Dit protocol beschrijft nasale epitheelcelverzameling, uitbreiding en differentiatie naar organotypische luchtwegepitheelcelmodellen en kwantificering van de trilharenslagfrequentie via live-cell imaging en op maat gemaakte scripts.
Metingen van de trilhaarfunctie (slagfrequentie, patroon) zijn vastgesteld als diagnostische hulpmiddelen voor aandoeningen van de luchtwegen, zoals primaire ciliaire dyskinesie. De bredere toepassing van deze technieken wordt echter beperkt door de extreme gevoeligheid van de ciliaire functie voor veranderingen in omgevingsfactoren, zoals temperatuur, vochtigheid en pH. In de luchtwegen van patiënten met Cystic Fibrosis (CF) belemmert slijmaccumulatie het kloppen van trilharen. De Cilia-functie is onderzocht in primaire luchtwegcelmodellen als een indicator van CF Transmembrane conductance Regulator (CFTR) kanaalactiviteit. Er is echter een aanzienlijke variabiliteit van patiënt tot patiënt in de frequentie van trilharen gevonden als reactie op CFTR-modulerende geneesmiddelen, zelfs voor patiënten met dezelfde CFTR-mutaties . Bovendien is de impact van disfunctionele CFTR-gereguleerde chloridesecretie op de ciliaire functie slecht begrepen. Er is momenteel geen uitgebreid protocol dat de monstervoorbereiding van in vitro luchtwegmodellen, beeldacquisitie en analyse van Cilia Beat Frequency (CBF) demonstreert. Gestandaardiseerde kweekomstandigheden en beeldacquisitie uitgevoerd in een milieugecontroleerde toestand zouden een consistente, reproduceerbare kwantificering van CBF tussen individuen en in reactie op CFTR-modulerende geneesmiddelen mogelijk maken. Dit protocol beschrijft de kwantificering van CBF in drie verschillende luchtwegepitheelcelmodelsystemen: 1) native epithelial sheets, 2) lucht-vloeistof interfacemodellen afgebeeld op permeabele steuninzetstukken, en 3) extracellulaire matrix-ingebedde driedimensionale organoïden. De laatste twee repliceren in vivo longfysiologie, met kloppende trilharen en productie van slijm. De ciliaire functie wordt vastgelegd met behulp van een hogesnelheidsvideocamera in een omgevingsgestuurde kamer. Voor de analyse van CBF worden op maat gemaakte scripts gebruikt. Vertaling van CBF-metingen naar de kliniek is bedoeld als een belangrijk klinisch hulpmiddel voor het voorspellen van de respons op CFTR-modulerende geneesmiddelen per patiënt.
Metingen van Cilia Beat Frequency (CBF) en patroon zijn vastgesteld als diagnostische hulpmiddelen voor respiratoire aandoeningen zoals primaire ciliaire dyskinesie (PCD)1. Bij Cystic Fibrosis (CF) veroorzaakt disfunctie van het CF Transmembraangeleidingsregulator (CFTR) chloridekanaal uitdroging van de luchtwegoppervlakvloeistof en verminderde mucociliaire klaring2. De ciliaire functie is in vitro onderzocht in primaire luchtwegcelmodellen als indicator voor CFTR-kanaalactiviteit3. Er bestaat echter een aanzienlijke variabiliteit van patiënt tot patiënt in CBF als reactie op CFTR-modulerende geneesmiddelen, zelfs voor patiënten met dezelfde CFTR-mutaties 3. Bovendien is de impact van disfunctionele CFTR-gereguleerde chloridesecretie op de ciliaire functie slecht begrepen. Er is momenteel geen uitgebreid protocol dat de monstervoorbereiding van in vitro luchtwegmodellen, beeldacquisitie en analyse van CBF aantoont.
Nasale epitheliale platen geïsoleerd van nasale mucosale borstelingen worden direct gebruikt voor metingen van de ciliaire functie voor PCD-diagnose4. Hoewel er geen controle is over de grootte of kwaliteit van de verkregen nasale epitheliale vellen, varieert CBF afhankelijk van of het wordt gemeten op enkele cellen of celbladen en op epitheelplaat trilhaarranden die verstoord of ongestoord zijn5. Als zodanig kan secundaire dyskinesieën veroorzaakt door schade aan cellen tijdens het verzamelen van neusslijmvliesborstels CBF beïnvloeden. Primaire celkweek van nasale epitheelcellen en hun differentiatie bij Air-Liquid Interface (ALI) of in driedimensionale keldermembraanmatrix in trilhaarepepitheelorganoïden geven aanleiding tot trilhaartjes die vrij zijn van secundaire dyskinesieën 4,6,7,8. Luchtwegepitheelcellen gedifferentieerd bij ALI (voortaan ALI-modellen genoemd) worden beschouwd als een belangrijk secundair diagnostisch hulpmiddel dat de ciliaire slagpatronen en frequentie van ex vivo neusslijmvliesborstelsrepliceert 6 en analyse van ciliaire ultrastructuur, beatpatroon en slagfrequentie mogelijk maakt met behoud van patiëntspecifieke defecten9 . Toch bestaan er discrepanties in de methodologieën die worden gebruikt om deze pseudostratified, mucociliair gedifferentieerde celmodellen te maken. Verschillende kweekuitbreidings- of differentiatieprotocollen kunnen verschillende epitheliale fenotypen (trilhaar of secretoir)10 induceren en resulteren in significante verschillen in CBF11. CBF is gekwantificeerd in nasale epitheliale borstels 4,6,12,13,14,15,16, luchtwegepitheel organoïden 14,17,18 en ALI modellen 3,4,6,13,19,20, 21. Toch zijn er onder deze protocollen grote variabiliteiten en vaak worden veel parameters niet gecontroleerd. In sommige studies wordt CBF bijvoorbeeld in situ afgebeeld terwijl de cellen van het ALI-model op de permeabele steuninzet 3,19,20,21 blijven, terwijl anderen de cellen van de permeabele steuninzet schrapen en ze in media 4,6,13 ophangen.
Bovendien wordt de bredere toepassing van technieken die de ciliaire functie meten beperkt door de extreme gevoeligheid van de ciliaire functie voor veranderingen in omgevingsfactoren. Omgevingsfactoren zoals temperatuur22,vochtigheid 23,24 en pH25,26 beïnvloeden de ciliaire functie en moeten worden gereguleerd om CBF nauwkeurig te kwantificeren. De verschillende fysiologische parameters die in verschillende laboratoria worden gebruikt en hoe ze CBF beïnvloeden, zijn eerder beoordeeld27.
Verschillende beeldvormingstechnologieën en benaderingen van CBF-metingen worden gerapporteerd in de literatuur. Voor PCD-diagnostiek wordt videomicroscopie gebruikt om ciliaire functie28,29 te meten. Onlangs werd een video-analysealgoritme op basis van differentiële dynamische microscopie gebruikt om zowel CBF- als cilia-coördinatie in luchtwegepitheelcel ALI-modellen 3,30 te kwantificeren. Deze methode maakt de karakterisering van ciliaire kloppen in luchtwegepitheelcellen op een snelle en volledig geautomatiseerde manier mogelijk, zonder de noodzaak om regio’s te segmenteren of te selecteren. Verschillende methoden voor beeldvorming en kwantificering van CBF kunnen bijdragen aan de verschillen die in cbf in de literatuur worden gerapporteerd (aanvullend dossier 1).
Een protocol van cultuur tot kwantificering om bestaande methoden, standaardisatie van cultuuromstandigheden en beeldacquisitie te stroomlijnen, uitgevoerd in strikte milieugecontroleerde omstandigheden, zou een consistente, reproduceerbare kwantificering van CBF binnen en tussen individuen mogelijk maken.
Dit protocol biedt een volledige beschrijving van de verzameling epitheelcellen, expansie- en differentiatiecultuuromstandigheden en kwantificering van CBF in drie verschillende luchtwegepitheelcelmodelsystemen van nasale oorsprong: 1) inheemse epitheelbladen, 2) ALI-modellen afgebeeld op permeabele steuninzetstukken en 3) Extracellulaire Matrix (ECM)-ingebedde driedimensionale organoïden (figuur 1) ). Nasale epitheelcellen verkregen uit nasale inferieure turbinaatborstels worden gebruikt als vertegenwoordigers van het luchtwegepitheel, omdat ze een effectief surrogaat zijn voor bronchiale epitheelcellen31 terwijl ze de invasieve procedure overwinnen die gepaard gaat met het verzamelen van bronchiale borstels. De Conditional Reprogramming Cell (CRC) methode wordt gebruikt om primaire luchtwegepitheelcellen uit te breiden voor het maken van ALI-modellen en driedimensionale organoïden. Voorwaardelijke herprogrammering van luchtwegepitheelcellen tot een stamcelachtige toestand wordt geïnduceerd door cocultuur met groei-gestopt fibroblast feedercelsysteem en Rho-associated kinase (ROCK) -remmer32. Belangrijk is dat de CRC-methode de bevolking verdubbelt in luchtwegepitheelcellen met behoud van hun weefselspecifieke differentiatiepotentieel33,34. In alle luchtwegepitheelcelmodellen wordt de ciliaire functie vastgelegd in een temperatuurgecontroleerde kamer met behulp van een hogesnelheidsvideocamera met gestandaardiseerde beeldacquisitie-instellingen. Op maat gemaakte scripts worden gebruikt voor de kwantificering van CBF.
Figuur 1: Schema van de workflow. Na het borstelen van het nasale inferieure turbinaat van de deelnemers, worden luchtwegepitheelcellen op twee manieren gebruikt. Ofwel worden luchtwegepitheelbladen geïsoleerd en de trilhaartjes worden onmiddellijk in beeld gebracht, ofwel worden luchtwegepitheelcellen uitgebreid via de voorwaardelijke herprogrammeringscelmethode. CRC-geëxpandeerde luchtwegepitheelcellen worden gedifferentieerd om luchtwegepitheelcellen vast te stellen op een lucht-vloeistof interface of luchtepitheel organoïde culturen. Beeldvorming van de ciliaire beatfrequentie wordt verkregen met behulp van een live-cell imaging microscoop met een verwarmings- en vochtigheidsomgevingskamer en een wetenschappelijke camera met snelle framesnelheid (>100Hz). Gegevensanalyse wordt uitgevoerd met behulp van op maat gemaakte scripts. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Er zijn meerdere factoren die de kwantificering van CBF in nasale epitheliale vellen kunnen verdoezelen. Epitheliale vellen moeten binnen 3-9 uur na het verzamelen van monsters worden afgebeeld, omdat de ciliaire functie gedurende deze tijd het meest stabiel is37. Minder rode bloedcellen en puin zijn het meest optimaal voor beeldvorming, omdat deze interfereren met data-acquisitie. Bij het selecteren van een ROI voor beeldvorming is het belangrijk om een epithelial sheet te selecteren waarvan is a…
The authors have nothing to disclose.
We bedanken de deelnemers aan het onderzoek en hun families voor hun bijdragen. We waarderen de hulp van sydney children’s hospitals (SCH) Randwick respiratoire afdeling bij de organisatie en verzameling van patiënt biospecimens – speciale dank aan Dr. John Widger, Dr. Yvonne Belessis, Leanne Plush, Amanda Thompson en Rhonda Bell. We erkennen de hulp van Iveta Slapetova en Renee Whan van de Katharina Gaus Light Microscopy Facility binnen het Mark Wainwright Analytical Centre in UNSW Sydney. Dit werk wordt ondersteund door de National Health and Medical Research Council (NHMRC) Australia (GNT1188987), CF Foundation Australia en Sydney Children’s Hospital Foundation. De auteurs willen Luminesce Alliance – Innovation for Children’s Health bedanken voor haar bijdrage en ondersteuning. Luminesce Alliance – Innovation for Children’s Health is een non-profit samenwerkingsverbanden tussen het Sydney Children’s Hospitals Network, het Children’s Medical Research Institute en het Children’s Cancer Institute. Het is opgericht met de steun van de NSW-regering om pediatrisch onderzoek te coördineren en te integreren. Luminesce Alliance is ook verbonden aan de Universiteit van Sydney en de Universiteit van New South Wales Sydney. KMA wordt ondersteund door een Australian Government Research Training Program Scholarship. LKF wordt ondersteund door de Rotary Club of Sydney Cove / Sydney Children’s Hospital Foundation en UNSW University postdoctorale beurzen.
Adenine | Sigma-Aldrich | A2786 | 10 mg/mL |
Advanced DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12634-010 | |
Alanyl-glutamine | Sigma-Aldrich | G8541 | 200 mM |
Andor Zyla 4.2 sCMOS | Oxford Instruments | Fast frame rate (>100 Hz) scientific camera | |
Bottle-top vacuum filter system | Sigma-Aldrich | CLS431098 | |
Ceftazidime hydrate | Sigma-Aldrich | A6987 | 50 mg/mL |
Cell Culture Microscope | Olympus | CKX53 | |
CFI S Plan Fluor ELWD 20XC | Nikon Instruments Inc. | MRH08230 | Long working distance objective lens. NA0.45 WD 8.2-6.9 |
Cholera toxin | Sigma-Aldrich | C8052-1MG | 200 µg/mL |
Corning Gel Strainer 40 UM | Sigma-Aldrich | CLS431750 | Pore size 40 μm |
Corning Matrigel Matrix (Phenol red-free) | Corning | 356231 | Extracellular matrix (ECM) |
Corning bottle-top vacuum filter system | Sigma-Aldrich | CLS431098 | |
Corning CoolCell LX Cell Freezing Container | Sigma-Aldrich | CLS432002 | |
Corning Transwell polyester membrane cell culture inserts | Sigma-Aldrich | CLS3470 | Permeable support inserts. 6.5 mm Transwell with 0.4 μm pore polyester membrane insert. |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Thermo Fisher Scientific | C10228 | |
Countess II Automated Cell Counter | ThermoFisher Scientific | AMQAX1000 | Automated cell counter |
Cytology brushes | McFarlane Medical | 33009 | |
DMEM/F12-Ham | Thermo Fisher Scientific | 11330032 | |
DMEM/F12-Ham | Thermo Fisher Scientific | 11330032 | |
DMEM-High Glucose | Thermo Fisher Scientific | 11965-092 | |
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Eclipse Ti2-E | Nikon | Live-cell imaging microscope. | |
Fetal Bovine Serum, certified, heat inactivated, United States | Thermo Fisher Scientific | 10082147 | |
Fungizone (Amphotericin B) | Thermo Fisher Scientific | 15290018 | 250 µg/mL |
Gentamicin solution | Sigma-Aldrich | G1397 | 50 mg/mL |
Graphpad Prism | Graphpad | Scientific analysis software | |
Greiner Cryo.s vials | Sigma-Aldrich | V3135 | Cryogenic vials |
HEPES solution | Sigma-Aldrich | H0887 | 1 M |
HI-FBS | Thermo Fisher Scientific | 10082-147 | |
Hydrocortisone | Sigma-Aldrich | H0888 | 3.6 mg/mL |
Incubator NL Ti2 BLACK 2000 | PeCon | Microscope environmental chamber. Allows warm air incubation and local CO2 and O2 gassing | |
Insulin | Sigma-Aldrich | I2643 | 2 mg/mL |
Lab Armor 74220 706 Waterless Bead Bath 6L | John Morris Group | 74220 706 | Bead bath |
Lab Armor Beads | Thermo Fisher Scientific | A1254302 | Thermal beads |
MATLAB | MathWorks | Computing software | |
Microsoft Excel | Microscoft | Spreadsheet software | |
NIH/3T3 | American Type Culture Collection | CRL-1658 | Irradiated NIH-3T3 mouse embryonic feeder cells |
NIS-Elements AR | Nikon Instruments Inc. | Image acquisition software | |
Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333 | 10,000 units penicillin and 10 mg streptomycin/mL |
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
PneumaCult Airway Organoid Kit | StemCell Technologies | 5060 | Airway Organoid Kit |
PneumaCult-ALI Medium | StemCell Technologies | 5001 | |
PneumaCult-Ex Plus Medium | StemCell Technologies | 5040 | |
PureCol-S | Advanced BioMatrix | 5015 | Type I Collagen solution |
ReagentPack Subculture Reagents | Lonza | CC-5034 | |
rhEGF (Epidermal Growth Factor, human) | Sigma-Aldrich | E9644 | 25 µg/mL |
Y-27632 2HCl (ROCK inhibitor) | Selleckchem | S1049 | 10 mM |
Tobramycin | Sigma-Aldrich | T4014 | 100 mg/mL |
Trypan blue solution | Sigma-Aldrich | T8154 | 0.4% |
UNO Stage Top Incubator | Okolab | Microscope incubator. Allows temperature, humidity and CO2 conditioning |