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Method Article
Presentiamo un metodo per la generazione e la caratterizzazione di colture di organoidi della mucosa orale derivate dall'epitelio della lingua di topi adulti.
Il rivestimento mucoso che ricopre l'interno della nostra bocca, la mucosa orale, è un tessuto altamente compartimentalizzato e può essere suddiviso in mucosa buccale, gengiva, labbra, palato e lingua. Il suo strato superiore, l'epitelio orale, è mantenuto dalle cellule staminali adulte per tutta la vita. La proliferazione e la differenziazione delle cellule staminali epiteliali adulte sono state studiate intensamente utilizzando modelli murini in vivo e modelli in vitro bidimensionali (2D) basati su cellule feeder. Complementare a questi metodi è la tecnologia degli organoidi, in cui le cellule staminali adulte sono incorporate in un idrogel ricco di matrice extracellulare (ECM) e dotate di un terreno di coltura contenente un cocktail definito di fattori di crescita. In queste condizioni, le cellule staminali adulte proliferano e formano spontaneamente cluster cellulari tridimensionali (3D), i cosiddetti organoidi. Le colture di organoidi sono state inizialmente stabilite da cellule staminali epiteliali dell'intestino tenue murino. Tuttavia, da allora il metodo è stato adattato per altri tipi di cellule staminali epiteliali. Qui, descriviamo un protocollo per la generazione e la caratterizzazione di colture di organoidi murini della mucosa orale. Le cellule epiteliali primarie vengono isolate dal tessuto della lingua murina, incorporate in un idrogel ECM e coltivate in un terreno contenente: fattore di crescita epidermico (EGF), R-spondina e fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) 10. Entro 7-14 giorni dalla semina iniziale, gli organoidi risultanti possono essere fatti passare per un'ulteriore espansione e crioconservazione. Presentiamo inoltre strategie per la caratterizzazione di colture di organoidi consolidate tramite imaging 3D a montaggio intero e analisi dell'espressione genica. Questo protocollo può servire come strumento per studiare il comportamento delle cellule staminali epiteliali orali ex vivo in modo riduzionista.
La mucosa orale è il rivestimento mucoso che ricopre l'interno della nostra bocca. Funziona come l'ingresso del tratto alimentare ed è coinvolto nell'avvio del processo digestivo 1,2. Inoltre, la mucosa orale funge da barriera del nostro corpo verso l'ambiente esterno, fornendo protezione dagli insulti fisici, chimici e biologici1. In base alla funzione e all'istologia, la mucosa orale nei mammiferi può essere suddivisa in tre tipi: mucosa masticatoria (compresi il palato duro e la gengiva), la mucosa di rivestimento (che funge da superficie del palato molle, superficie ventrale della lingua e superficie buccale) e mucosa specializzata (che copre la superficie dorsale della lingua)2. Tutti i tessuti della mucosa orale sono costituiti da due strati: l'epitelio squamoso stratificato superficiale e la sottostante lamina propria1. Il cheratinocita epiteliale orale è il principale tipo di cellula dell'epitelio, che è anche la posizione delle cellule immunitarie intraepiteliali come le cellule di Langerhans1. Il compartimento stromale, la lamina propria, comprende i diversi tipi di cellule come i fibroblasti, le cellule endoteliali, le cellule neuronali e le cellule immunitarie1. Come in tutti gli epiteli stratificati, le cellule staminali e progenitrici risiedono nello strato basale dell'epitelio orale1. Queste cellule specializzate hanno la capacità di sostituire il tessuto perso attraverso le divisioni cellulari e, quindi, di alimentare il ricambio cellulare per tutta la vita adulta3. A differenza di altri epiteli come l'epitelio intestinale4 o l'epidermide cutanea5, gli epiteli orali rimangono poco conosciuti. Tuttavia, studi recenti hanno scoperto diversi geni come Krt14, Lrig1, Sox2, Bmi1 e Gli1 che marcano le cellule staminali epiteliali orali e le cellule progenitrici nei topi 1,6,7,8. Poiché l'epitelio orale è l'origine dei carcinomi orali e un attore critico nell'infiammazione, nella ferita e nella rigenerazione della mucosa1, una migliore comprensione della sua biologia cellulare di base è fondamentale per potenziali nuovi approcci terapeutici e scoperte di farmaci.
I modelli animali sono stati ampiamente utilizzati per gli studi di base sull'epitelio della mucosa orale1. Ad esempio, i suddetti marcatori di cellule staminali epiteliali orali e cellule progenitrici sono stati in gran parte definiti utilizzando modelli murini di tracciamento del lignaggio genetico 1,6,7,8,9. Tuttavia, sono stati ampiamente utilizzati anche approcci ex vivo che utilizzano cellule in coltura di origine umana o murina10. Convenzionalmente, tale lavoro di coltura cellulare è stato eseguito utilizzando linee cellulari derivate da carcinoma orale a cellule squamose (OSCC) o linee cellulari generate da cellule primarie immortalizzate (spontaneamente o geneticamente)10. Questi metodi di coltura cellulare 2D hanno limitazioni con implicazioni critiche nello studio dell'omeostasi adulta: (1) l'immortalizzazione cellulare è accompagnata da un alto grado di instabilità genetica, (2) limitata capacità di differenziare, (3) necessità di cellule alimentatrici e (4) un mezzo di crescita in gran parte indefinito contenente siero11. Collettivamente, questi metodi gold standard in vitro non hanno permesso colture a lungo termine di cellule staminali epiteliali senza limitare la loro capacità di proliferare e differenziarsi, nonché di trasformare il loro genoma wild-type.
La tecnologia degli organoidi è emersa come strumento per stabilire colture di tessuto epiteliale quasi nativo in vitro11. Nel loro studio del 2009, Sato et al. hanno descritto il primo sistema di coltura di organoidi epiteliali12. Il loro metodo si basava sull'incorporazione di singole cellule staminali intestinali tenue contrassegnate dal gene bersaglio Wnt/β-catenina Lgr513in un idrogel 3D ricco di matrice extracellulare (ECM)12. Fornendo un cocktail definito di fattori di crescita importanti per la staminalità, le cellule staminali epiteliali adulte seminate sono state in grado di proliferare fino alla loro capacità in coltura12. Alla fine, si sono formati gruppi di cellule staminali a ciclo attivo contenenti tutti i principali tipi di cellule epiteliali intestinali12, che assomiglia di fatto al tessuto di origine11. A differenza delle colture 2D convenzionali, la tecnologia degli organoidi ha consentito il mantenimento a lungo termine delle cellule staminali epiteliali intestinali munine in condizioni prive di alimentazione con un terreno privo di siero e completamente definito10,11. Inoltre, il metodo non altera in modo significativo la composizione genetica o il fenotipo delle cellule staminali coltivate11. Inoltre, la coltura a lungo termine ha mantenuto la capacità della cellula staminale di proliferare e differenziarsi senza la necessità di immortalizzazione cellulare11. Nel giro di poco più di un decennio, questo sistema di coltura di organoidi epiteliali è stato modificato per far crescere cellule staminali adulte da molti altri tessuti epiteliali come il colon (intestino crasso)12,14,15endometrio16fegato17,18Polmoni19,20, ghiandole mammarie21ovaie22pancreas23,24, epidermide cutanea25e stomaco26. Mentre la maggior parte dei protocolli utilizzava cellule staminali epiteliali adulte derivate da mammiferi come gli esseri umani11,27topi11gatti28cani29e suini30, è stato persino possibile generare organoidi epiteliali dalle ghiandole velenifere dei serpenti31. La tecnologia degli organoidi è diventata un metodo di coltura di cellule staminali ampiamente utilizzato con un alto grado di versatilità11. Poiché gli organoidi epiteliali rimangono in gran parte geneticamente32,33e fenotipicamente stabili, sono ottimi modelli per l'editing genetico34,35per studiare la funzione genica36o tumorigenesi27,37,38,39,40. Inoltre, le colture di organoidi possono essere trapiantate nei topi37,41e vengono utilizzati per studiare le interazioni ospite-microbo42(comprese le infezioni patogene43,44,45). Inoltre, co-colture basate su organoidi con cellule del microambiente come le cellule immunitarie46,47,48e fibroblasti49,50 sono stati descritti. Nel contesto delle malattie, gli organoidi sono stati utilizzati per generazioni di biobanche di tessuti viventi21,22,51oltre a testare i farmaci27per l'efficacia52,53e tossicità54.
In questo protocollo, descriviamo una metodologia ottimizzata per la creazione e il mantenimento di colture di organoidi della mucosa orale dall'epitelio della lingua murina. Si basa su precedenti studi che descrivono l'isolamento dell'epitelio della lingua mediante digestione enzimatica55 e la derivazione di organoidi epiteliali dalla mucosa orale di topo e umana52,53. Il terreno di crescita per gli organoidi murini della mucosa orale contiene fattori critici che mantengono lo stato delle cellule staminali. La R-spondina attiva la cascata di segnalazione Wnt/β-catenina5, mentre il fattore di crescita epidermico (EGF) e il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) 10 sono citochine e ligandi delle tirosin-chinasi recettoriali che stimolano diverse vie di segnalazione come la via MAPK/ERK e la via PI3K/AKT/mTOR25. Descriviamo inoltre in dettaglio come le colture di organoidi possono essere caratterizzate mediante analisi dell'espressione genica e proteica e confrontate con il tessuto di origine.
Tutti i metodi qui descritti sono stati eseguiti in conformità con la legislazione dell'Unione Europea e tedesca sulla sperimentazione animale.
NOTA: Preparare il posto di lavoro, compresi gli strumenti chirurgici sterili (pinze, forbici sottili e bisturi) e le piastre di Petri riempite con PBSO freddo. Scongelare il BME durante la notte e mantenerlo a 4 °C o in ghiaccio fino al momento dell'uso. Preriscaldare le piastre di coltura cellulare in un incubatore per una notte prima di iniziare l'isolamento cellulare. Tutti i materiali sono forniti nella Tabella dei Materiali.
1 Istituzione di colture di organoidi murini della mucosa orale
2 Passaging, crioconservazione e scongelamento di organoidi murini della mucosa orale
3 Analisi dell'espressione genica di mucole orali murine, tessuti e organoidi
4 Analisi dell'espressione proteica del tessuto murico orale e degli organoidi
NOTA: La colorazione dell'intero montaggio dell'epitelio della lingua è stata eseguita in una piastra a 24 pozzetti, trasferendo il tessuto con una pinza da pozzetto a pozzetto in ogni fase.
Questo protocollo descrive la separazione dell'epitelio della lingua dalla sottostante lamina propria e dal muscolo utilizzando un cocktail enzimatico (Figura 1). L'epitelio separato può essere ulteriormente utilizzato per la generazione di organoidi e raccolto per diversi tipi di analisi genetiche e proteiche. Allo stesso modo, lo strato digerito della lamina propria e del muscolo può essere utilizzato per le procedure di scelta.
Digestione dei tessuti
La digestione della collagenasi aiuta a separare l'epitelio dalla sottostante lamina propria e dal tessuto muscolare. Questo passaggio consente un migliore confronto del tessuto primario con gli organoidi della mucosa orale successivamente generati. Poiché la sovradigestione con enzimi influisce sulla capacità di formazione di organoidi delle cellule staminali epiteliali adulte, si consiglia di eseguire l'incubazione della collagenasi per non ...
K.K. è nominato inventore di un brevetto in attesa di brevetto relativo alla tecnologia degli organoidi.
Gli autori ringraziano Sabine Kranz per l'assistenza. Desideriamo ringraziare l'unità centrale per la microscopia confocale e il cell sorting basato sulla citometria a flusso dell'IZKF Würzburg per aver supportato questo studio. Questo lavoro è stato finanziato da una sovvenzione del German Cancer Aid (tramite IZKF/MSNZ Würzburg a K.K.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Media & Media Components | |||
Advanced Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM)/F12 | Thermo Fisher Scientific | 12634-028 | |
B27 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504-044 | |
GlutaMAX-I (100x) | Thermo Fisher Scientific | 35050-038 | |
HEPES | Thermo Fisher Scientific | 15630-056 | |
N-acetyl-L-cysteine | Sigma Aldrich | A9165 | |
Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636 | |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
Primocin | Invivogen | ant-pm1 | |
RSPO3-Fc fusion protein conditioned medium | U-Protein Express BV | R001 | |
Recombinant human EGF | Preprotech | AF-100-15 | |
Recombinant human FGF-10 | Preprotech | 100-26 | |
ROCK (Rho kinase) inhibitor Y-27632 dihydrochloride | Hölzel Biotech | M1817 | |
Antibodies | |||
Keratin-14 Polyclonal Antibody 100µl | Biozol | BLD-905301 | |
E-Cadherin Antibody | Bio-Techne | AF748 | |
Purified Mouse Anti-Ki-67 Clone B56 (0.1 mg) | BD Bioscience | 556003 | |
ALEXA FLUOR 594 Donkey Anti Mouse | Thermo Fisher Scientific | A21203 | |
ALEXA FLUOR 647 Donkey Anti Rabbit | Thermo Fisher Scientific | A31573 | |
ALEXA FLUOR 488 Donkey Anti Goat | Thermo Fisher Scientific | A110555 | |
Reagents / Chemicals | |||
BME Type 2, RGF Cultrex Pathclear | Bio-Techne | 3533-005-02 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | 34943-1L-M | |
Collagenase A | Roche | 10103578001 | |
Donkey Serum | Sigma Aldrich | S30-100ML | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 100-100-15 | |
EDTA | Sigma Aldrich | 221465-25G | |
Ethanol, denatured (96 %) | Carl Roth | T171.3 | |
Formalin Solution, neutral buffered, 10% | Sigma Aldrich | HT501128-4L | |
TritonX-100 | Sigma Aldrich | X100-500ML | |
Tween-20 | Sigma Aldrich | P1379-500ML | |
TrypLE Express Enzyme (1×), phenol red | Thermo Fisher Scientific | 12605-010 | |
Xylene | Sigma Aldrich | 534056-500ML | |
Equipment and Others | |||
Cell culture 12-Well Multiwell Plates | Greiner BioOne | 392-0047 | |
Cell Strainer: 100 µm | VWR | 732-2759 | |
Cover Slips | VWR | 631-1569P | |
Glass Bottom Microplates VE=10 4580 | Corning | 13539050 | |
Objective Slides: Superfrost Plus | VWR | 631-0108P |
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