reported to reduce inflammatory cytokine expression and enhance intestinal TJ barrier integrity through the restoration of TJ protein expression and assembly4,6,8. Hence, the regulation of epithelial barrier integrity by both beneficial and harmful compounds has seen an increase in the use of both in vivo and in vitro models aimed at mimicking the intestinal barrier for pharmaceutical screening and toxicity studies. This is particularly relevant given the increasing interest in understanding the pathophysiology of intestinal bowel diseases (IBD), necrotizing enterocolitis, and cancer, which can be simulated in experimental models8,9,10.
There has been a demand for the development of cell-based in vitro models in order to achieve the objective of the &#8220;3Rs&#8221; in animal testing. These include replacement alternatives to the use of animals, reduction in the number of animals used, and refinement in adopting methods that alleviate distress11,12,13. Moreover, the underlying molecular, cellular, and physiological mechanisms between human and murine models (rodents being the most widely used species) are distinctive, leading to controversy regarding the efficacy of the murine models as predictors in human responses12,13. Numerous advantages of in vitro human cell-line models include target-restricted experimentation, direct observation, and continuous analysis13.
Single-cell-type monolayers in two-dimensional (2D) cultures have served as powerful models. However, these cannot precisely reproduce the physiological complexity of human tissues8,13,14. As a result, 3D&#160;culture systems are being developed with ever-increasing improvements to recapitulate the physiological complexity of both healthy and diseased intestinal tissues as next-generation risk assessment toolboxes13,14. These models include 3D Transwell scaffolds with diverse cell lines, organoid cultures, and microfluidic devices (intestine-on-chip) using both cell lines and organoids (derived from both healthy and diseased tissues)8,13,14.&#160;
The 3D &#8220;healthy tissue&#8221; intestinal equivalent protocol presented in the present study was based on striking a balance between physiological complexity and experimental simplicity13. The model is representative of a 3D Transwell scaffold, comprised of three cell lines (enterocytes [the gold-standard colon adenocarcinoma Caco-2 line] with a supporting immune component [U937 monocytes and L929 fibroblasts]), constituting a standardized and easily repeatable system applicable for the preliminary screening of dietary molecules of interest on intestinal epithelial barrier integrity and immune response. The protocol includes paraffin embedding for light microscopic evaluation of epithelial barrier integrity using fixed intestinal equivalents. The advantage of the present approach is that numerous sections of the embedded tissues can be made to stain for multiple parameters from a single experiment.

Auteur in de schijnwerpers: onderzoek naar de effecten van verbindingen op darmweefsel met behulp van 3D-modellen voor menselijke cellijnen 

Basis driedimensionaal (3D) darmmodelsysteem met een immuuncomponent

The scope of the work is to use these in vitro three-dimensional human cell line models to investigate the fact of beneficial as well as helpful compounds on intestinal tissue. The models can be used to further research understanding and also as a basic drug model. Using the plant-derived compounds, spermidine and eugenol, both separately and together in supplement form, we measure beneficial increases in autophagy and decreases in inflammation using these models.Then we will also able to show the potentially harmful effect of gluten extracted from certain wheat varieties on intestinal tissues. We are currently using economically priced, standardized, and easily repeatable in vitro system that better reflect the physiology of the human intestine as an alternative to animal models. Since we also use commercial human cell line rather than plant-derived cells, the responses from the study are more applicable to the general population.The protocol is based entirely on the use of different lines. These renders the model most standardized and reproducible. Furthermore, the simultaneous cultivation of different cell lines, enterocytes, fibroblasts, and immune system cells, allows for cellular responses that are closer to what happens in the patient.

Het eerste belangrijke aspect is het bepalen van de aanvaardbaarheid van het basale 3D-darmequivalente slijmvlies voor experimentele doeleinden. Dit wordt uitgevoerd met de meest gebruikte kleuring in histologie- en histopathologielaboratoria, namelijk hematoxyline (kleurt nucleair materiaal diepblauw-paarse kleur) en eosine (kleurt cytoplasmatisch materiaal in verschillende tinten roze). De H&E-kleuring wordt eerst uitgevoerd op een onbehandelde controlegroep, die wordt gekweekt onder dezelfde omstandigheden en hetzelfd...

Watch this Scientific Journal Video about Investigating the Effects of Compounds on Intestinal Tissue Using 3D Human Cell Line Models at JoVE.com

Hier beschrijven we de constructie van een basis driedimensionaal (3D) intestinale cellijnmodelsysteem en een paraffine-inbeddingsprotocol voor lichtmicroscopische evaluatie van vaste darmequivalenten. Kleuring van geselecteerde eiwitten maakt de analyse van meerdere visuele parameters van een enkel experiment mogelijk voor mogelijk gebruik in preklinische onderzoeken naar geneesmiddelen.

There has been an increase in the use of in vivo and in vitro intestinal models to study the pathophysiology of inflammatory intestinal diseases, for the ...

De reikwijdte van het werk is om deze in vitro driedimensionale menselijke cellijnmodellen te gebruiken om het feit van zowel nuttige als nuttige verbindingen op darmweefsel te onderzoeken. De modellen kunnen worden gebruikt om het begrip van onderzoek te vergroten en ook als een basismodel voor geneesmiddelen. Met behulp van de plantaardige verbindingen, spermidine en eugenol, zowel afzonderlijk als samen in supplementvorm, meten we gunstige verhogingen van autofagie en afname van ontstekingen met behulp van deze modellen.Dan kunnen we ook het potentieel schadelijke effect aantonen van gluten gewonnen uit bepaalde tarwevariëteiten op darmweefsels. We gebruiken momenteel een economisch geprijsd, gestandaardiseerd en gemakkelijk herhaalbaar in-vitrosysteem dat de fysiologie van de menselijke darm beter weerspiegelt als alternatief voor diermodellen. Omdat we ook commerciële menselijke cellijnen gebruiken in plaats van plantaardige cellen, zijn de antwoorden van de studie meer van toepassing op de algemene bevolking.Het protocol is volledig gebaseerd op het gebruik van verschillende lijnen. Deze maken het model het meest gestandaardiseerd en reproduceerbaar. Bovendien maakt de gelijktijdige kweek van verschillende cellijnen, enterocyten, fibroblasten en cellen van het immuunsysteem cellulaire reacties mogelijk die dichter bij wat er bij de patiënt gebeurt.

basic-three-dimensional-3d-intestinal-model-system-with-an-immune

Research

JoVE Journal

Biology

Basic Three-Dimensional (3D) Intestinal Model System with an Immune Component

There has been an increase in the use of in vivo and in vitro intestinal models to study the pathophysiology of inflammatory intestinal diseases, for the pharmacological screening of potentially beneficial substances, and for toxicity studies on potentially harmful food components. Of relevance, there is a current demand for the development of cell-based in vitro models to substitute animal models. Here, a protocol for a basic, &#8220;healthy tissue&#8221; three-dimensional (3D) intestinal equivalent model using cell lines is presented with the dual benefit of providing both experimental simplicity (standardized and easily repeatable system) and physiological complexity (Caco-2 enterocytes with a supporting immune component of U937 monocytes and L929 fibroblasts). The protocol also includes paraffin embedding for light microscopic evaluation of fixed intestinal equivalents, thereby providing the advantage of analyzing multiple visual parameters from a single experiment. Hematoxylin and eosin (H&#38;E) stained sections showing the Caco-2 columnar cells forming a tight and regular monolayer in control treatments are used to verify the efficacy of the model as an experimental system. Using gluten as a pro-inflammatory food component, parameters analyzed from sections include reduced monolayer thickness, as well as disruption and detachment from the underlying matrix (H&#38;E), decreased tight junction protein expression as shown from occludin staining (quantifiable statistically), and immune-activation of migrating U937 cells as evidenced from the cluster of differentiation 14 (CD14) staining and CD11b-related differentiation into macrophages. As shown by using lipopolysaccharide to simulate intestinal inflammation, additional parameters that can be measured are increased mucus staining and cytokine expression (such as midkine) that can be extracted from the medium prior to fixation. The basic three-dimensional (3D) intestinal mucosa model and fixed sections can be recommended for inflammatory status and barrier integrity studies with the possibility of analyzing multiple visual quantifiable parameters.

Here we describe constructing a basic three-dimensional (3D) intestinal cell line model system and a paraffin embedding protocol for light microscopic evaluation of fixed intestinal equivalents. Staining of selected proteins permits the analysis of multiple visual parameters from a single experiment for potential use in preclinical drug screening studies.

Preparation of a Basic 3D Reconstructed Intestinal Mucosa Model for Microscopic Evaluation of Fixed Intestinal Equivalents

To begin, select a 24-well plate containing inserts with 0.4 micron filters. Using a pipette, add 500 microliters of HBSS below and above the filter inserts. Then close the multi-well plate and place it in an incubator for two hours.After incubation, carefully aspirate the HBSS from the plate. Prepare a cell-free collagen solution in a sterile 50 milliliter tube in DMEM on ice. Add 250 microliters of collagen above the membrane filter and place the lid on the plate.Allow the solution to polymerize at room temperature. Next, remove the L-929 fibroblast cell culture from the incubator. Add two milliliters of a pre-warmed trypsin EDTA solution to the flask and place it in an incubator for three to five minutes.Transfer the cell suspension to a sterile 15 milliliter tube and centrifuge at 645 G for five minutes. Using a vacuum pump, aspirate the supernatant and resuspend the pellet in one milliliter of DMEM. Add 20 microliters of cell suspension into a tube containing 20 microliters of Trypan Blue solution.And use a cell counting chamber to evaluate the cell density. Next, remove the U-937 monocyte cell culture from the incubator. Centrifuge the cell suspension and resuspend the pellet in one milliliter of RPMI.After ensuring cells are homogeneously suspended, count them using a cell counting chamber. Next, prepare cell suspensions containing 50, 000 L-929 and 15, 000 U-937 cells respectively in 50 microliters of DMEM. Add each 50 microliter cell suspension to 450 microliters of collagen and mix thoroughly.Overlay the pre-coded cell-free lamina propria with 500 microliters of the collagen cell solution. Close the plate and place it in an incubator for two hours to allow the solution to set. Next, remove the Caco-2 cell culture from the incubator.Using a vacuum pump, aspirate the medium and rinse the cells with 10 milliliters of PBS. Add five milliliters of PBS trypsin EDTA solution and place it in an incubator for five to eight minutes. Then centrifuge the cell suspension and resuspend the pellet in one milliliter of DMEM.After counting, prepare a cell suspension containing 150, 000 Caco-2 cells in 50 microliters of DMEM. Place the plate in a laminar flow hood for 10 minutes before transferring it to the incubator. After 30 minutes, add 500 microliters of the DMEM above the reconstructed model and 500 microliters below the filter and return the plate to the incubator.The next day, carefully replace the medium with 500 microliters of fresh DMEM above and below the filter respectively.

Voorbereiding van een basis 3D gereconstrueerd darmslijmvliesmodel voor microscopische evaluatie van vaste darmequivalenten

Paraffin Embedding of a Basic 3D Reconstructed Intestinal Mucosa Model for Immune-Histochemical Staining

For paraffin embedding of cells, set the paraffin machine to 58 degrees Celsius. Using pliers, transfer the membrane inserts to clean wells of a sterile 24-well plate. Add 500 microliters of 37%buffered formalin and PBS above the filter, and one milliliter below the filter.Close the lid and leave the plate in a fume hood for two hours. Once the lamina propria is detached from the membrane insert, transfer the intestinal mucosa into a beaker containing 25 milliliters of 35%ethanol, and incubate for 10 minutes. After dehydration in increasing ethanol concentrations, place the samples in 50 milliliters of xylene or a histological clearing agent for 10 to 20 minutes.Once the samples are transparent, place them in a metal tissue cassette holder and submerge them in liquid paraffin inside a heated machine. After 45 minutes, use a microtome to cut four micron sections. Place the cut section on the slides and dry them in an oven at 37 degrees Celsius for 24 hours.An acceptable 3-D intestinal equivalent mucosa model consists of Caco-2 cells formed in a tight and regular monolayer above the extracellular-matrix-rich lamina propria. Unacceptable models include those showing excessive growth, disorganized epithelial layers, malformation or lack of epithelial layer formation. The proinflammatory effect of wheat protein with a high gluten content disrupted the cellular monolayer and reduced the thickness of the epithelial layer compared to the control group.The occludin protein content was significantly higher in the control group than in the group exposed to gluten protein. CD14 and CD11b staining of U937 monocytes showed that wheat protein with a high gluten content activated the monocytes, and induced their migration and differentiation into macrophages. Under the lipopolysaccharide challenge, Caco-2 cells increased mucus production and the release of the inflammatory marker midkine.