מוצגים כאן שני פרוטוקולים לתחינה של ציטים שונים בתנאי תרבות תלת-מידוד. בתחילה, קומפלקסים cumulus-oocyte (COCs) הם עטוף חרוזים fibrin-אלגינט. בשנייה, הם מוקפים פלואורציה אתילן פרופילן אבקת חלקיקי (microbioreactors). שתי המערכות מבטיחות תנאים אופטימליים לשמירה על ארגון תלת-מיוד.
בביולוגיה של הרבייה, מהפכת הביוטכנולוגיה שהחלה עם הפריה מלאכותית וטכנולוגיה להעברת עוברים הובילה לפיתוח טכניקות רבייה בסיוע כגון oocyte בהברה חוץ גופית (IVM), הפריה חוץ גופית (IVF) שיבוט של בעלי חיים ביתיים על ידי העברה גרעינית מתא סומטי. IVM היא השיטה בעלת משמעות מיוחדת. זוהי טכנולוגיית הפלטפורמה לאספקת oocytes בוגר, באיכות טובה עבור יישומים כגון צמצום מרווח הדור מינים חשובים מבחינה מסחרית או בסכנת הכחדה, מחקר לגבי רבייה אנושית חוץית, וייצור של בעלי חיים טרנסגניים עבור טיפולים בתא. המונח איכות oocyte כולל את יכולתה להשלים התבגרות, להיות מופרית, ובכך לגרום צאצאים בריאים. משמעות הדבר היא כי oocytes באיכות טובה הם בעלי חשיבות עליונה עבור הפריה מוצלחת כולל הליכי הפריה חוץ גופית. זה מציב קשיים רבים לפתח שיטת תרבות אמינה שתתמוך בצמיחה לא רק של oocytes אנושיים, אלא גם של מינים גדולים אחרים של יונקים. הצעד הראשון בIVM הוא תרבות המבחנה של oocytes. עבודה זו מתארת שני פרוטוקולים לתרבות תלת-מית-מית של ציטים שונים. הראשון, מודל 3D cumulus-oocyte מתחמים (COCs) הם עטוף ברשת חרוז פיברין-אלגינט interחדירה, שבו תערובת של פיברין אלגינט הם ג’ל בו זמנית. בשנייה, COCs מושעים בטיפה של בינוני ועטוף עם פרופילן אתילן פלואורין (FEP; קופולימר של הקספלואורופרופילן וטטטרפלואורואתילן) חלקיקי אבקה כדי ליצור microbioreactors המוגדרים גולות נוזלי (LM). שתי מערכות תלת-מית שומרות על הגזים בסביבת תרבות המבחנה. הם גם מחזיקים בארגון תלת-מיתד COCs על-ידי מניעת שיטוחם ושיבוש כתוצאה מכך של צמתים של פערים, ובכך שומרים על הקשר הפונקציונלי בין האוציט, לבין תאי הזקיקים שמסביב.
הפיתוח של מערכות תרבות שונות, כולל אלה תלת מימדי (3D), שמטרתו לספק תנאים אופטימליים לצמיחה והתבגרות של oocytes מבודד מן הזקיקים גם בשלבים המוקדמים ביותר של פיתוח. זה הוא בעל חשיבות רבה עבור טכניקות רבייה בסיוע (ART), במיוחד לאור המספר ההולך וגדל של נשים הנאבקות עם פוריות לאחר טיפול בסרטן1. התבגרות של oocytes בתנאי חוץ גופית (IVM) היא כבר טכניקה מבוססת היטב המשמשת בעיקר עבור יצירת עובר חוץ גופית לצורך רבייה בעלי חיים2. עם זאת, ברוב המינים היונקים, גם אם שיעור גבוה של התבגרות של קומפלקסים cumulus-oocyte (COCs) ניתן להשיג (טווח 60 עד 90 %)3, היכולת ההתפתחותית שלהם עדיין אינה מספקת לצרכים. הסיבה לכך היא הפיתוח של zygotes שהושגו באופן כזה אפילו עד שלב blastocyst הוא נמוך ולאחר ההעברה לבעלי חיים חלופיים הכדאיות שלהם לטווח מצטמצם. כתוצאה מכך, יש צורך להגדיל את היכולת ההתפתחותית של עוברים שהתקבלו מoocytes שהיו נתונים להליך IVM4. לכן, מדיה התבגרותחדשה 5 נמצאים בתכנון ותקופות שונות של תרבות המבחנהנבדקים 6,7 יחד עם תוספי מדיה תרבות עם גורמי גדילהשוניםמולקולות 8,9.
הצעד הראשון של כל מערכת IVM מלאה הוא ליצור תנאים אופטימליים לצמיחה בת קיימא של oocytes במהלך תרבות המבחנה. הצמיחה oocyte הוא אחד האינדיקטורים הספציפיים של היכולת של oocyte לחדש meiosis10,11. בנוסף, oocyte המתאים במערכת תרבות המבחנה חייב להיות מסוגל לתמוך התבגרות גרעינית שלה בידול cytoplasmic12. מורפולוגיה של קומפלקס cumulus-oocyte הוא אינדיקטור חשוב נוסף המשמש במרפאות ART כדי לבחור את oocyte הטוב ביותר עבור השלבים הבאים של הפריה חוץ גופית (הפריה חוץ גופית) הליך בבניאדם ובעלי חיים 12,,13. בין המאפיינים המורפולוגיים של COCs נחשבים: קוטר oocyte, גרגר ציטופלסמה שלה ושלמות גוףהקוטב הראשון 14,15. חוץ מזה, הפוטנציאל ההתפתחותי oocyte הוא בקורלציה המראה והדחיסה של תאי קומולוס ומספר השכבות שלהם סביב oocyte. חשוב מאוד עבור oocyte המתאים במערכת תרבות המבחנה היא גם התחזוקה של תאי oocyte-cumulus אינטראקציות נאותות ויציבות ציטוסקלטון16,17,18,,19. עד כה, במבחנה oocyte צמיחה בתוך COCs אנושי הוכח20. השימוש COCs הפרה הביא גם עם לידות חיות. אלה היו מבודדים זקיקי שחלות ילדותיים ולאחר מכן תרבותי במשך 14 ימים עד oocyte היה גדול מספיק כדי לעבור את הליך הפריהחוץ גופית 21. באופן דומה, COCs מבודד זקיקי בבון אנטרל, נתון IVM לאחר בתרבות המבחנה הניב oocytes מסוגל לתחל מחדש meiosis לשלב metaphase II עם מבנה ציר מופיענורמלי 22. עם זאת, במחקר זה המחברים לא מנסים להפרות אותם. עם זאת, תוצאות כאלה מצביעות על כך שהליך דומה יכול להיות מיושם לא רק על מינים יונקים מסוימים אלה, אלא גם על תסביכים אנושיים cumulus-oocyte שהושגו זקיקים מה צריך לאפשר להשיג oocytes באיכות טובה מתאים טכניקת הפריה חוץ גופית מוצלחת.
התוצאות המתוארות לעיל הושגו עם יישום של פרוטוקולי IVM קונבנציונליים שבמהלכם oocytes היו תרבותיים במערכות דו מימדיות (2D). ההליך השגרתי במערכות תרבות דו-מית-מידיות מכסה את ה-oocytes, השקוע בטיפה של אמצעי תקשורת תרבותיים מתאימים,עם שמן מינרלי 23,24. ההנחה היא כי כיסוי שמן במהלך תרבות oocyte במבחנה משמש כדי למנוע אידוי נוזלי, ובכך להבטיח את התחזוקה של pH תקין ולחץ אוסמוטי בתרבות. למרות מערכת תרבות 2D כזה מאפשר להשיג, אפילו עד 87% של oocytes חזיר בוגר25, הוכח כי כיסוי שמן מינרלי גורם דיפוזיה משמעותית של חומרים מסיסים שומנים אשר נחוצים לפיתוח oocytesנכון 26. בנוסף, בגלל סטרואידים (פרוגסטרון ואסטרוגנים) דיפוזיה לתוך שמן מינרלי במהלך תרבות oocyte, עיכוב של התבגרות גרעינית וצמצום בהישג כשירות התפתחותית של oocytes חזיר נצפתה. הדבר עלול לגרום להשגת מספר קטן של זיגוטים, אשר בנוסף מאופיינים בקיבולת התפתחותית נמוכה לשלב של blastocyst ועל ידי קיימא ירודה לאחר העברה לבעלי חיים נמען27. לכן, נעשות ניסיונות להגביר את היכולת ההתפתחותית של עוברים הנגזרים מoocytes שהתקבלו לאחר הליך IVM, על ידי יצירת תנאים אופטימליים להשגת בגרות הן צטופלסמית והן בגרות גרעינית של oocytes תרבותי יחד עם CCs כמו קומפלקסים, במיוחד באמצעות מערכות תלת מימדיות (3D). 3D חדשניים שונים במערכות תרבות המבחנה פותחו בשני העשורים האחרונים28,29. אלה נועדו לשמור על הארגון המרחבי הטבעי של תאים ולהימנע שיטוח שלהם במנות תרבות מה לא ניתן להשיג בתרבויות הדו-מיD המסורתיות. ניתן להבטיח את הפעילות המבנית והפונקציונלית של COCs תרבותיים על ידי תחזוקת הארכיטקטורה המתאימה שלהם ותקשורת ללא הפרעה באמצעות צמתים בין תאיםשונים 30. התאמת ביו-פיגומים עבור 3D בתרבות המבחנה של קומפלקסים cumulus-oocyte הוערך באמצעות חומרים ביולוגיים טבעיים כגון רכיבים שונים של מטריצה חוץ תאית (ECM; קולגן וחומצה היאלורונית)31 או פולימרים אינרטיים (אלגינט)32. ניסיונות אלה שנבדקו במספר מינים הביאו לתוצאות מבטיחות מבחינת חידוש אוציט מיוזיס והשגת יכולתם המלאה33,34,35. עם זאת, עד כה, לא פותחה מערכת תלת-מית-מית-מית-מית-מז”ד המתאימה לבגרות COCs המבודדת מבעלי חיים ביתיים גדולים, כולל חזירים.
עבודה זו מתארת שני פרוטוקולים שניתן להשתמש בהם עבור תרבות תלת-מית-די של COCs של פורצ’ין. הפרוטוקול הראשון מתאר אנקפולציה בחרוזי פיברין-אלג’ינאט (FAB). FAB יכול להיווצר על ידי ערבוב בו זמנית של תמיסת אלגנאט ופיברין, אשר עוברים תהליך ג’לציה סינכרונית. שילוב זה מספק סביבה מכנית דינמית מכיוון ששני הרכיבים תורמים לקשיחות מטריצה. פתרון דומה שימש בעבר עבור תרבות זקיק השחלות בעכבר והתבגרות36. במקרה של הפרוטוקול המוצג, כדי למנוע השפלה מוקדמת של רשת אלגנאט-פיברין, נעשה שימוש בריכוזים גבוהים יותר של תמיסת סידן כלוריד, המבטיח תהליך ג’לציה מהירה ויציבה. הסביבה המכנית הדינמית יוצרת תנאים דומים לאלה בסביבה התוך-זקיקית הטבעית שבה שוכנים COCs וגדלים. בנוסף, העבודה מציגה תוצאות מייצגות של מערכות תרבות 3D COCs, שבו אלה מושעים בטיפה של בינוני ועטוף עם פרופילן אתילן פלואוריציה (FEP; קופולימר של הקספלואורופרופילן וטטרופלואוראתילן) חלקיקי אבקה, כדי ליצור microbioreactors (גולות נוזליות, LM). LM הם צורה של bioreactor 3D שהופעמי בעבר לתמוך, בין היתר, צמיחה של מיקרואורגניזמיםחיים 37, סרטניםסרטניים 38 ותאי גזעעובריים 39. LMs שימשו בהצלחה גם לתרבות הכבשים40. ברוב הניסויים באמצעות LMs, ביו-כופתים הוכנו באמצעות פוליטקטרפלואורואתילן (PTFE) אבקת מיטה עם גודל חלקיקים של 1 μm41. הפרוטוקול המוצג משתמש FEP, אשר דומה מאוד קומפוזיציה ומאפיינים PTFE fluoropolymers. אבל FEP הוא יותר קל לצורה ורך יותר PTFE ומה חשוב במיוחד, זה שקוף מאוד.
שתי מערכות תלת-מית שומרות על הגזים בסביבת תרבות המבחנה. הם גם שומרים על ארגון תלת-מיתד COCs על ידי מניעת שיטוח שלהם ושיבוש כתוצאה של צמתים פער, שמירה על הקשר הפונקציונלי שלהם בין oocyte ותאי זקיק שמסביב.
היכולת לשמור על צמיחה במבחנה לא רק של oocyte אלא גם של תאי קומולוס המקיפים אותו ובו זמנית תמיכה התבגרותו היא חיונית ביותר עבור טכנולוגיות הרבייה בסיוע מוצלח תקדם את ההבנה של תא סומטי / oocyte אינטראקציות במיוחד מינים העוברים צמיחה זקיקים ממושכת כגון בני אדם או חזירים. טכניקות IVM משופרות ללא הרף ה…
The authors have nothing to disclose.
המחברים אסירי תודה: ד”ר Waclaw Tworzydlo (המחלקה לביולוגיה התפתחותית ומורפולוגיה חרת חוליות, המכון לזואולוגיה ומחקר ביו רפואי, אוניברסיטת Jagiellonian) עבור מתקנים טכניים ב TEM; לגב’ ביאטה סנקווסקה (המחלקה לאנדוקרינולוגיה, המכון לזואולוגיה ומחקר ביו-רפואי, האוניברסיטה הג’יג’יבלונית) לקבלת סיוע טכני; למחלקה לביולוגיה והדמיה של תאים, המכון לזואולוגיה ומחקר ביו-רפואי, אוניברסיטת ג’יג’ילוניאן, JEOL JEM 2100HT (JEOL, טוקיו, יפן). עבודה זו נתמכה על ידי מענק 2018/29/N/NZ9/00983 ממרכז המדע הלאומי פולין.
General | |||
Antibiotic Antimycotic (100x) 100ml | Thermo Fisher | 15240062 | 2.5% final concentration for Handling Medium. 1% in PBS (step 1.2) |
DMEM/F12 (500ml) | Sigma-Aldrich | D8062 | Handling and Maturation Medium |
DPBS (w/o Ca, Mg), 1x, 500ml | Thermo Fisher | 14190144 | |
FCS (100 ml) | Thermo Fisher | 16140063 | 10% final concentration for both Handling Medium and Maturation Medium. (steps: 1.5. 2.6.) |
PBS (1x, pH 7.4) 500ml | Thermo Fisher | 10010023 | |
TBS Stock Solution (10x, pH 7.4) 500 ml | Cayman Chemicals | 600232 | 1x final concentration. Other brand can be use |
Maturation Medium | |||
hCG (1 VIAL of 10 000 U) | Sigma-Aldrich | CG10 | |
PMSG | BioVendor | RP1782721000 | |
Fibrin-alginate beads | |||
Alginate Lyase | Sigma-Aldrich | A1603 | (Step 2.11.1) |
Thrombin | Sigma-Aldrich | T9326-150UN | (Step 2.1) |
Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | C5670 | (Step 2.1) |
Fibrinogen (250mg) | Sigma-Aldrich | F3879 | (Step 2.2) |
Sodium Alginate | Sigma-Aldrich | W201502 | (Step 2.3) use for alginate solution |
Liquid Marble | |||
FEP | Dyneon GmbH 3M AdMD | A-66670 | |
Morphological examination | |||
LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity Kit, for mammalian cells | Thermo Fisher | L3224 | (Step 4.1.) Emitted fluorescence: 494 nm for calcein, 528 nm for EthD-1; measure: 517 nm for calcein, 617 nm – EthD-1 |
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium | Vector Laboratories | H-1000 | mounting medium |
Ultrastructure examination | |||
Glutaraldehyde solution | Sigma-Aldrich | G5882 | 2.5% final concentraion (Step 4.2.1.) |
LR White resin | Sigma-Aldrich | L9774 | (Step 4.2.4.) |
Methylene blue | Sigma-Aldrich | M9140 | (Step 4.2.5.) |
Osmium Tetroxide | Sigma-Aldrich | O5500 | (Step 4.2.3.) |
Sodium cacodylate trihydrate | Sigma-Aldrich | C0250 | Use for preparing 0.1M sodium cacodylate buffer (pH 7.2) |
Uranyl Acetate | POCH | 868540111 | (Step 4.2.4.) |
Specific instruments, tools | |||
30 mm Pteri dish | TPP | 93040 | |
60 mm IVF Petri dish | Falcon | 353653 | |
Ez-Grid Premium Cell Handling Pipettor | RI Life Sciences | 8-72-288 | |
Ez-Tip | RI Life Sciences | 8-72-4155/20 | |
Heating Table | SEMIC | Other brands can be used | |
Incubator | Panasonic | MCO-170AIC-PE | Other brands can be used |
Sterile petri dish (10 cm) | NEST Biotechnology | 704002 | |
Sterile syringe filters with 0.2 µm | GOOGLAB SCIENTIFIC | GB-30-022PES | |
Thermos | Quechua | 5602589 | Other brands can be used |