Generation der menschlichen Nase Epithelzelle Sphäroide für individualisierte Cystic Fibrosis Transmembrane Leitwert Regler Studie
Summary
Hier beschreiben wir eine Methode um dreidimensionale Sphäroid Kulturen der menschlichen nasalen Epithelzellen zu generieren. Sphäroide werden dann Laufwerk Cystic Fibrosis Transmembrane Leitwert Regulator (CFTR) stimuliert-abhängigen Ion und Fluid-Sekretion, Quantifizierung der Änderung der Sphäroid luminalen Größe als Proxy für CFTR-Funktion.
Abstract
Während die Einführung Cystic Fibrosis Transmembrane Leitwert Regulator (CFTR) Modulator Arzneimittel Pflege bei zystischer Fibrose (CF) revolutioniert hat, hat das unter der Regie von Genotyp Therapie-Modell derzeit im Einsatz mehrere Einschränkungen. Erste, seltene oder erforschten Mutation Gruppen sind vom endgültigen klinischen Studien ausgeschlossen. Darüber hinaus als zusätzliche Modulator Medikamente auf den Markt kommen, wird es der Modulator-Möglichkeiten für ein individuelles Thema optimieren schwieriger. Diese beiden Probleme richten sich mit dem Einsatz von Patienten abgeleitet, individuelle vorklinische Modellsysteme der CFTR-Funktion und Modulation. Menschlichen nasale Epithelzellen (HNEs) sind eine leicht zugängliche Quelle für Atemwege Gewebe für ein solches Modell. Hier beschreiben wir die Generation eines dreidimensionalen Sphäroid-Modells von CFTR-Funktion und Modulation mit primären HNEs. HNEs sind isoliert von Themen in einem minimal-invasiven Mode, bedingte Neuprogrammierung Bedingungen ausgebaut und in die Kultur der Sphäroid ausgesät. Innerhalb von 2 Wochen nach der Aussaat Sphäroid Kulturen erzeugen HNE Sphäroide, die mit 3′, 5′-zyklische Adenosin Monophosphate (cAMP) gefördert werden können-Generierung von Agonisten CFTR-Funktion zu aktivieren. Sphäroid Schwellung wird dann als Proxy CFTR-Aktivität quantifiziert. HNE Sphäroide profitieren Sie von der minimal-invasiven noch Atemwege Ursprung der nasale Zellen um eine zugängliche, personalisierte Modell auf ein Epithel reflektieren Krankheit Morbidität und Mortalität zu erzeugen. Im Vergleich zu den Air-Liquid-Schnittstelle HNE Kulturen, sind Sphäroide relativ schnell zu Reifen, wodurch die Gesamtrate der Kontamination. In seiner jetzigen Form wird das Modell durch niedrigen Durchsatz begrenzt, obwohl dies durch die relative Leichtigkeit der Gewebe Erwerb ausgeglichen. HNE Sphäroide können verwendet werden, um zuverlässig zu quantifizieren und zu charakterisieren, CFTR-Aktivität auf der individuellen Ebene. Eine laufende Studie, binden diese Quantifizierung in Vivo Medikament Antwort bestimmt, ob HNE Sphäroide sind eine wahre präklinischen Prädiktor für die geduldige Beantwortung CFTR-Modulation.
Introduction
Cystische Fibrose (CF) ist eine fatale, autosomal rezessive Erkrankung, die mehr als 70.000 Menschen weltweit1. Diese lebensverkürzende genetische Krankheit verursacht durch Mutationen in der Cystic Fibrosis Transmembrane Leitwert Regler Protein (CFTR)2. CFTR ist Mitglied der Adenosintriphosphat-bindende Kassette Familie und Funktionen als einen Ionenkanal, so dass Bewegung von Chlorid und Bikarbonat über den apikalen Membranen mehrere polarisierte Epithelien einschließlich Magen-Darm-Trakt, Schweißdrüsen, und der Atemwege Baum, unter anderem3,4. Als solche führt dysfunktionalen CFTR zu multisystemischen epitheliale Dysfunktion, mit den meisten Sterblichkeit infolge der Erkrankung der Atemwege-1. In der CF-Lunge, Verlust von CFTR-driven Atemwege Oberfläche flüssig (ASL) Regulierung und Schleim Freisetzung führt zu verdickten Schleim, Atemwegsobstruktion, chronische Infektion und progressive Atemwege Umbau und der Lunge Funktion1,5.
Trotz der Identifizierung der CFTR-Dysfunktion als Ursache der Krankheit Therapien in CF traditionsgemäß auf Milderung der Symptome (z.B., Pankreas-Enzym-Ersatz-Therapie, Atemwege Abstand Therapien)1konzentriert. Dieser Ansatz wurde vor kurzem durch das Aufkommen neuer Therapeutika, genannt “CFTR-Modulatoren,”, die auf direkt dysfunktionalen CFTR revolutioniert. Dieser Ansatz hat verlagerte sich die klinischen Landschaft von Symptom-Management, Disease modifying Pflege aber trägt mehrere Einschränkungen6,7,8,9,10. Modulator-Aktivität ist spezifisch für die Protein-Mangel begleiten jede CFTR-Mutation und beschränkt sich auf genetische Populationen11wählen. Diese Einschränkung wird durch die Heterogenität der Protein-Mängel, sondern auch durch die Unmöglichkeit von klinischen Studien in seltenen Mutation Gruppen Gefahren. Darüber hinaus gibt es unter Patienten mit gut untersuchte Genotypen (z.B.F508del/F508del CFTR die häufigsten CFTR-Mutation), große Variabilität in Krankheit Belastung und Modulator Antwort6,7,8 ,9,11.
Um diese beiden Probleme zu überwinden, haben die Ermittler die Verwendung von personalisierten Modelle für präklinische Tests12vorgeschlagen. Dieses Konzept nutzt Patienten-spezifischen Gewebe erzeugen eine individualisierte ex Vivo -Modell-System für zusammengesetzte testen, Vorhersage in Vivo Thema Antwort auf Therapien auf individuelle Weise. Nach der Validierung, könnte ein solches Modell von Ärzten zu Laufwerk Präzision Therapie unabhängig von der zugrunde liegenden CFTR-Genotyp des Patienten verwendet werden.
Menschlichen Bronchien (HBE) Epithelzellen Explant Gewebe entnommen, zum Zeitpunkt der Lungentransplantation etabliert die Möglichkeit eines solchen Modells für CF13,14. HBEs angebaut an ein Air-Liquid-Schnittstelle (ALI) ermöglichen funktionelle CFTR-Quantifizierung direkt durch elektrophysiologische Tests oder indirekt durch Maßnahmen der ASL Homöostase13,15. Dieses Modell ist für das Verständnis von CFTR-Biologie kritisch gewesen und war ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung von CFTR-Modulatoren16. HBE-Modelle sind leider nicht haltbar als personalisierte Modell durch die invasive Art des Erwerbs (Lungen-Transplantation oder bronchiale Bürsten) und Mangel an Proben für Menschen mit seltenen Mutationen oder mildem Krankheitsverlauf. Im Gegensatz dazu Darmgewebe, rektale oder Zwölffingerdarm Gewebeproben entnommen Darm Strommessung (ICM) oder eine Schwellung-basierte organoide Assay einsetzbar für individualisierte CFTR-Funktion17,18, zu studieren 19. organoide Assays, insbesondere sind sehr sensible Modelle von CFTR-Aktivität20,21,22. Beide Modelle sind durch die Gewebe-Quelle (Darmgewebe, während die meisten Krankheit Pathologie Atemwege ist) und die semi-invasive Methode der Erwerb begrenzt. Alternativ haben einige Forscher menschliche Nase (HNE) Epithelzellen, Modell CFTR Restaurierung23,24,25untersucht. HNEs mit Pinsel oder Kürettage bei Patienten jeden Alters sicher geerntet werden kann und wenn ALI, kultiviert rekapitulieren viele Merkmale des HBEs25,26,27,28. HNE Monolayer-Kulturen haben traditionell durch Plattenepithel Transformation und lange Reife29begrenzt. Darüber hinaus berichtet Kurzschluss Strommessungen im HNEs sind kleiner als die in HBEs, was auf ein kleineres Fenster um therapeutische Wirksamkeit25zu erkennen.
Angesichts der Notwendigkeit für eine persönliche, nicht-invasive, Atemwege Gewebekultur-Modell des CFTR-Funktion, haben wir versucht, die Empfindlichkeit eines Schwellung basierende organoide Assays mit nicht-invasiv und Atemwege Artder HNEs zusammenführen. Hier beschreiben wir unsere Methode 3-dimensionale “Sphäroid” Kulturen der HNEs für individualisierte CFTR-Studie in einer Schwellung basierende Assays30zu erzeugen. HNE Sphäroide polarisieren zuverlässig mit der epithelialen Spitze in Richtung Mitte der Kugel oder Lumen. Dieses Modell zahlreiche Merkmale eine geringere respiratorische Epithel rekapituliert und reift schneller als ALI Kulturen. Als eine funktionelle Assay quantifizieren HNE Sphäroide zuverlässig eine Palette von CFTR-Funktion sowie die Modulation in gut untersuchte Mutation Gruppen (z. B.F508del CFTR). Diese Schwellung basierende Assays nutzt die Ion/Salz Transporteigenschaften von CFTR, indirekt messende Flüssigkeit Zustrom in den Sphäroid, wie Wasser apikalen Salz Efflux folgt. Auf diese Weise anschwellen angeregt Sphäroide mit voll funktionsfähigen CFTR robust, während diejenigen mit dysfunktionalen CFTR weniger anschwellen oder schrumpfen. Dies wird durch Bildanalyse von Pre quantifiziert und 1 h nach Stimulation Sphäroide, luminalen Messfläche und Bestimmung der Prozent ändern. Diese Maßnahme kann dann über experimentelle Gruppen zum Bildschirm für die Droge Bioaktivität in Patienten-spezifischen Weise verglichen werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt die Generation des Patienten abgeleitet nasale Sphäroid Zellkulturen in der Lage, eine individuelle, spezifische Modell der CFTR-Funktion zu produzieren. Es gibt mehrere wichtige Schritte im Prozess, der eng anwesend sein sollten, um Schwierigkeiten zu vermeiden. Zunächst ist eine gute Probe Akquisition von der Nase des Patienten. Eine gute Probe hätte > 50.000 Zellen begrenzt Schleim/Schutt, und seien Sie bereit für die Verarbeitung innerhalb von 4 h (wenn auch Erfolg mit Übernachtung au…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von Cystic Fibrosis Foundation Therapeutics, Zahl CLANCY14XX0 zu gewähren und durch Cystic Fibrosis Foundation, Gewährungsnummer CLANCY15R0. Die Autoren danken Kristina Ray für ihre Unterstützung bei der Rekrutierung von Patienten und Beaufsichtigung. Die Autoren möchte auch HNE Arbeitsgruppe, unterstützt durch die Cystic Fibrosis Foundation, die Generation von HNE Kultur Funktionen unterstützt: Preston Bratcher, Calvin Cotton, Martina Gentzsch, Elizabeth Joseloff, Michael Myerburg, Dave Nichols Scott Randell, Steve Rowe, G. Marty Solomon und Katherine Tuggle.
Materials
| 1.5 mL Eppendorf Tube | USA Scientific | 4036-3204 | |
| 150 mL Filter Flask | Midsci | TP99150 | To filter Media |
| 15 mL Conical Tube | Midsci | TP91015 | |
| 1 L Filter Flask | Midsci | TP99950 | To filter Media |
| 35 mm Glass-Bottom Dish | MatTek Corporation | P35G-0-20-C | Optional |
| 3-Isobutyl-1-Methylxanthine (IBMX) | Fisher Scientific | AC228420010 | Prepare a 100 mM stock solution of 22.0 mg in 1 mL of DMSO |
| 50 mL Conical Tube | Midsci | TP91050 | |
| Accutase | Innovative Cell Technologies, Inc. | AT-104 | Cell detachment solution |
| Adenine | Sigma-Aldrich | A2786-25G | See Table 1 |
| Amphotericin B | Sigma-Aldrich | A9528-100MG | See Table 1 |
| Bovine Brain Extract (9mg/mL) | Lonza | CC-4098 | See Table 2 |
| Ceftazidime hydrate | Sigma-Aldrich | C3809-1G | See Table 1 |
| Cell Scrapers 20 cm | Midsci | TP99010 | |
| CFTR Inh172 | Tocris Bioscience | 3430 | Prepare a 10 mM stock solution of 4.0 mg in 1 mL of DMSO |
| Cholera Toxin B (From Vibrio cholerae) | Sigma-Aldrich | C8052-.5MG | See Table 1 |
| CYB-1 | Medical Packaging Corporation | CYB-1 | Cytology brush |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D5879-500ML | |
| Dulbecco's Modified Eagle Media (DMEM)/F12 Hepes | Life Technologies | 11330-057 | Base Medium; See Tables 1 and 2 |
| Epidermal Growth Factor (Recombinant Human Protein, Animal-Origin Free) | Thermo Fisher Scientific | PHG6045 | See Table 1 |
| Epinephrine | Sigma-Aldrich | E4250-1G | See Table 2 |
| Ethanol | Fisher Scientific | 2701 | |
| Ethanolamine | Sigma-Aldrich | E0135-500ML | 16.6 mM solution; See Table 2 |
| Ethylenediaminetetraacetic Acid (EDTA) | TCI America | E0084 | |
| Fetal Bovine Serum (high performance FBS) | Invitrogen | 10082147 | See Table 1 |
| Forskolin | Sigma-Aldrich | F6886-50 | Prepare a 10 mM stock solution of 4.1 mg in 1 mL of DMSO |
| Growth Factor-Reduced Matrigel | Corning, Inc. | 356231 | Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, Phenol Red-Free, LDEV-Free, 10 mL. |
| Hemacytometer | Hausser Scientific | 1483 | |
| Human Collagen Solution, Type I (VitroCol; 3 mg/mL) | Advanced BioMatrix | 5007-A | Collagen solution |
| HyClone (aka FetalClone II) | GE Healthcare | SH30066.03HI | See Table 2 |
| Hydrocortisone | StemCell Technologies | 07904 | See Tables 1 and 2 |
| Insulin, human recombinant, zinc solution | Life Technologies | 12585014 | 4 mg/mL solution; see Table 2 |
| IVF 4-Well Dish, Non-treated | NUNC (via Fisher Scientific) | 12566350 | 4-well plate for spheroids; similar well size to a 24-well plate |
| MEF-CF1-IRR | Globalstem | GSC-6001G | Irradiated murine embryonic fibroblasts |
| Metamorph 7.7 | Molecular Devices | Analysis Software; https://www.moleculardevices.com/systems/metamorph-research-imaging/metamorph-microscopy-automation-and-image-analysis-software for a quote | |
| Olympus IX51 Inverted Microscope | Olympus Corporation | Discontinued | Imaging Microscope. Replacment: Olympus IX53, https://www.olympus-lifescience.com/pt/microscopes/inverted/ix53/ for a quote |
| Pen Strep | Life Technologies | 15140122 | See Table 2 |
| Phsophoryletheanolamine | Sigma-Aldrich | P0503-5G | See Table 2 |
| Retinoic Acid | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | See Table 2 |
| Rhinoprobe | Arlington Scientific, Inc. | 96-0905 | Nasal curette |
| Slidebook 5.5 | 3i, Intelligent Imaging Innovations | Discontinued | Imaging Software. Replacement: Slidebook 6, https://www.intelligent-imaging.com/slidebook for a quote |
| Sterile Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 20012050 | |
| Sterile Water | Sigma-Aldrich | W3500-6X500ML | |
| Tissue Culture Dish 100 | Techno Plastic Products | 93100 | Tissue culture dish for expansion |
| Tobramycin | Sigma-Aldrich | T4014-100MG | See Table 1 |
| Transferrin (Human Transferrin 0.5 mL) | Lonza | CC-4205 | See Table 2 |
| Triiodothryonine | Sigma-Aldrich | T6397-1G | 3,3′,5-Triiodo-L-thyronine sodium salt [T3]; See Table 2 |
| Trypsin from Porcine Pancreas | Sigma-Aldrich | T4799-10G | |
| Ultroser-G | Crescent Chemical (via Fisher Scientific) | NC0393024 | 20 mL lypophilized powder; See Table 2 |
| Vancomycin hydrochloride from Streptomyces orientalis | Sigma-Aldrich | V2002-5G | See Table 1 |
| VX770 | Selleck Chemicals | S1144 | Prepare a 1 mM stock solution of 0.4 mg in 1 mL of DMSO |
| VX809 | Selleck Chemicals | S1565 | Purchase or prepare a 10 mM stock solution of 4.5 mg in 1 mL of DMSO |
| Y-27632 Dihydrochloride ROCK inhibitor | Enzo LifeSciences | ALX-270-333-M025 | See Table 1 |
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