Gli autori riconoscono le sovvenzioni U19 AI157984, U01 DK103168, U19 AI144297, P30 DK56338, P01 AI057788, U19 AI116497 e NASA Cooperative Agreement Notice/TRISH NNX16AO69A.

Le linee di organoidi utilizzate qui sono state ottenute dal Texas Medical Center Digestive Disease Center GEMS Core. In breve, per stabilire inizialmente le linee di organoidi, i campioni di tessuto del donatore sono stati lavati e digeriti enzimaticamente per rilasciare le cripte intestinali. Le cripte sono state incorporate in una membrana basale e coltivate in un mezzo. L'Institutional Review Board del Baylor College of Medicine ha approvato il protocollo di studio per ottenere campioni di tessuto da cui sono state s...

Integrazione della trascrittomica a singola cellula con organoidi intestinali umani

<ol>
	<li>Sato, T., 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=Long-term+expansion+of+epithelial+organoids+from+human+colon,+adenoma,+adenocarcinoma,+and+Barrett's+epithelium.">Long-term expansion of epithelial organoids from human colon, adenoma, adenocarcinoma, and Barrett's epithelium.</a> Gastroenterology. 141 (5), 1762-1772 (2011).</li><li>Blutt, S. E., 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=Gastrointestinal+microphysiological+systems.">Gastrointestinal microphysiological systems.</a> Exp Biol Med. 242 (16), 1633-1642 (2017).</li><li>VanDussen, K. 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=Development+of+an+enhanced+human+gastrointestinal+epithelial+culture+system+to+facilitate+patient-based+assays.">Development of an enhanced human gastrointestinal epithelial culture system to facilitate patient-based assays.</a> Gut. 64 (6), 911-920 (2015).</li><li>Elmentaite, R., 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=Cells+of+the+human+intestinal+tract+mapped+across+space+and+time.">Cells of the human intestinal tract mapped across space and time.</a> Nature. 597 (7875), 250-255 (2021).</li><li>Hickey, J. W., 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=Organization+of+the+human+intestine+at+single-cell+resolution.">Organization of the human intestine at single-cell resolution.</a> Nature. 619 (7970), 572-584 (2023).</li><li>Burclaff, J., 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=A+proximal-to-distal+survey+of+healthy+adult+human+small+intestine+and+colon+epithelium+by+single-cell+transcriptomics.">A proximal-to-distal survey of healthy adult human small intestine and colon epithelium by single-cell transcriptomics.</a> Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 13 (5), 1554-1589 (2022).</li><li>Triana, S., 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=Single-cell+transcriptomics+reveals+immune+response+of+intestinal+cell+types+to+viral+infection.">Single-cell transcriptomics reveals immune response of intestinal cell types to viral infection.</a> Mol Syst Biol. 17 (7), e9833 (2021).</li><li>Triana, S., 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=Single-cell+analyses+reveal+SARS-CoV-2+interference+with+intrinsic+immune+response+in+the+human+gut.">Single-cell analyses reveal SARS-CoV-2 interference with intrinsic immune response in the human gut.</a> Mol Syst Biol. 17 (4), e10232 (2021).</li><li>Fujii, 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=Human+intestinal+organoids+maintain+self-renewal+capacity+and+cellular+diversity+in+niche-inspired+culture+condition.">Human intestinal organoids maintain self-renewal capacity and cellular diversity in niche-inspired culture condition.</a> Cell Stem Cell. 23 (6), 787-793 (2021).</li><li>Beumer, J., 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=BMP+gradient+along+the+intestinal+villus+axis+controls+zonated+enterocyte+and+goblet+cell+states.">BMP gradient along the intestinal villus axis controls zonated enterocyte and goblet cell states.</a> Cell Rep. 38 (9), 110438 (2022).</li><li>Beumer, J., 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=High-resolution+mRNA+and+secretome+atlas+of+human+enteroendocrine+cells.">High-resolution mRNA and secretome atlas of human enteroendocrine cells.</a> Cell. 182 (4), 1062-1064 (2020).</li><li>Busslinger, G. 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=Human+gastrointestinal+epithelia+of+the+esophagus,+stomach,+and+duodenum+resolved+at+single-cell+resolution.">Human gastrointestinal epithelia of the esophagus, stomach, and duodenum resolved at single-cell resolution.</a> Cell Rep. 34 (10), 108819 (2021).</li><li>Luecken, M. D., Theis, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+best+practices+in+single-cell+RNA-seq+analysis:+a+tutorial.">Current best practices in single-cell RNA-seq analysis: a tutorial.</a> Mol Syst Biol. 15 (6), e8746 (2019).</li><li>Heumos, 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=Best+practices+for+single-cell+analysis+across+modalities.">Best practices for single-cell analysis across modalities.</a> Nat Rev Genet. 24 (8), 550-572 (2023).</li></ol>

Gli autori non hanno conflitti di interesse.

Utilizzando piattaforme di genomica a singola cellula, sistemi biologici complessi, come le colture HIO derivate da tessuti che modellano l'epitelio intestinale, possono essere scomposti per produrre contributi cellulari individuali alla risposta biologica complessiva 4,5,6. È inoltre possibile identificare e interrogare l'eterogeneità cellulare e le popolazioni cellulari rare. L'input cellulare deve essere ottimizzato per mas...

L'epitelio dell'intestino tenue ha due zone distinte: la cripta che ospita la cellula staminale intestinale (ISC) e il villo, che è composto da cellule differenziate delle linee secretorie e assorbenti. A questa complessità si aggiunge la specificità regionale dell'epitelio che fornisce proprietà funzionali uniche tra le regioni dell'intestino tenue. Il lavoro pionieristico ha stabilito le condizioni di coltura in cui sia la cripta intestinale tenue umana che le zone dei villi possono essere generate ex vivo da tessuti chirurgici o biopsie tissutali1. Queste colture stanno colmando il divario tra gli studi sugli animali e gli studi clinici e stanno rivelando la biologia cellulare, la biochimica e la fisiologia del tratto gastrointestinale precedentemente non riconosciute. Le HIO vengono propagate come strutture sferiche 3D utilizzando un mezzo con fattori di crescita che promuovono la vitalità delle cellule staminali e matrici di supporto extracellulare. Queste condizioni si traducono in un modello HIO simile a una cripta che consiste principalmente di progenitori e cellule staminali. La rimozione dei fattori di crescita promuove la differenziazione delle ISC (modello simile ai villi) e la produzione di cellule epiteliali intestinali mature (calice, enteroendocrino, ciuffo, enterociti) in rapporti appropriati insieme alla proliferazione e differenziazione cellulare, alla polarizzazione, all'integrità della barriera, alle caratteristiche specifiche regionali e alle risposte fisiologiche appropriate2. Le colture HIO sono geneticamente stabili e possono essere propagate all'infinito nel loro stato simile a una cripta. Il facile accesso alla superficie apicale di queste colture è fornito dalle condizioni di coltura che consentono la crescita in un formato monostrato3. Gli HIO consentono inoltre di includere nelle analisi biologiche considerazioni sulla variabilità individuale dell'ospite, come la genetica, l'età, il sesso, l'etnia e lo stato della malattia. Gli strumenti di valutazione analitica e funzionale sono identici a quelli utilizzati negli approcci incentrati su linee cellulari trasformate e includono una varietà di tecniche molecolari come la citometria a flusso, la microscopia, la trascrittomica, la proteomica e la metabolomica.
La trascrittomica a singola cellula sta rivoluzionando la nostra comprensione della biologia e della fisiologia dell'intestino tenue, fornendo informazioni sui contributi individuali di ciascun tipo di cellula a un processo biologico. Il lavoro pionieristico che utilizza questa tecnologia ha fornito un panorama dei tipi di cellule presenti nell'intestino umano nativo 4,5,6. Le piattaforme di profilazione trascrizionale a singola cellula consentono l'esplorazione del panorama trascrizionale delle singole cellule, consentendo all'eterogeneità cellulare di essere in prima linea nell'esplorazione scientifica. In alcune piattaforme di profilazione trascrizionale di singole cellule, il partizionamento microfluidico e il barcoding vengono utilizzati per generare librerie di cDNA da mRNA poliadenilati cellulari ottenuti da un massimo di 10.000 cellule per campione. Su questa piattaforma, goccioline contenenti singole cellule, oligonucleotidi con codice a barre, reagenti di trascrizione inversa e olio formano una vescicola di reazione che si traduce in tutti i cDNA di una singola cellula con lo stesso codice a barre. I cDNA con codice a barre possono quindi essere sequenziati in modo efficiente utilizzando il sequenziamento di nuova generazione. I dati generati possono essere gestiti attraverso software e strumenti di visualizzazione, che convertono le sequenze con codice a barre in mappe di visualizzazione e profili trascrizionali a singola cellula. Le popolazioni cellulari possono essere identificate utilizzando database pubblicamente disponibili di epitelio umano dell'intestino tenue 4,5,6. Sebbene molti studi abbiano utilizzato questa piattaforma per interrogare organoidi intestinali murini a livello di singola cellula, l'analisi delle risposte trascrizionali di singole cellule di HIO è rimasta indietro rispetto a 7,8,9,10,11,12.
Qui, forniamo una guida passo passo per isolare cellule vitali da HIO intestinali tenue per l'elaborazione su piattaforme di profilazione trascrizionale a singola cellula (Figura 1). Forniamo linee guida per la coltura e la differenziazione insieme a componenti del terreno che sono stati ottimizzati per la differenziazione epiteliale. Delineiamo i metodi di recupero cellulare per tre diversi formati di coltura: colture tridimensionali (3D) e monostrato su inserti di coltura cellulare in plastica o a membrana. Forniamo dati di clustering dei campioni ottenuti utilizzando software open source per derivare geni espressi in modo differenziale in ciascun cluster.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>[Leu15]-Gastrin I</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G9145</td>
			<td>10 nM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.05% Trypsin-EDTA</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>25300054</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.4% Trypan blue</td>
			<td>Millipore-Sigma</td>
			<td>T8154</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5 M EDTA</td>
			<td>Corning</td>
			<td>46-034-CI</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1x PBS Ca- Mg-</td>
			<td>Corning</td>
			<td>21-040-CM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>24 mm Transwell</td>
			<td>Costar</td>
			<td>3412</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>24 well Nunclon delta surface tissue culture dish</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>142475</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40 &#181;m cell strainer</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>352340</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40 &#181;m Flowmi tip strainer</td>
			<td>SP Bel-Art Labware</td>
			<td>H13680-0040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70 &#181;m Flowmi tip strainer</td>
			<td>SP Bel-Art Labware</td>
			<td>H13680-0070</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96 well plate</td>
			<td>Corning</td>
			<td>3595</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A-83-01</td>
			<td>Tocris</td>
			<td>2939</td>
			<td>500 nM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accutase</td>
			<td>StemCell Technologies</td>
			<td>7920</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Advanced DMEM/F12</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>12634-028</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B27 supplement</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>17504-044</td>
			<td>1X</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chromium Next GEM Single Cell 3&#8217; GEM, Library &#38; Gel Bead Kit v3.1</td>
			<td>10x Genomics</td>
			<td>PN-1000128</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collagen IV</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C5533-5MG</td>
			<td>33 &#181;g/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning Cell Recovery Solution&#160;</td>
			<td>VWR</td>
			<td>354253</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPBS (Mg2-, Ca2-)</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>14190-136</td>
			<td>1X</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GlutaMAX-I</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>35050-061</td>
			<td>2 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES 1M</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>15630-080</td>
			<td>10 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-WRN conditioned media</td>
			<td>ATCC</td>
			<td>CRL-3276</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrigel, GFR, phenol free</td>
			<td>Corning</td>
			<td>356231</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>mouse recombinant EGF</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>PMG8043</td>
			<td>50 ng/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 supplement</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>17502-048</td>
			<td>1X</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Acetylcysteine</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A9165-5G</td>
			<td>500 &#181;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nicotinamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>N0636</td>
			<td>10 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SB202190</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S7067</td>
			<td>10 &#181;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transwell</td>
			<td>Corning</td>
			<td>3413</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Y27632</td>
			<td>Stem Cell Technologies</td>
			<td>72308</td>
			<td>10 &#181;M</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using human intestinal organoids to understand the small intestine epithelium at the single cell transcriptional level

La trascrittomica a singola cellula ha rivoluzionato la nostra comprensione della biologia cellulare del corpo umano. Le colture di organoidi intestinali tenue umani all'avanguardia forniscono sistemi modello ex vivo che colmano il divario tra i modelli animali e gli studi clinici. L'applicazione della trascrittomica a singola cellula a modelli di organoidi intestinali umani (HIO) sta rivelando la biologia, la biochimica e la fisiologia cellulare del tratto gastrointestinale precedentemente non riconosciute. Le piattaforme avanzate di trascrittomica a singola cellula utilizzano il partizionamento microfluidico e la codifica a barre per generare librerie di cDNA. Questi cDNA con codice a barre possono essere facilmente sequenziati da piattaforme di sequenziamento di nuova generazione e utilizzati da vari strumenti di visualizzazione per generare mappe. Qui, descriviamo i metodi per coltivare e differenziare gli HIO dell'intestino tenue umano in diversi formati e procedure per isolare le cellule vitali da questi formati che sono adatti per l'uso in piattaforme di profilazione trascrizionale a singola cellula. Questi protocolli e procedure facilitano l'uso di HIO intestinali tenue per ottenere una maggiore comprensione della risposta cellulare dell'epitelio intestinale umano a livello trascrizionale nel contesto di una varietà di ambienti diversi.

The small intestinal epithelium has two distinct zones: the crypt that houses the intestinal stem cell (ISC) and the villus, which is comprised of differentiated cells of the secretory and absorptive lineages. Adding to this complexity is the regional specificity of the epithelium that provides unique functional properties between the regions of the small intestine. Pioneering work established culture conditions in which both the human small intestinal crypt and villus zones can be generated ex vivo from surgical tissues or tissue biopsies1. These cultures are bridging the gap between animal studies and clinical trials and are revealing previously unrecognized cell biology, biochemistry, and physiology of the gastrointestinal tract. The HIOs are propagated as 3D spherical structures using a media with growth factors that promote stem cell viability and extracellular support matrices. These conditions result in a crypt-like HIO model that consists mostly of progenitors and stem cells. Removal of the growth factors promotes ISC differentiation (villus-like model) and production of mature intestinal epithelial cells (goblet, enteroendocrine, tuft, enterocyte) in appropriate ratios along with cell proliferation and differentiation, polarization, barrier integrity, regional specific features, and appropriate physiological responses2. HIO cultures are genetically stable and can be propagated indefinitely in their crypt-like state. Easy access to the apical surface of these cultures is provided by culture conditions that allow growth in a monolayer format3. HIOs also allow considerations of host individual variability such as genetics, age, sex, ethnicity, and disease status to be included in biological analyses. Analytic and functional assessment tools are identical to those used in approaches centered on transformed cell lines and include a variety of molecular techniques such as flow cytometry, microscopy, transcriptomics, proteomics, and metabolomics.
Single cell transcriptomics is revolutionizing our understanding of the biology and physiology of the small intestine by providing insight into the individual contributions of each cell type to a biological process. Pioneering work using this technology has provided a landscape of the cell types present in the native human intestine4,5,6. Single cell transcriptional profiling platforms allow exploration of the transcriptional landscape of individual cells, allowing cell heterogeneity to come to the forefront of scientific exploration. In some single cell transcriptional profiling platforms, microfluidic partitioning and barcoding are used to generate cDNA libraries from cellular polyadenylated mRNAs obtained from up to 10,000 cells per sample. On this platform, droplets containing single cells, barcoded oligonucleotides, reverse transcription reagents, and oil form a reaction vesicle that results in all cDNAs from a single cell having the same barcode. The barcoded cDNAs can then be efficiently sequenced using next generation sequencing. Data generated can be handled through software and visualization tools, which convert the barcoded sequences into visualization maps and single cell transcriptional profiles. Cell populations can be identified using publicly available databases of human small intestinal epithelium4,5,6. Although many studies have utilized this platform to interrogate murine intestinal organoids at the single cell level, the analysis of single cell transcriptional responses of HIOs has lagged behind7,8,9,10,11,12.
Here, we provide a step-by-step guide to isolating viable cells from small intestinal HIOs for processing on single cell transcriptional profiling platforms (Figure 1). We provide culturing and differentiation guidelines along with media components that have been optimized for epithelial differentiation. We outline cell recovery methods for three different culture formats: three dimensional (3D) and monolayer cultures either on plastic or on membrane cell culture inserts. We provide sample clustering data obtained using open-source software to derive differentially expressed genes in each cluster.

Autore in primo piano: Integrazione della trascrittomica a singola cellula con colture di organoidi per la ricerca avanzata e gli approfondimenti terapeutici

Utilizzo di organoidi intestinali umani per comprendere l'epitelio dell'intestino tenue a livello trascrizionale di una singola cellula

We are integrating single-cell transcriptomics and organoid technology to better understand the biology of the small intestine. These technologies are allowing us deeper insight into the cellular heterogeneity that exists within that tissue. The tools that improve the throughput, sensitivity, and the resolutions are the keys that advanced research in the field.Some examples are improved computational methods and the technological innovations. Cost reductions also a major focus. The process of preparing and sequencing the libraries of samples can cause transcription variations, which is one challenge.For organoids, specific challenges include limited spatial context or information about temporal dynamics. Single-cell analysis of the human intestinal organoids provides previously unattainable information into the cell types that make up the intestinal epithelium. This, thereby, opens the window to the transcriptional landscape of those cells.We are using these technologies to identify biomarkers and mechanisms of human intestinal diseases. These biomarkers and mechanisms will advance our ability to utilize personalized medicine-based approaches to treat human disease and improve human health overall.

Le sospensioni di singole cellule sono state raggruppate da 2-3 pozzetti di inserto per colture cellulari a membrana, monostrato e HIO 3D per garantire una resa cellulare sufficiente e ridurre la variazione da pozzetto a pozzetto. Le librerie di singole cellule sono state preparate utilizzando reagenti specifici per la piattaforma di profilazione trascrizionale a singola cellula. e sequenziato con letture finali accoppiate su una piattaforma di sequenziamento di nuova generazione, 30.000 letture/cella. Le letture sono st...

Il protocollo combina la tecnologia degli organoidi intestinali umani con l'analisi trascrittomica a singola cellula per fornire informazioni significative sulla biologia intestinale precedentemente inesplorata.

Single cell transcriptomics has revolutionized our understanding of the cell biology of the human body. State-of-the-art human small intestinal organoid ...

using-human-intestinal-organoids-to-understand-small-intestine

Research

JoVE Journal

Biology

Using Human Intestinal Organoids to Understand the Small Intestine Epithelium at the Single Cell Transcriptional Level

339 Views.  Baylor College of Medicine. We are integrating single-cell transcriptomics and organoid technology to better understand the biology of the small intestine. These technologies are allowing us deeper insight into the cellular heterogeneity that exists within that tissue. The tools that improve the throughput, sensitivity, and the resolutions are the keys that advanced research in the field.Some examples are improved computational methods and the technological innovations. Cost reductions also a major focus. The pro...