기계론적 연구 및 재생 요법을 향한 강력한 도구로 인간의 치아에서 오가노이드를 확립
Summary
우리는 인간의 치아에서 시작하여 상피 오가노이드 문화를 개발하기위한 프로토콜을 제시합니다. 오가노이드는 견고하게 확장 가능하며 아멜로아세포 분화 능력을 포함하여 치아의 상피 줄기 세포를 재생산합니다. 독특한 오가노이드 모델은 치아 재생 접근법에 대한 관점으로 인간 치과 (줄기 세포) 생물학을 연구 할 수있는 유망한 도구를 제공합니다.
Abstract
치아는 음식 매스틱 화와 연설뿐만 아니라 심리적 안녕을 위해 삶에서 매우 중요합니다. 인간의 치아 발달과 생물학에 대한 지식은 부족합니다. 특히, 치아의 상피 줄기 세포와 그 기능에 대해서는 많이 알려져 있지 않다. 우리는 인간의 치아 조직 (즉, 추출 된 사랑니에서 분리 된 치과 모낭)에서 시작하여 새로운 오가노이드 모델을 개발하는 데 성공했습니다. 오가노이드는 견고하고 장기간 확장 가능하며 기능적 활성뿐만 아니라 마커 발현 측면에서 제안 된 인간 치아 상피 줄기 세포 구획을 재구성합니다. 특히, 오가노이드는 아멜로제닉 동안 생체내에서 발생하는 것으로서 아멜로아세포 분화 과정을 전개할 수 있다. 이 독특한 오가노이드 모델은 인간의 치아 발달뿐만 아니라 치과 병리학을 연구 할 수있는 강력한 도구를 제공 할 것이며 치아 재생 요법으로 나아갈 길을 열어 줄 수 있습니다. 이 새로운 오가노이드 모델을 기반으로 잃어버린 치아를 생물학적 치아로 대체하는 것은 합성 물질의 현재 표준 이식에 대한 매력적인 대안이 될 수 있습니다.
Introduction
치아는 음식 매스틱화, 연설 및 심리적 웰빙 (자기 이미지)에 필수적인 역할을합니다. 인간의 치아는 다양한 밀도와 경도의 고도로 미네랄화 된 조직으로 구성됩니다1. 치아 크라운의 주요 구성 요소 인 치과 에나멜은 인체에서 가장 높은 미네랄 화 된 조직입니다. 에나멜 형성 (amelogenesis) 동안, 치아가 발달 할 때, 치과 상피 줄기 세포 (DESCs)는 에나멜 형성 세포 (아멜로 아세포)로 분화됩니다. 일단 형성되면, 에나멜은 치아 분출 시작시 아멜로 아멜 세포의 사멸 적 손실로 인해 거의 수리되거나 갱신되지 않습니다1. 외상이나 박테리아 질환으로 인한 손상된 에나멜 조직의 복원은 현재 합성 물질을 사용하여 수행됩니다. 그러나 이들은 미세 누출, 열등한 골유착 및 앵커리지, 유한 수명 및 완전한 기능 수리 부족과 같은 중요한 단점으로 인해 어려움을 겪고 있습니다2. 따라서 아멜로아세포를 생성할 수 있는 능력과 미네랄화된 조직을 생산할 수 있는 잠재력을 갖춘 인간 DESC의 견고하고 신뢰할 수 있는 문화는 치과 재생 분야에서 중요한 진전이 될 것입니다.
인간 DESC 표현형과 생물학적 기능에 대한 지식은 3,4,5 부족하다. 흥미롭게도, 인간 치아의 DESCs는 말라세즈의 상피 세포 휴식 (ERM), 분출되지 않은 치아를 둘러싸고있는 치과 모낭 (DF) 내에 존재하는 세포 클러스터에 존재하는 것으로 제안되었으며, 치아가 분출되면 뿌리 주변의 치주 인대에 남아 있습니다1. 치과용 펄프와 공동 배양된 ERM 세포는 아멜로아세포형 세포로 분화하여 에나멜 유사 조직을 생성하는 것으로 밝혀졌다(6). 그러나, 에나멜(재)생성에서 ERM 세포의 특정 역할에 대한 심오한 연구는 신뢰할 수 있는 연구 모델7의 부족으로 인해 제한되었다. 현재의 ERM 시험관내 배양 시스템은 표준적으로 사용되는2D 조건에서 제한된 수명과 표현형의 빠른 손실로 인해 방해를 받고 있습니다 8,9,10,11,12. 따라서 인간 DESC를 충실하게 확장, 연구 및 차별화하기위한 견인 가능한 시험관 내 시스템이 강력하게 필요합니다.
지난 십 년 동안, 시험관 내에서 상피 줄기 세포를 성장시키는 강력한 기술은 그들의 생물학뿐만 아니라 질병13,14,15,16을 연구하기 위해 여러 유형의 (인간) 상피 조직에 성공적으로 적용되었습니다. 이 기술은 조직 상피 줄기 세포가 세포외 매트릭스 (ECM)에 시딩될 때 3D 세포 구조 (즉, 오가노이드)로 자체 발달 할 수있게 해줍니다 – 스캐폴드 (전형적으로, Matrigel)를 모방하고 조직의 줄기 세포 틈새 신호 전달 및 / 또는 배아 발생을 복제하는 정의 된 배지에서 배양됩니다. 오가노이드 발달에 필요한 전형적인 성장 인자는 표피 성장 인자 (EGF) 및 날개 없는 유형 MMTV 통합 부위 (WNT) 활성화제14,15,16을 포함한다. 생성 된 오가노이드는 조직의 원래 상피 줄기 세포를 모방하는 데 지속적인 충실성뿐만 아니라 표현형 및 기능적 특성을 유지하면서 높은 확장성을 특징으로하므로 클리닉에서 획득 한 것처럼 종종 제한된 일차 인간 조직 가용성을 극복합니다. 오가노이드를 확립하기 위해, 배양하기 전에 이종 조직으로부터 상피 줄기 세포의 단리(즉, 중간엽 세포와 같은 다른 세포 유형을 포함함)는 중간엽 세포가 ECM에 부착되거나 번성하지 않기 때문에 필요하지 않으며, 결국 순전히 상피 오가노이드13,16,17,18,19를 초래한다. . 이 유망하고 다재다능한 기술은 다양한 인간 상피 조직에서 다양한 오가노이드 모델을 개발하도록 이끌었습니다. 그러나 치아 발달, 재생 및 질병에 대한 심층적 인 연구에 가치있는 인간 치아 유래 오가노이드는 아직20,21 개가 확립되지 않았습니다. 우리는 최근에 청소년 환자19에서 추출한 세 번째 어금니(사랑니)로부터 DF 조직으로부터 출발하여 이러한 새로운 오가노이드 모델을 개발하는 데 성공했다.
여기에서, 우리는 성인 인간 치아로부터 (즉, 세 번째 어금니의 DF로부터) 상피 오가노이드 배양물을 개발하는 프로토콜을 설명한다 (도 1A). 생성된 오가노이드는 ERM 관련 줄기 마커를 발현하면서 장기간 확장 가능하다. 흥미롭게도, 대부분의 다른 오가노이드 모델과는 반대로, 전형적으로 필요한 EGF는 강력한 오가노이드 발달 및 성장을 위해 중복된다. 흥미롭게도, 줄기 오가노이드는 아멜로아세포 분화 특성을 보여주며, 따라서 생체내에서 발생하는 ERM/DESC 특징과 과정을 모방한다. 여기에 설명 된 새롭고 독특한 오가노이드 모델을 통해 DESC 생물학, 가소성 및 분화 능력을 탐구 할 수 있으며 치아 재생 접근법을 향한 첫 걸음을 내딛을 수있는 문을 열어줍니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은 인간 치아에서 시작하는 오가노이드의 효율적이고 재현 가능한 생성을 설명합니다. 우리의 지식에 따르면, 이것은 인간의 치과 조직에서 시작하여 현재 개념 (상피) 오가노이드를 확립하기위한 첫 번째 방법론입니다. 오가노이드는 장기간 팽창이 가능하며 치아 상피 줄기 표현형을 나타내며, DF7의 ERM 구획에서 이전에 보고된 DESC를 복제한다. 더욱이, 오가노이드?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 UZ Leuven의 구강 및 악안면 수술 (MKA)의 모든 직원과 환자들에게 갓 추출 된 세 번째 어금니를 수집하는 데 귀중한 도움을 주신 것에 감사드립니다. 우리는 또한 샘플 수집에 도움을 주신 Reinhilde Jacobs 박사와 Elisabeth Tijskens 박사에게 감사드립니다. 이 작품은 KU Leuven (BOF)과 FWO-Flanders (G061819N)의 보조금으로 지원되었습니다. L.H.는 FWO Ph.D. 펠로우(1S84718N)입니다.
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 |
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