Generation av mänsklig Nasal epitelial Cell Spheroids för individualiserad cystisk fibros Transmembrane Conductance Regulator studie
Summary
Här beskriver vi en metod för att skapa tredimensionella sfäroid kulturer av mänskliga näsans epitelceller. Spheroids stimuleras då att köra cystisk fibros Transmembrane Conductance Regulator (CFTR)-beroende ion och vätska sekretion, kvantifiera förändringen i sfäroid luminala storleken som en proxy för CFTR funktion.
Abstract
Medan införandet av cystisk fibros Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) modulator läkemedel har revolutionerat vården i cystisk fibros (CF), har genotyp-riktad terapi modellen används för tillfället flera begränsningar. Första, sällsynta eller understudied mutation grupper utesluts från definitiva kliniska prövningar. Dessutom som ytterligare modulator läkemedel in på marknaden, kommer det bli svårt att optimera de modulator val för en individ betvingar. Båda dessa frågor behandlas med användning av patientderiverade, individualiserad prekliniska modellsystem av CFTR funktion och modulering. Mänskliga näsans epitelceller (HNEs) är en lättillgänglig källa av respiratoriska vävnad för en sådan modell. Häri, beskriver vi generationen av en tredimensionell sfäroid modell av CFTR funktion och modulering med primära HNEs. HNEs är isolerade från patienter i en minimalinvasiv mode, expanderat i villkorlig omplanering villkor, och seedade in i sfäroid kulturen. Inom 2 veckor efter sådd, generera sfäroid kulturer HNE spheroids som kan stimuleras med 3′, 5′-cykliskt adenosinmonofosfat (cAMP)-generera agonister till aktivera CFTR-funktionen. Sfäroid svullnad då kvantifieras som en proxy av CFTR aktivitet. HNE spheroids kapitalisera på minimalt invasiva, men respiratoriska beskärningen av näsans celler för att skapa en tillgänglig, personlig modell som är relevanta för epitel återspeglar sjukdom sjuklighet och dödlighet. Jämfört med luft-vätska gränssnitt HNE kulturerna, är spheroids relativt snabba att mogna, vilket minskar den totala förorening frekvensen. I sin nuvarande form begränsas modellen av låg genomströmning, men detta uppvägs av den relativa lätthet av vävnad förvärv. HNE spheroids kan användas för att tillförlitligt mäta och karaktärisera CFTR aktivitet på individnivå. En pågående studie att knyta denna kvantifiering i vivo drug svar avgör om HNE spheroids är en sann prekliniska prediktor av patientens reaktion på CFTR modulering.
Introduction
Cystisk fibros (CF) är en dödlig, autosomalt recessiv sjukdom som drabbar över 70.000 människor världen över1. Detta liv-förkortare genetisk sjukdom orsakas av mutationer i cystisk fibros Transmembrane conductance Regulator (CFTR) protein2. CFTR är medlem av adenosintrifosfat-bindande kassett familj och funktioner som en jonkanal som tillåter rörelse av klorid och bikarbonat över de apikala membran av flera polariserade epitel inklusive mag-tarmkanalen, svett körtel, och respiratoriska träd, bland annat3,4. Som sådan, leder dysfunktionella CFTR till multisystem epitelial dysfunktion, med de flesta dödlighet som härrör från respiratorisk sjukdom1. I CF lungan, CFTR-driven airway surface flytande (ASL) förordning och slem release leder till förtjockade slem, luftvägsobstruktion, kronisk infektion, och progressiva luftvägarna remodeling och förlust av lung funktion1,5.
Trots identifiering av CFTR dysfunktion som orsak till sjukdom, behandlingar i CF traditionellt fokuserat på lindring av symtom (t.ex., pankreas enzymersättningsbehandling, luftvägarna clearance terapier)1. Detta tillvägagångssätt var nyligen revolutionerat genom tillkomsten av nya behandlingar, kallas ”CFTR modulatorer”, som är direkt riktade till dysfunktionella CFTR. Detta tillvägagångssätt har skiftat kliniska landskapet från symptom management till sjukdomsmodifierande hand men bär flera begränsningar6,7,8,9,10. Modulator aktivitet är specifika för protein defekten medföljer varje mutation i CFTR och begränsad till Välj genetiska populationer11. Denna begränsning är driven av den heterogena karaktären av protein defekter, men också av ogenomförlig prövningar i sällsynta mutationen grupper. Bland patienter med väl studerat genotyper (t.ex., F508del/F508del CFTR, den vanligaste mutationen i CFTR), är det dessutom brett variabilitet i sjukdom börda och modulator svar6,7,8 ,9,11.
För att lösa båda dessa problem, har utredare föreslagit användning av anpassade modeller för prekliniska test12. Detta koncept använder tredjeparts patientspecifika vävnad för att generera en individualiserad ex vivo modellsystem för sammansatta testning, förutsäga i vivo ämne svar till behandlingar på ett personligt sätt. När validerat, skulle en sådan modell kunna användas av vårdpersonal att driva precision behandling oavsett patientens underliggande CFTR genotyp.
Humana bronkial (HBE) epitelceller erhållits från explant vävnad vid tidpunkten för lungtransplantation etablerade möjligheten av en sådan modell för CF13,14. HBEs odlas på ett luft-vätska gränssnitt (ALI) möjliggör funktionella CFTR kvantifiering direkt genom Elektrofysiologisk testning eller indirekt genom åtgärder av ASL homeostas13,15. Denna modell har varit kritiska till att förstå CFTR biologi och var en viktig drivkraft i utvecklingen av CFTR modulatorer16. HBE modeller är tyvärr inte hållbart som en personlig modell på grund av förvärvet (lungtransplantation eller bronkial borstning) invasiva karaktär och avsaknaden av prover för dem med sällsynta mutationer eller mild sjukdom. Omvänt, Tarmvävnaden, erhållits från rektal eller duodenal biopsi exemplar, kan användas för intestinal strömmätning (ICM) eller en svullnad-baserade organoid analysen för att studera individualiserad CFTR funktion17,18, 19. Organoid analyser, i synnerhet, är mycket känsliga modeller av CFTR aktivitet20,21,22. Båda modellerna är begränsade av vävnad källan (Tarmvävnaden, medan de flesta sjukdom patologi är luftvägarna) och semi invasiva metoden för förvärvet. Alternativt, flera utredare har studerat människors nasal (HNE) epitelceller till modell CFTR restaurering23,24,25. HNEs säkert kan skördas med pensel eller skrapning hos patienter i alla åldrar, och när odlade i ALI, sammanfatta många kännetecken av HBEs25,26,27,28. HNE enskiktslager kulturer har traditionellt varit begränsad av skivepitelcancer transformation och en lång tid till förfall29. Dessutom rapporterade kortslutning aktuella mätningar i HNEs är mindre än de i HBEs, vilket tyder på ett mindre fönster för att upptäcka terapeutisk effekt25.
Med tanke på behovet av en personlig, icke-invasiv, respiratoriska vävnadsodling modell av CFTR funktion, försökt vi sammanfoga en svullnad-baserade, organoid analysens känslighet med icke-invasiv och respiratoriska beskaffenhet HNEs. Här beskriver vi vår metod för att generera 3-dimensionell ”sfäroid” kulturer av HNEs för individualiserad CFTR studie i en svullnad-baserad analys30. HNE spheroids polarisera tillförlitligt med epitelial spetsen mot sfär center, eller lumen. Denna modell recapitulates talrika kännetecken av en lägre respiratoriska epitel och mognar snabbare än ALI kulturer. Som en funktionell analys kvantifiera HNE spheroids tillförlitligt ett utbud av CFTR funktion, liksom modulering i väl studerat mutation grupper (t.ex., F508del CFTR). Denna svullnad-baserad analys kapitaliserar på egenskaperna ion/salt transport av CFTR, indirekt mäta vätska tillströmningen till sfäroid som vattnet följer apikala salt efflux. På detta sätt svälla stimuleras spheroids med fullt fungerande CFTR kraftfullt, medan de med dysfunktionella CFTR mindre svälla eller krympa. Detta kvantifieras genom bildanalys av före och 1 h efter stimulering spheroids, mäta luminala område och fastställa procent ändra. Denna åtgärd kan sedan jämföras över experimentella grupper till skärmen för drogen bioaktivitet i en patient-specifika mode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det här protokollet beskriver generationen av patientderiverade nasal sfäroid cellkulturer kunna producera en individualiserad, specifika modell av CFTR funktion. Det finns flera viktiga steg i den process som skall bevistas noga för att undvika svårigheter. Först är ett bra prov förvärv från patientens näsa. Ett bra prov bör ha > 50.000 celler, begränsad slem/skräp, och vara redo för bearbetning inom 4 h (även framgång är också enkelt kan uppnås med övernattning frakt på isen). Praktiken förvärva …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av cystisk fibros Foundation Therapeutics, bevilja nummer CLANCY14XX0 och genom cystisk fibros Foundation, tilldela CLANCY15R0. Författarna vill tacka Kristina Ray för hennes hjälp i Patientrekrytering och tillsyn. Författarna vill även tacka arbetsgruppen HNE stöds av stiftelsen cystisk fibros, som assisterade i generation av HNE kultur kapacitet: Preston Bratcher, Martina Gentzsch, Michael Myerburg, Elizabeth Joseloff, Calvin Cotton, Dave Nichols, Scott Randell, Steve Rowe, G. Marty Solomon och 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 |
References
- Rowe, S. M., Miller, S., Sorscher, E. J. Cystic fibrosis. N Engl J Med. 352 (19), 1992-2001 (2005).
- Rommens, J. M., et al. Identification of the cystic fibrosis gene: chromosome walking and jumping. Science. 245 (4922), 1059-1065 (1989).
- Anderson, M. P., et al. Nucleoside triphosphates are required to open the CFTR chloride channel. Cell. 67 (4), 775-784 (1991).
- Boucher, R. C. Human airway ion transport. Part one. Am J Respir Crit Care Med. 150 (1), 271-281 (1994).
- Ehre, C., Ridley, C., Thornton, D. J. Cystic fibrosis: an inherited disease affecting mucin-producing organs. Int J Biochem Cell Biol. 52, 136-145 (2014).
- Accurso, F. J., et al. Effect of VX-770 in persons with cystic fibrosis and the G551D-CFTR mutation. N Engl J Med. 363 (21), 1991-2003 (2010).
- De Boeck, K., et al. Efficacy and safety of ivacaftor in patients with cystic fibrosis and a non-G551D gating mutation. J Cyst Fibros. 13 (6), 674-680 (2014).
- Moss, R. B., et al. Efficacy and safety of ivacaftor in patients with cystic fibrosis who have an Arg117His-CFTR mutation: a double-blind, randomised controlled trial. Lancet Respir Med. 3 (7), 524-533 (2015).
- Wainwright, C. E., et al. Lumacaftor-Ivacaftor in Patients with Cystic Fibrosis Homozygous for Phe508del CFTR. N Engl J Med. , (2015).
- Brewington, J. J., McPhail, G. L., Clancy, J. P. Lumacaftor alone and combined with ivacaftor: preclinical and clinical trial experience of F508del CFTR correction. Expert Rev Respir Med. 10 (1), 5-17 (2016).
- . . CFTR2 Database. , (2017).
- Mou, H., Brazauskas, K., Rajagopal, J. Personalized medicine for cystic fibrosis: establishing human model systems. Pediatr Pulmonol. 50 Suppl 40, S14-S23 (2015).
- Randell, S. H., Fulcher, M. L., O’Neal, W., Olsen, J. C. Primary epithelial cell models for cystic fibrosis research. Methods Mol Biol. 742, 285-310 (2011).
- Whitcutt, M. J., Adler, K. B., Wu, R. A biphasic chamber system for maintaining polarity of differentiation of cultured respiratory tract epithelial cells. In Vitro Cell Dev Biol. 24 (5), 420-428 (1988).
- Worthington, E. N., Tarran, R. Methods for ASL measurements and mucus transport rates in cell cultures. Methods Mol Biol. 742, 77-92 (2011).
- Van Goor, F., et al. Correction of the F508del-CFTR protein processing defect in vitro by the investigational drug VX-809. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (46), 18843-18848 (2011).
- Hug, M. J., Tummler, B. Intestinal current measurements to diagnose cystic fibrosis. J Cyst Fibros. 3 Suppl 2, 157-158 (2004).
- van Barneveld, A., Stanke, F., Ballmann, M., Naim, H. Y., Tummler, B. Ex vivo biochemical analysis of CFTR in human rectal biopsies. Biochim Biophys Acta. 1762 (4), 393-397 (2006).
- Dekkers, J. F., et al. A functional CFTR assay using primary cystic fibrosis intestinal organoids. Nat Med. 19 (7), 939-945 (2013).
- Dekkers, J. F., et al. Optimal correction of distinct CFTR folding mutants in rectal cystic fibrosis organoids. Eur Respir J. 48 (2), 451-458 (2016).
- Dekkers, R., et al. A bioassay using intestinal organoids to measure CFTR modulators in human plasma. J Cyst Fibros. 14 (2), 178-181 (2015).
- Zomer-van Ommen, D. D., et al. Limited premature termination codon suppression by read-through agents in cystic fibrosis intestinal organoids. J Cyst Fibros. , (2015).
- Bridges, M. A., Walker, D. C., Davidson, A. G. Cystic fibrosis and control nasal epithelial cells harvested by a brushing procedure. In Vitro Cell Dev Biol. 27a (9), 684-686 (1991).
- Di Lullo, A. M., et al. An "ex vivo model" contributing to the diagnosis and evaluation of new drugs in cystic fibrosis. Acta Otorhinolaryngol Ital. 37 (3), 207-213 (2017).
- Pranke, I. M., et al. Correction of CFTR function in nasal epithelial cells from cystic fibrosis patients predicts improvement of respiratory function by CFTR modulators. Sci Rep. 7 (1), 7375 (2017).
- Devalia, J. L., Davies, R. J. Human nasal and bronchial epithelial cells in culture: an overview of their characteristics and function. Allergy Proc. 12 (2), 71-79 (1991).
- Devalia, J. L., Sapsford, R. J., Wells, C. W., Richman, P., Davies, R. J. Culture and comparison of human bronchial and nasal epithelial cells in vitro. Respir Med. 84 (4), 303-312 (1990).
- Thavagnanam, S., et al. Nasal epithelial cells can act as a physiological surrogate for paediatric asthma studies. PLoS One. 9 (1), e85802 (2014).
- Jorissen, M., Van der Schueren, B., Van den Berghe, H., Cassiman, J. J. The preservation and regeneration of cilia on human nasal epithelial cells cultured in vitro. Arch Otorhinolaryngol. 246 (5), 308-314 (1989).
- Brewington, J. J., et al. Detection of CFTR function and modulation in primary human nasal cell spheroids. J Cyst Fibros. , (2017).
- Sun, H., et al. Tgf-beta downregulation of distinct chloride channels in cystic fibrosis-affected epithelia. PLoS One. 9 (9), e106842 (2014).
- Boucher, R. C. Evidence for airway surface dehydration as the initiating event in CF airway disease. J Intern Med. 261 (1), 5-16 (2007).
