אמיתי ניתוח זמן של פרופיל המטבולי ב<em> Ex Vivo</em> תרבויות עכבר המעיים קריפטה Organoid
Summary
organoids קריפטה מעי הדק תרבית ex vivo לספק מערכת תרבית רקמה שמשחזרת צמיחה של מאורות תלויים בתאי גזע והנישה שלהם. הקמנו שיטה לassay הפרופיל המטבולי בזמן אמת בorganoids קריפטה עכבר העיקרי. מצאנו organoids לשמור על מאפיינים פיסיולוגיים שהוגדרו על ידי המקור שלהם.
Abstract
רירית המעי הקטנה מציגה ארכיטקטורה חוזר על עצמו מחולק לשני מבנים בסיסיים: villi, מקרינים לתוך חלל המעי ומורכב מenterocytes הבוגר, תאי גביע ותאי enteroendocrine; ובכוכים, המתגוררים הפרוקסימלי לsubmucosa וmuscularis, חסת גזע בוגרים ובתאים ותאים הבוגר פנט, כמו גם סטרומה ותאי חיסון של מייקרו-סביבת קריפטה. עד השנים האחרונות, במחקרי מבחנה של מעי דק היה מוגבל לשורות תאים שמקורם בגידולים או שפיר או ממאיר, ואינו מייצג את הפיסיולוגיה של אפיתלים מעיים רגילים ואת השפעתם של מייקרו-הסביבה שבה הם מתגוררים. הנה, אנחנו מדגימים שיטה המותאמת מאל סאטו ואח. (2009) לculturing organoids קריפטה העיקרי מעיים עכבר נגזר מעכברי C57BL / 6. בנוסף, אנו מציגים את השימוש בתרבויות organoid קריפטה לassay הפרופיל המטבולי קריפטה בזמן אמת על ידי מדדment של הצריכה בסיסית חמצן, קצב glycolytic, ייצור ATP ויכולת נשימה. Organoids לשמור על מאפיינים שהוגדרו על ידי המקור שלהם ולשמר היבטים של ההסתגלות המטבולית שלהם באו לידי ביטוי בצריכת חמצן ושיעורי החמצה תאיים. מחקרים מטבוליים בזמן אמת בorganoid מערכת תרבות קריפטה זה הם כלי רב עוצמה כדי לחקור את חילוף החומרים של אנרגיית organoid קריפטה, ואיך זה יכול להיות מווסת על ידי גורמים תזונתיים ותרופתיים.
Introduction
סרטן מעי גס (CRC) הוא הגורם המוביל השלישי של מקרי מוות מסרטן הקשורים בארצות הברית. סרטן מעי גס לא סדיר – כלומר, שנובע מאוחר יותר בחיים (> 50 שנים) וללא גורמים גנטיים לנטייה ברורה – חשבונות ל~ 80% מכל המקרים, עם שכיחות מאוד מושפעות דפוסי תזונה ארוך טווח 1,2. גידולים אלה תערוכת משמרת חילוף חומרים לכיוון התלות בגליקוליזה חמצוני, הידוע בשם האפקט ורבורג, שעשוי בחלק לעשות ריכוזים גבוהים יותר של בלוקים סלולריים בניין זמינים ואנרגיה (באמצעות glutaminolysis) להתיר ואולי לנהוג שיעור גבוה של תאים סרטניים התפשטות 3-5 . מחקרים של סרטן המעי הגס, כמו גם סוגי סרטן אחרים במערכת העיכול, כולל סרטן המעי דק מספקים תובנה חשובה לסיבת היווצרות גידול. חוקר את ההבדלים מטבוליים בין מדינות נורמליות, פרו-סרטניות וסרטניות של מערכות איברים במערכת העיכול עשוי לסייע determination של סיכון יחסי להתפתחות גידולים, כמו גם גילוי המוקדם של גידולים. יתר על כן, הבנת חילוף חומרים ביו-אנרגטיים הכוללים נשימה וגליקוליזה המיטוכונדריה תספק תובנה בסיסית לתוך איך מדינת פיזיולוגיה של תא, הזדקנות והמחלה מדאיגה את הומאוסטזיס מעיים. ניצול של טכנולוגית assay ביו-האנרגיה לניתוח שטף תאי יכול להעריך את השיעורים של נשימה וגליקוליזה המיטוכונדריה בו זמנית בתאי גידול בתרבות בזמן אמת 6,7.
עד לאחרונה, מחקרים במבחנה של מעי דק היו מוגבלים לשורות תאים שמקורם בגידולים או שפיר או ממאיר 8,9 ואינו מייצגים את הפיסיולוגיה של אפיתלים מעיים רגילים ואת השפעתם של מייקרו-הסביבה שבה הם מתגוררים. בשינה 2009, סאטו et al. 10 הציג מערכת ex vivo תרבות לגדול organoids אפיתל במעי עכבר תלת-ממדי (3D), או epith"מיני-אומץ" elial, מתאים לחקירות ניסיוניות, אבחון וטיפול 10,11. יתר על כן, מאורות מבודדים מעכברים מוגבלים calorically לשמור על מאפייני הצמיחה שינו כorganoids בתרבויות כגון 12. בהשוואה לשורות תאים הפכו, ניתן להשתמש תרבויות organoid קריפטה להפיק נתונים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית הצגת מודל הרבה יותר טוב כדי להבין את מצב in vivo.
מתאמנים את טכנולוגיית ניתוח ביו-אנרגיה לassay חילוף חומרים של אנרגיה של organoids קריפטה מעיים. organoids קריפטה המעיים העכבר היה בתרבית ex vivo לפתח מחקרי חילוף חומרים של אנרגיית קריפטה organoid הוצגו. שיעור צריכת החמצן (OCR) והמחיר תאי החמצה (ECAR) של organoids קריפטה נמדדו בהעדר ונוכחותם של שני מעכבים שונים חילוף חומרים (oligomycin, rotenone) ונושאת יון (ציאניד-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone קרבוניל). Orga קריפטהתגובה המטבולית noid לתרכובות כימיות אלה באו לידי ביטוי בהצלחה באמצעות ECAR משתנה וערכי OCR.
מחקרים ביו-אנרגטיים תאיים יבהירו את יחסי הגומלין ההדדיים בין מצב מטבולים וסיכון למחלות ופנוטיפ בסרטן, השמנת יתר, סוכרת, הפרעות בחילוף חומרים ומחל מיטוכונדריאליות ולעזור שיטות הקרנה מראש עם השלכות ישירות על רפואת translational. כאן, אנו מתארים פרוטוקול מפורט לבודד את מאורות מעי דקים וorganoids קריפטה התרבות. יתר על כן, אנו מציגים שיטה חדשה לשימוש תרבויות organoid קריפטה למבחנים מטבולים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בדקנו את שיעור צריכת חמצן (OCR) והמחיר תאי החמצה (ECAR) של מאורות מבודדים מעכברים בן 8 חודשים וגדלו והפכו לorganoids ex vivo. לאחר המדידה של קצב הבסיסי, חילוף החומרים קריפטה הוערך על ידי הוספת oligomycin, ציאניד קרבוניל -p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP) וrotenone, ברצף.
<p class="jove_content" style=";text-align:ri…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי מענקי RO1 CA 135,561, R01 CA151494, R01 CA174432 וP3013330 מהמכונים הלאומי לבריאות.
ברצוננו להודות למישל יוסטון, אלנה Dhima וד"ר אנה Velcich על הערותיהם מועילות בפיתוח פרוטוקול בידוד קריפטה.
אנו מודים גם להדרכת הסוכרת ומרכז המחקר של אלברט איינשטיין קולג 'לרפואה נתמך על ידי NIH P60DK20541, וד"ר מיכאל בראונלי וד"ר Xue-יאנג Du, שינחה ויפעיל את מתקן סוסון הים, בהתאמה.
Materials
| BD Matrigel Basement Membrane Matrix, GFR, Phenol Red-free, LDEV-free | BD Biosciences | 356231 | |
| PBS (phosphate buffered saline), no magnesium, no calcium, pH 7.2 | Life Technologies | 20012-027 | |
| Advanced DMEM/F-12 (1X) | Life Technologies | 12634-028 | |
| Dulbecco′s Modified Eagle′s Medium without glucose, L-glutamine, Phenol Red, sodium pyruvate and sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | D5030 | |
| Phenol Red sodium salt | Sigma-Aldrich | P4758 | Final Concentration 15 mg / L in DMEM (D5030) – step 2.2.2 |
| Antibiotic-Antimycotic, 100X, 100ml | Life Technologies | 15240-062 | Final Concentration 1 X or 2 X |
| Penicilin-Streptomycin, liquid | Life Technologies | 15140-122 | Final Concentration 1 X |
| Gibco® GlutaMAX™ supplement | Life Technologies | 35050061 | Final Concentration 1 X |
| Gibco® HEPES (N-2-hydroxyethylpiperazine-N-2-ethane sulfonic acid), 1 M | Life Technologies | 15630-080 | Final Concentration 10 mM |
| N-Acetyl-L-Cysteine, 25g | Sigma-Aldrich | A9165-25G | Final Concentration 1 mM |
| 100X N-2 supplement, liquid | Invitrogen | 17502-048 | Final Concentration 1 X |
| 50X B-27® supplement minus Vitamin A, liquid | Invitrogen | 12587-010 | Final Concentration 1 X |
| Recombinant Mouse R-Spondin 1, CF, 50ug | R&D Systems | 3474-RS-050 | Final Concentration 500 ng / mL |
| Recombinant Murine EGF, 100ug | Peprotech | 315-09 | Final Concentration 50 ng / mL |
| Recombinant Murine Noggin, 20ug | Peprotech | 250-38 | Final Concentration 100 ng / mL |
| Gibco® L-glutamine, 200 mM | Life Technologies | 25030-081 | Final Concentration 2 mM |
| Gibco® Glucose powder | Life Technologies | 15023-021 | Final Concentration 5 mM |
| Ambion® 0.5 M EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid), pH 8.0 | Life Technologies | AM9260G | Final Concentration 3 mM for step 1.1.5; 2 mM for step 1.1.8 |
| DTT (Dithiothreitol), 1M | Life Technologies | P2325 | Final Concentration 3 mM |
| Albumin from bovine serum (BSA) | Sigma-Aldrich | A2058 | 0.1 % in PBS |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Life Technologies | 16000-044 | 1 % in PBS |
| Recovery™ Cell Culture Freezing Medium | Life Technologies | 12648-010 | |
| ROCK inhibitor (Y-27632) | Sigma-Aldrich | Y0503 | Final Concentration 10 µM |
| Oligomycin | Sigma-Aldrich | O4876 | Final Concentration 1 µM |
| Carbonyl cyanide-p-trifluoro-methoxy-phenyl-hydrazone (FCCP) | Sigma-Aldrich | C2920 | Final Concentration 1 µM |
| Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | Final Concentration 1 µM |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 221465 | Final Concentration 0.1 N in PBS |
| XF24 Extracellular Flux Analyzer (XF Analyzer) | Seahorse Bioscience |
References
- Jemal, A., et al. . CA Cancer J Clin. 58, 71-96 (2008).
- Slattery, M. L., Boucher, K. M., Caan, B. J., Potter, J. D., Ma, K. N. Eating patterns and risk of colon cancer. Am J Epidemiol. 148, 4-16 (1998).
- Warburg, O. On the origin of cancer cells. Science. 123, 309-314 (1956).
- Coles, N. W., Johnstone, R. M. Glutamine metabolism in Ehrlich ascites-carcinoma cells. Biochem J. 83, 284-291 (1962).
- Medina, M. A., Castro I, N. u. n. e. z. d. e. Glutaminolysis and glycolysis interactions in proliferant cells. Int J Biochem. 22, 681-683 (1990).
- Anso, E., et al. Metabolic changes in cancer cells upon suppression of MYC. Cancer Metab. 1, 7 (2013).
- Malmgren, S., et al. Coordinate changes in histone modifications, mRNA levels, and metabolite profiles in clonal INS-1 832/13 β-cells accompany functional adaptations to lipotoxicity. J Biol Chem. 288 (17), 11973-11987 (2013).
- Whitehead, R. H., et al. Establishment of conditionally immortalized epithelial cell lines from both colon and small intestine of adult H-2Kb-tsA58 transgenic mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 90 (2), 587-591 (1993).
- Roig, A. I., et al. Immortalized epithelial cells derived from human colon biopsies express stem cell markers and differentiate in vitro. Gastroenterology. 138 (3), 1012-1021 (2010).
- Sato, T., et al. Single LGR5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature. 459, 262-265 (2009).
- Sato, T., Clevers, H. Growing self-organizing mini-guts from a single intestinal stem cell: mechanism and applications. Science. 340, 1190-1194 (2013).
- Yilmaz, O. H., et al. mTORC1 in the Paneth cell niche couples intestinal stem-cell function to calorie intake. Nature. 486, 490-495 (2012).
