Создание органоидов из человеческих зубов в качестве мощного инструмента для механистических исследований и регенеративной терапии
Summary
Представлен протокол развития эпителиальных органоидных культур, начиная с зубов человека. Органоиды надежно расширяются и рекапитулируют эпителиальные стволовые клетки зуба, включая их способность дифференцировать амелобласты. Уникальная органоидная модель предоставляет многообещающий инструмент для изучения биологии зубов человека (стволовых клеток) с перспективами для зубо-регенеративных подходов.
Abstract
Зубы имеют ключевое значение в жизни не только для жевания пищи и речи, но и для психологического благополучия. Знаний о развитии зубов человека и биологии мало. В частности, мало что известно об эпителиальных стволовых клетках зуба и их функции. Нам удалось разработать новую органоидную модель, начиная с ткани человеческого зуба (то есть зубного фолликула, выделенного из удаленных зубов мудрости). Органоиды надежно и в долгосрочной перспективе расширяются и повторяют предложенный компартмент эпителиальных стволовых клеток человеческого зуба с точки зрения экспрессии маркеров, а также функциональной активности. В частности, органоиды способны разворачивать процесс дифференцировки амелобласта, происходящий in vivo во время амелогенеза. Эта уникальная органоидная модель предоставит мощный инструмент для изучения не только развития зубов человека, но и стоматологической патологии, и может проложить путь к регенеративной терапии зубов. Замена потерянных зубов биологическим зубом, основанным на этой новой органоидной модели, может стать привлекательной альтернативой нынешней стандартной имплантации синтетических материалов.
Introduction
Зубы играют важную роль в жевании пищи, речи и психологическом благополучии (самооценке). Зуб человека состоит из высокоминерализованных тканей различной плотности и твердости1. Зубная эмаль, основной компонент коронки зуба, является самой высокой минерализованной тканью в организме человека. Во время образования эмали (амелогенеза), когда развиваются зубы, зубные эпителиальные стволовые клетки (DESC) дифференцируются в эмалообразующие клетки (амелобласты). После образования эмаль редко восстанавливается или обновляется из-за апоптотической потери амелобластов в начале прорезывания зуба1. Восстановление поврежденной ткани эмали, вызванной травмой или бактериальным заболеванием, в настоящее время осуществляется с использованием синтетических материалов; тем не менее, они обеспокоены важными недостатками, такими как микроразрыв, нижняя остеоинтеграция и крепление, конечная продолжительность жизни и отсутствие полностью функционального ремонта2. Следовательно, прочная и надежная культура человеческих DESC, обладающих способностью генерировать амелобласты и потенциалом для производства минерализованной ткани, станет важным шагом вперед в области регенеративной области зубов.
Знания о фенотипе DESC человека и биологической функции скудны 3,4,5. Интересно, что DESC человеческих зубов были предложены для существования в остатках эпителиальных клеток Малассеза (ERM), клеточных кластерах, присутствующих в зубном фолликуле (DF), который окружает неразъединенные зубы и остается присутствующим в периодонтальной связке вокруг корня после прорезывания зуба1. Было обнаружено, что клетки ERM, культивируемые совместно с пульпой зуба, дифференцируются в амелобластоподобные клетки и генерируют эмалеобразную ткань6. Однако глубокие исследования специфической роли ERM-клеток в генерации эмали (re-) были ограничены из-за отсутствия надежных моделей исследования7. Современные системы культивирования ERM in vitro затруднены ограниченной продолжительностью жизни и быстрой потерей фенотипа в 2D-условиях, стандартно используемых 8,9,10,11,12. Следовательно, крайне необходима разрешимая система in vitro для добросовестного расширения, изучения и дифференциации человеческих DESC.
В течение последнего десятилетия мощная техника выращивания эпителиальных стволовых клеток in vitro была успешно применена к нескольким типам (человеческих) эпителиальных тканей для изучения их биологии, а также заболеваний 13,14,15,16. Эта технология позволяет тканевым эпителиальным стволовым клеткам самостоятельно развиваться в 3D-клеточные конструкции (то есть органоиды) при посеве во внеклеточный матрикс (ECM), имитирующий каркас (обычно Matrigel), и культивируемый в определенной среде, реплицирующей нишу стволовых клеток ткани, сигнализирующую и / или эмбриогенез. Типичные факторы роста, необходимые для развития органоидов, включают эпидермальный фактор роста (EGF) и активаторы сайта интеграции MMTV бескрылого типа (WNT) 14,15,16. Полученные органоиды характеризуются длительной точностью в имитации оригинальных эпителиальных стволовых клеток ткани, а также высокой расширяемостью при сохранении их фенотипа и функциональных свойств, тем самым преодолевая часто ограниченную первичную доступность тканей человека, приобретенную в клинике. Для установления органоидов выделение эпителиальных стволовых клеток из гетерогенной ткани (т.е. содержащей другие типы клеток, таких как мезенхимальные клетки) до культивирования не требуется, поскольку мезенхимальные клетки не прикрепляются или не процветают в ECM, что в конечном итоге приводит к чисто эпителиальным органоидам 13,16,17,18,19 . Эта многообещающая и универсальная технология привела к разработке многообразных органоидных моделей из различных эпителиальных тканей человека. Однако органоиды человеческого происхождения, ценные для глубокого изучения развития, регенерации и заболеваний зубов, еще не были установлены20,21. Недавно нам удалось разработать такую новую органоидную модель, начиная с DF-ткани из третьих моляров (зубов мудрости), удаленных у пациентов подросткового возраста19.
Здесь мы описываем протокол развития эпителиальных органоидных культур из взрослого человеческого зуба (т.е. из DF третьих моляров) (рисунок 1A). Результирующие органоиды экспрессируют ERM-ассоциированные маркеры стволовости, будучи при этом долгосрочными расширяемыми. Интересно, что в отличие от большинства других органоидных моделей, обычно необходимый EGF является избыточным для устойчивого развития и роста органоидов. Интересно, что органоиды ствола проявляют свойства дифференцировки амелобласта, тем самым имитируя особенности и процессы ERM/DESC, происходящие in vivo. Новая и уникальная органоидная модель, описанная здесь, позволяет исследовать биологию, пластичность и дифференциацию DESC и открывает двери для первых шагов к зубо-регенеративным подходам.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает эффективную и воспроизводимую генерацию органоидов, начиная с человеческого зуба. Насколько нам известно, это первая методология создания современно-концептуальных (эпителиальных) органоидов, начиная с зубной ткани человека. Органоиды являются долгосрочными …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны всем сотрудникам Челюстно-лицевой хирургии (MKA) UZ Leuven, а также пациентам, за их неоценимую помощь в сборе свежеизвлеченных третьих моляров. Мы также хотели бы поблагодарить д-ра Рейнхильду Джейкобс и д-ра Элизабет Тийскенс за их помощь в сборе образцов. Эта работа была поддержана грантами KU Leuven (BOF) и FWO-Flanders (G061819N). Л.Х. является доктором философии FWO (1S84718N).
Materials
| 1.5 mL Microcentrifuge tube | Eppendorf | 30120.086 | |
| 15 mL Centrifuge tube | Corning | 430052 | |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M-6250 | |
| 48-well flat bottom plates | Corning | 3548 | |
| 50 mL Centrifuge tube | Corning | 430290 | |
| A83-01 | Sigma-Aldrich | SML0788 | |
| Agarose | Lonza | 50004 | |
| Albumin Bovine (cell culture grade) | Serva | 47330.03 | |
| AMELX antibody | Santa Cruz | sc-365284 | |
| Amphotericin B | Gibco | 15200018 | |
| B27 (without vitamin A) | Gibco | 12587-010 | |
| Cassette | VWR | 7202191 | |
| Catalase from bovine liver | Sigma-Aldrich | C100 | |
| CD44 antibody | Abcam | ab34485 | |
| Cell strainer, 40 µm | Falcon | 352340 | |
| Cholera Toxin | Sigma-Aldrich | C8052 | |
| Citric acid | Sigma-Aldrich | C0759 | |
| CK14 antibody | Thermo Fisher Scientific | MA5-11599 | |
| Collagenase IV | Gibco | 17104-019 | |
| Cover glass | VWR | 6310146 | |
| Cryobox | Thermo Scientific | 5100-0001 | |
| Cryovial | Thermo Fisher Scientific | 375353 | |
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| Dispase II | Sigma-Aldrich | D4693 | |
| DMEM 1:1 F12 without Fe | Invitrogen | 074-90715A | |
| DMEM powder high glucose | Gibco | 52100039 | |
| Dnase | Sigma-Aldrich | D5025-15KU | |
| Donkey serum | Sigma-Aldrich | D9663 – 10ML | |
| Embedding workstation, 220 to 240 Vac | Thermo Fisher Scientific | 12587976 | |
| Ethanol absolute, ≥99.8% (EtOH) | Fisher Chemical | E/0650DF/15 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F7524 | |
| FGF10 | Peprotech | 100-26 | |
| FGF2 (= basic FGF) | R&D Systems | 234-FSE-025 | |
| FGF8 | Peprotech | AF-100-25 | |
| GenElute Mammaliam Total RNA Miniprep Kit | Sigma-Aldrich | RTN350-1KT | Includes 1% β-mercaptoethanol dissolved in lysis buffer |
| Glass Pasteur pipette | Niko Mechanisms | 170-40050 | |
| Glycine | VWR | 101194M | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | |
| IGF-1 | PeproTech | 100-11 | |
| InSolution Y-27632 (ROCK inhibitor, RI) | Sigma-Aldrich | 688001 | |
| Insulin from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | I6634 | |
| ITGA6 antibody | Sigma-Aldrich | HPA012696 | |
| L-Glutamine | Gibco | 25030024 | |
| Matrigel (growth factor-reduced; phenol red-free) | Corning | 15505739 | |
| Microscope slide | Thermo Fisher Scientific | J1800AMNZ | |
| Millex-GV Syringe Filter Unit, 0.22 μm | Millipore | SLGV033R | |
| Minimum essential medium eagle (αMEM) | Sigma-Aldrich | M4526 | |
| mouse IgG (Alexa 555) secondary antibody | Thermo Fisher Scientific | A-31570 | |
| N2 | Gibco | 17502-048 | |
| N-acetyl L-cysteine | Sigma-Aldrich | A7250 | |
| Nicotinamide | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| Noggin | PeproTech | 120-10C | |
| P63 antibody | Abcam | ab124762 | |
| Pap Pen | Sigma-Aldrich | Z377821-1EA | Marking pen |
| Paraformaldehyde (PFA), 16% | Merck | 8.18715 | |
| Penicillin G sodium salt | Sigma-Aldrich | P3032 | |
| Penicillin-streptomycin (Pen/Strep) | Gibco | 15140-122 | |
| Petri dish | Corning | 353002 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Gibco | 10010-015 | |
| Pipette (P20, P200, P1000) | Eppendorf or others | 2231300006 | |
| Plastic transfer pipette (3.5 mL) | Sarstedt | 86.1171.001 | |
| Rabbit IgG (Alexa 488) secondary antibody | Thermo Fisher Scientific | A21206 | |
| RSPO1 | PeproTech | 120-38 | |
| SB202190 (p38i) | Biotechne (Tocris) | 1264 | |
| Scalpel (surgical blade) | Swann-Morton | 207 | |
| SHH | R&D Systems | 464-SH-200 | |
| Silicone molds (Heating block) | VWR | 720-1918 | |
| Sodium Chloride (NaCl) | BDH | 102415K | |
| Sodium Hydrogen Carbonate (NaHCO3) | Merck | 106329 | |
| Sodium-pyruvate (C3H3NaO3) | Sigma-Aldrich | P-5280 | |
| SOX2 antibody | Abcam | ab92494 | |
| StepOnePlus | Thermo Fisher Scientific | Real-Time PCR System | |
| Stericup-GP, 0.22 µm | Millipore | SCGPU02RE | |
| Steriflip-GP Sterile Centrifuge Tube Top Filter Unit, 0.22 μm | Millipore | SCGP00525 | |
| Sterile 1000 μL pipette tips with filter | Greiner | 740288 | |
| Sterile 20 μL pipette tips with filter | Greiner | 774288 | |
| Sterile 200 μL pipette tips with and without filter | Greiner | 739288 | |
| Sterile H2O | Fresenius | B230531 | |
| Streptomycin sulfate salt | Sigma-Aldrich | S6501 | |
| Superscript III first-strand synthesis supermix | Invitrogen | 11752-050 | Reverse transcription kit |
| Tissue processor | Thermo Scientific | 12505356 | |
| Transferrin | Serva | 36760.01 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-50ML | |
| TrypLE express | Gibco | 12605-010 | |
| Vectashield mounting medium+DAPI | Labconsult NV | H-1200 | Antifade mounting medium with DAPI |
| WNT3a | Biotechne (Tocris) | 5036-WN-500 | |
| Xylenes, 99%, for biochemistry and histology | VWR | 2,89,75,325 |
References
- Yu, T., Klein, O. D. Molecular and cellular mechanisms of tooth development, homeostasis and repair. Development (Cambridge). 147 (2), (2020).
- Arrow, P. Dental enamel defects, caries experience and oral health-related quality of life: a cohort study. Australian Dental Journal. 62 (2), 165-172 (2017).
- Mitsiadis, T. A., Orsini, G., Jimenez-Rojo, L., Zavan, B., Bressan, E. Dental Stem Cells for Tooth Regeneration. Dental Stem Cells: Regenerative Potential. Stem Cell Biology and Regenerative Potential. Stem Cell Biology and Regenerative Medicine. , (2016).
- Mitsiadis, T. A., Orsini, G. Editorial: a new era in dentistry: stem cell-based approaches for tooth and periodontal tissue regeneration. Frontiers in Physiology. 7, 357 (2016).
- Miran, S., Mitsiadis, T. A., Pagella, P. Innovative dental stem cell-based research approaches: the future of dentistry. Stem Cells International. 2016, 7231038 (2016).
- Shinmura, Y., Tsuchiya, S., Hata, K. I., Honda, M. J. Quiescent epithelial cell rests of malassez can differentiate into ameloblast-like cells. Journal of Cellular Physiology. 217 (3), 728-738 (2008).
- Davis, E. M. A review of the epithelial cell rests of Malassez on the bicentennial of their description. Journal of Veterinary Dentistry. 35 (4), 290-298 (2018).
- Athanassiou-Papaefthymiou, M., Papagerakis, P., Papagerakis, S. Isolation and characterization of human adult epithelial stem cells from the periodontal ligament. Journal of Dental Research. 94 (11), 1591-1600 (2015).
- Kim, G. -. H., et al. Differentiation and establishment of dental epithelial-like stem cells derived from human ESCs and iPSCs. International Journal of Molecular Sciences. 21 (12), 1-16 (2020).
- Nam, H., et al. Establishment of Hertwig’s epithelial root sheath/ epithelial rests of malassez cell line from human periodontium. Molecules and Cells. 37 (7), 562-567 (2014).
- Nam, H., et al. Expression profile of the stem cell markers in human hertwig’s epithelial root sheath/Epithelial rests of Malassez cells. Molecules and Cells. 31 (4), 355-360 (2011).
- Tsunematsu, T., et al. Human odontogenic epithelial cells derived from epithelial rests of Malassez possess stem cell properties. Laboratory Investigation; A Journal of Technical Methods and Pathology. 96 (10), 1063-1075 (2016).
- Artegiani, B., Clevers, H. Use and application of 3D-organoid technology. Human Molecular Genetics. 27 (2), 99-107 (2018).
- Boretto, M., et al. Patient-derived organoids from endometrial disease capture clinical heterogeneity and are amenable to drug screening. Nature Cell Biology. 21 (8), 1041-1051 (2019).
- Cox, B., et al. Organoids from pituitary as a novel research model toward pituitary stem cell exploration. Journal of Endocrinology. 240 (2), 287-308 (2019).
- Sato, T., et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature. 459 (7244), 262-265 (2009).
- Boretto, M., et al. Development of organoids from mouse and human endometrium showing endometrial epithelium physiology and long-term expandability. Development (Cambridge). 144 (10), 1775-1786 (2017).
- Schutgens, F., Clevers, H. Human organoids: tools for understanding biology and treating diseases). Annual Review of Pathology. 15, 211-234 (2020).
- Hemeryck, L., et al. Organoids from human tooth showing epithelial stemness phenotype and differentiation potential. Cellular and Molecular Life Sciences. 79 (3), 153 (2022).
- Gao, X., Wu, Y., Liao, L., Tian, W. Oral organoids: progress and challenges. Journal of Dental Research. 100 (5), 454-463 (2021).
- Binder, M., et al. Novel strategies for expansion of tooth epithelial stem cells and ameloblast generation. Scientific Reports. 10 (1), 4963 (2020).
- Xiong, J., Mrozik, K., Gronthos, S., Bartold, P. M. Epithelial cell rests of malassez contain unique stem cell populations capable of undergoing epithelial-mesenchymal transition. Stem Cells and Development. 21 (11), 2012-2025 (2012).
- Luan, X., Ito, Y., Diekwisch, T. G. H. Evolution and development of Hertwig’s epithelial root sheath. Developmental Dynamics. 235 (5), 1167-1180 (2006).
- Fukumoto, S., et al. New insights into the functions of enamel matrices in calcified tissues. Japanese Dental Science Review. 50 (2), 47-54 (2014).
- Consolaro, A., Consolaro, M. F. M. O. ERM functions, EGF and orthodontic movement or Why doesn’t orthodontic movement cause alveolodental ankylosis. Dental Press Journal of Orthodontics. 15 (2), 24-32 (2010).
- Guajardo, G., et al. Immunohistochemical localization of epidermal growth factor in cat paradental tissues during tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 118 (2), 210-219 (2000).
- Watanabe, K., et al. A ROCK inhibitor permits survival of dissociated human embryonic stem cells. Nature Biotechnology. 25 (6), 681-686 (2007).
- Gonçalves, J., Sasso-Cerri, E., Cerri, P. Cell death and quantitative reduction of rests of Malassez according to age. Journal of Periodontal Research. 43 (4), 478-481 (2008).
- Kim, J., Koo, B. -. K., Knoblich, J. A. Human organoids: Model systems for human biology and medicine. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 21 (10), 571-584 (2020).
- Razmi, M. T., Narang, T., Handa, S. ADULT (acro-dermato-ungual-lacrimal-tooth) syndrome: a case report from India. Indian Dermatology Online Journal. 9 (3), 194 (2018).
- . Future Health Biobank Available from: https://futurehealthbiobank.com/ch-en/ (2022)
- Schreurs, R. R. C. E., Baumdick, M. E., Drewniak, A., Bunders, M. J. In vitro co-culture of human intestinal organoids and lamina propria-derived CD4+ T cells. STAR Protocols. 2 (2), 100519 (2021).
- Fiorini, E., Veghini, L., Corbo, V. Modeling cell communication in cancer with organoids: Making the complex simple. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 166 (2020).
- Gjorevski, N., et al. Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture. Nature. 539 (7630), 560-564 (2016).
- Zhang, Y., et al. Polyisocyanide hydrogels as a tunable platform for mammary gland organoid formation. Advanced Science. 7 (18), 2001797 (2020).
- Mollaki, V. Ethical challenges in organoid use. BioTech. 10 (3), 12 (2021).
