여기에서는 냉동보존된 상피 선와에서 돼지 장 3D 오가노이드를 배양하는 프로토콜을 설명합니다. 우리는 또한 3D 오가노이드에서 파생된 세포 단층을 확립하여 상피 세포의 정점 측면에 접근할 수 있도록 하는 방법을 설명합니다.
장 오가노이드는 소화기 질환 모델링을 위해 장 상피를 연구하거나 약물, 영양소, 대사 산물, 병원체 및 미생물군과의 상호 작용을 조사하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 장내 오가노이드를 배양하는 방법은 이제 돼지를 포함한 여러 종에 사용할 수 있으며, 돼지는 농장 동물로서 그리고 예를 들어 인수공통전염병을 연구하기 위한 인간의 번역 모델로서 주요 관심 종입니다. 여기에서는 냉동 상피 선와에서 돼지 장 3D 오가노이드를 배양하는 데 사용되는 절차에 대해 자세히 설명합니다. 이 프로토콜은 돼지 장에서 상피 선와를 냉동 보존하는 방법과 3D 장 오가노이드를 배양하기 위한 후속 절차를 설명합니다. 이 방법의 주요 장점은 (i) 3D 오가노이드 배양에서 스크립트 분리의 시간적 해리, (ii) 여러 장 세그먼트 및 여러 동물에서 한 번에 파생된 냉동 보존된 크립트의 대량 준비, 따라서 (iii) 살아있는 동물에서 신선한 조직을 샘플링할 필요성의 감소. 우리는 또한 영양소, 미생물 또는 약물과의 상호 작용 부위인 상피 세포의 정점 측면에 접근할 수 있도록 3D 오가노이드에서 파생된 세포 단층을 설정하는 프로토콜을 자세히 설명합니다. 전반적으로 여기에 설명된 프로토콜은 수의학 및 생물의학 연구에서 돼지 장 상피를 연구하는 데 유용한 리소스입니다.
장 상피는 내강 환경과의 경계면에서 소화 점막을 덮는 세포의 단층에 의해 형성됩니다. 이 위치는 줄기 세포와 여러 분화된 상피 세포 유형(흡수성, 장내분비 세포, 파네스 세포 및 잔 세포)의 존재에 의해 뒷받침되는 영양소 흡수 및 장벽 기능과 같은 다양한 기능과 관련이 있습니다1. 전통적으로 상피 세포 연구에 사용되는 불멸화 세포주는 장 상피의 세포 복잡성을 반영하지 않고 게놈 이상을 나타내기 때문에 큰 한계가 있다2. Sato et al.3에 의한 3 차원(3D) 오가노이드의 개발은 생리학적 관련성이 개선된 장 상피를 연구하기 위한 새로운 모델을 제공했습니다. 실제로, 장 오가노이드는 형질전환되지 않은 줄기 세포에서 유래하고 여러 세포 유형으로 구성되며 장 상피의 기능을 요약합니다. 장 오가노이드는 장 상피의 발달과 기능, 그리고 병원체, 영양소, 독소, 약물, 미생물군, 대사산물과의 상호작용을 이해하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다2.
처음에는 인간과 생쥐를 위해 개발되었으나 장내 오가노이드 배양에 사용된 방법은 최근 돼지를 포함한 다른 종에도 적용되었다4. Gonzales et al.5는 공장으로부터 돼지 오가노이드를 최초로 배양하였다. 그 이후로, 돼지 오가노이드는 다른 장 분절(십이지장, 회장 및 결장)에 대해 설명되었으며6,7,8, 위치 특이적 표현형 9,10,11을 유지하는 것으로 나타났습니다. 돼지 장내 3D 오가노이드는 현재 영양소12,13 또는 장 감염 6,8,14의 효과를 연구하는 데 일반적으로 사용됩니다.
대부분의 연구는 갓 분리된 상피 선와에서 시작하는 장 오가노이드의 배양을 설명했습니다. 그러나 이것은 특히 돼지와 같은 큰 동물과 함께 작업할 때 물류상의 이유로 항상 실현 가능한 것은 아닙니다. 실제로 돼지를 위한 동물 시설은 오가노이드를 배양하는 실험실에서 멀리 떨어져 있어 작업 조직이 복잡해집니다. 또한 오가노이드 배양은 시간이 많이 걸립니다. 따라서 예를 들어 서로 다른 장 분절 또는 여러 동물에서 여러 오가노이드 계통을 동시에 성장시키는 것은 실용적이지 않습니다. 이러한 문제를 피하기 위해 인간, 말 및 돼지를 대상으로 한 몇 가지 연구에서는 냉동 장 조직(또는 생검) 또는 분리된 상피 선와에서 오가노이드를 배양하는 방법을 설명했습니다 4,15,16,17. 이러한 방법을 사용하면 단일 동물의 여러 장 부분에서 장 상피 줄기 세포를 냉동 보존할 수 있으며, 필요할 때 오가노이드를 성장시키는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 이것은 줄기 세포의 기증자로 사용되는 살아있는 동물의 수를 크게 감소시킬 수 있는데, 이는 냉동 보존 된 크립트의 대량 재고가 생성 될 수 있기 때문입니다 (3R의 원리). 이 방법의 또 다른 장점은 표현형 또는 유전형 결과를 얻은 후 관심 동물에서만 장 오가노이드가 성장한다는 것인데, 이는 매우 비용 효율적입니다.
생체 내에서, 장 상피 세포는 분극화되고, 정점면은 내강을 향한다. 시험관 내, 3D 오가노이드에서 상피 세포의 정점 측면도 내강(즉, 오가노이드 내부)을 향하고 있습니다4. 이 조직은 상피 세포에 대한 내강 성분(예: 영양소, 미생물, 대사 산물)의 영향을 연구할 때 문제가 되는 정점 측면에 대한 접근을 방지합니다. 이러한 단점을 피하기 위해 오가노이드 세포를 2D 단층으로 배양, 미세주입 및 극성 반전(“apical-out organoid”)과 같은 여러 방법이 개발되었습니다18,19. 오가노이드 세포 단층의 배양은 가장 효율적이고 다루기 쉬운 시스템으로 부상하고 있습니다. 원리는 3D 오가노이드를 단일 세포로 분리하고 이전에 세포외 기질(ECM)20의 얇은 층으로 코팅된 세포 배양 용기에 시드하는 것입니다. 이러한 배양 조건에서, 상피 세포의 정점 측면은 위쪽을 향하고 있으며, 따라서 실험적 처리에 접근할 수 있다20. 오가노이드 세포 단층의 배양은 최근 돼지 장21,22에 적응되었습니다. 돼지 3D 오가노이드에서 유래한 세포 단 층은 장 감염 연구 6,23,24,25, 영양소 수송연구 9, 소화기 질환 모델링 26 등 다양한 용도로 사용되어 왔다.
여기에서 이 연구는 먼저 냉동보존된 상피 선와에서 파생된 돼지 장 3D 오가노이드의 배양 및 유지를 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다(그림 1). 그런 다음 돼지 장 3D 오가노이드에서 세포 단층을 확립하기 위한 프로토콜이 설명됩니다. 여기에 설명된 방법은 영양소 수송, 장벽 기능 및 숙주-미생물 상호 작용에 대한 돼지 장 상피를 연구하는 데 사용할 수 있는 실험 도구를 제공합니다.
이 프로토콜은 3D 오가노이드의 장기 보관 및 후속 배양을 위해 새끼 돼지 장에서 상피 선와를 냉동 보존하는 데 사용되는 방법을 설명합니다. 이 프로토콜은 DMSO, FBS, Y27632 ROCK 억제제, DMEM 및 항생제를 포함하는 동결 용액을 사용합니다. 돼지를 대상으로 한 또 다른 연구에서는 유사한 동결 용액에 냉동 보존된 지하실에서 오가노이드를 얻었지만 ROCK 억제제는 없었습니다15. Y27632 ROCK 억제제는 해동 후 상피 선와 세포가 해리되어 세포 사멸(‘anoikis’)을 유발할 수 있기 때문에 세포자멸사를 방지하고 줄기 세포 풀을 유지하기 위해 포함되었습니다(‘anoikis‘)27,28. 흥미롭게도, 말 엔테로이드는 DMEM 및 DMSO16만을 함유하는 배양 배지에서 냉동된 상피 선와로부터 얻어졌다; 이 간단한 방법은 아직 돼지 상피 선와에 대해 테스트되지 않았습니다. 상피 궤도 대신 냉동 조직 또는 생검에서 인간 및 돼지 오가노이드를 성장시키는 다른 방법이 발표되었습니다 4,17. 이 방법의 장점은 시간과 실험실 장비가 필요한 지하실 분리 절차를 수행하지 않고 장 조직을 직접 냉동 보존 할 수 있다는 것입니다. 이것은 조직을 실험실에서 멀리 떨어진 곳에서 수집해야 할 때 편리할 수 있습니다. 그러나, 도축 직후에 선와를 분리 할 때, 장의 큰 부분은 매우 많은 수의 선와를 얻기 위해 처리 될 수 있으며, 이는 작은 냉동 조직 조각에서 시작할 때가 아닙니다. 상피 선와가 해동된 후, 파종 후 3-4일째부터 오가노이드를 관찰하고 10일 후에 분할하였다. 이는 신선한 상피 선와에서 배양을 시작할 때보다 성장 속도가 느리며, 이에 대해 오가노이드는 파종 후 1일째부터 얻었으며 일반적으로 약 5일째에 분할될 수 있습니다11. Khalil et al. 또한 냉동 지하실에서 시작할 때 돼지 엔테로이드의 성장이 지연된다고 보고했다15, 이는 줄기 세포가 증식 능력을 회복하는 데 시간이 필요할 수 있음을 시사한다. 우리는 또한 신선한 선와에 비해 냉동 선와에서 시작할 때 더 적은 수의 오가노이드를 얻었는데, 이는 냉동 과정에서 줄기 세포의 죽음으로 인한 것일 수 있습니다. 지하실 해동의 일부 시도(<20%)에서 우리는 아마도 차선의 냉동 보존 절차(예: 아마도 1시간 이상의 선와를 분리한 후 지연된 동결)로 인해 냉동 지하실에서 오가노이드를 얻지 못했습니다. 따라서 세어 볼 때까지 지하실을 얼음 위에 보관하고 가능한 한 빨리 얼리는 것이 좋습니다.
3D 오가노이드의 경우 인간을 위해 제조된 상업용 오가노이드 배양 배지를 사용하기로 결정했습니다. 실제로 이전 보고서에 따르면 돼지 장 오가노이드는 이 배지 8,11,14,19,25,26,29,30으로 효율적으로 성장합니다. 이 배양 배지는 즉시 사용할 수 있고 배치 내에서 표준화된 농도의 성장 인자를 갖는 것이 중요합니다. 그러나, 이 배양 배지는 비용이 많이 들고, 그 조성은 개시되지 않았으며, 따라서 그 조성을 조절하는 것은 불가능하다. 대조적으로, 다른 연구에서는 약리학적 억제제, 재조합 성장 인자 및/또는 조건 배지를 포함하는 맞춤형 배지에서 돼지 장 오가노이드를 배양했습니다 5,6,7,21. 이 방법은 매우 유연하고 저렴하지만 컨디셔닝 매질을 생산하는 데 시간이 많이 걸리고 컨디셔닝 매질에서 성장 인자 농도의 잠재적 변동성으로 인해 재현성이 부족할 수 있습니다. 따라서, 컨디셔닝 배지의 각 배치의 품질은 오가노이드 성장 또는 마커 유전자 발현을 측정하여 검증되어야 한다31.
한 연구에 따르면 여기에 사용된 것과 동일한 상업용 오가노이드 배양 배지에서 배양된 돼지 공장 오가노이드는 재조합 성장 인자 및/또는 컨디셔닝 배지를 함유한 배지로 배양한 엔테로이드에 비해 더 빨리 성장하고 덜 분화된 것으로 나타났습니다23. 높은 증식 상태는 3D 오가노이드의 배양을 용이하게 하지만 장내 생리학적 특성을 더 잘 나타내기 위해 분화 유도가 필요할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 3D 오가노이드의 통과를 위해 세포가 계수를 위해 완전히 해리되어 ECM에 시딩된 세포의 수를 제어할 수 있습니다. 이것은 오가노이드의 표현형의 재현성을 증가시키며, 이는 밀도에 크게 영향을 받습니다. 또한, 세포 수를 세면 배양 일정을 조정해야 하는 너무 낮거나 과밀한 배양을 얻는 것을 방지할 수 있습니다. 대부분의 다른 연구에서는 단일 세포에 완전히 해리되지 않은 오가노이드 단편을 준비하고 계대 배양을 위해 희석 비율을 사용했습니다. 이 방법은 더 간단하지만 배양의 오가노이드 밀도에 따라 변동성을 유발할 수 있습니다.
단층 배양의 경우, 오가노이드 세포는 ECM의 얇은 층으로 미리 코팅된 배양 삽입물에 시딩되어 세포의 부착을 허용하지만 3D에서 오가노이드의 성장을 방지합니다. 이 프로토콜은 이전에 돼지23에서 설명한 바와 같이 콜라겐 IV형을 ECM 단백질로 사용했습니다. 돼지 오가노이드 단층을 사용한 다른 연구에서는 3D 오가노이드 6,8,9,21,25,30을 배양하기 위해 여기에 사용된 것과 동일한 종양 유래 ECM을 사용했습니다. 콜라겐 사용의 장점은 종양 유래 ECM의 경우와 달리 완전히 정의된 조성으로 단백질 농도를 표준화할 수 있다는 것입니다. 세포 단층 배양의 성공을 위한 중요한 단계는 전구체 3D 오가노이드의 시각적 외관에 주의를 기울이는 것인데, 이는 가장자리가 잘 정의되어 있고 검은색 파편이 없는 빈 루멘이 있어야 합니다. 실제로, 성숙도가 높고 증식률이 낮은 오가노이드는 2D 배양을 위한 적절한 세포 공급원이 아닙니다. 따라서 3D 오가노이드가 단일 세포로 해리되는 시기는 이 단계의 성공에 매우 중요합니다.
단일 세포에서 2D 단층을 배양하면 시딩된 세포 수를 표준화할 수 있으며, 이는 다른 방법에서 수행되는 것처럼 오가노이드 단편에서 시작할 때 더 어렵습니다. 우리는 cm2 당 7.6 x 10 5 세포를 시딩했는데, 이는 cm2 당 0.25 x 10 5 세포에서cm2 당 1.78 x 10 5 세포에 이르는 낮은 세포 밀도를 사용한 돼지에서 대부분의 다른 연구21,22,23에 비해 높습니다. 많은 수의 오가노이드 세포가 필요하다는 것이 이 프로토콜의 한계를 구성하지만, 이를 통해 1일 후에 배양 삽입물을 완전히 덮는 융합 단층을 신속하게 얻을 수 있었습니다. 대조적으로, Vermeire et al.23은 더 낮은 밀도의 세포(0.25 x 10 5 cells/cm2에서 0.4 x 105 cells/cm2)로 4-7일 후에 합류성을 얻었습니다. 일부 연구에서는 바이러스 감염을 위해 배양 표면을 완전히 덮지 않은 돼지 오가노이드 세포 단층을 사용하기도했습니다 8,30. 이러한 조건에서 상피 세포의 정점 측면은 치료를 위해 접근할 수 있지만 영양소 흡수 또는 상피 투과성을 연구하는 것이 목적인 경우 완전히 합류하는 단층이 필요합니다.
오가노이드 세포 단층의 경우, 소 엔테로이드 유래 단층(zovine enteroid-derived monolayers)에 대한 최근 연구를 기반으로 20% FBS가 보충된 상업용 오가노이드 배양 배지가 사용되었다32. 우리의 테스트에서, 20 % FBS로 보충은 아마도 높은 성장 인자 요구 사항으로 인해 완전히 합류 단층을 얻기 위해 필요했습니다. 반대로, 동일한 상업적 매체를 사용하는 다른 연구에서는 추가 FBS 8,25,30 없이 완전한 합류도에 도달하지 못한 단층을 확립했습니다. 다른 연구에서도 돼지 오가노이드 세포 단층 배양을 위해 맞춤형 배지에 20% FBS 보충제를 사용했습니다21,22. 우리의 실험에서 TEER은 파종 후 1일(약 700 Ω·cm2)에 높고 3일째(약 1,500 Ω·cm2; 이것은 오클루딘의 발현에 의해 나타나는 바와 같이 단단한 접합부의 형성과 일치합니다. Van der Hee et al. 공장 오가노이드 세포 단층21에 대해 72시간 동안 유사한 TEER 값을 얻었다. 그들은 또한 단층이 매일 배지 교체로 12-15일까지 유지될 수 있음을 입증했습니다. 대조적으로, 다른 연구에서는 돼지 오가노이드 세포 단층 6,22에 대해 훨씬 낮은 TEER 값(약 200 Ω·cm2)을 보고했습니다. 연구 간의 이러한 차이는 연구 된 장 세그먼트 또는 상피 분화에 영향을 미치는 데 사용되는 매체와 관련이있을 수 있습니다.
결론적으로, 냉동 상피 선와에서 돼지 장 3D 오가노이드를 성장시키기 위한 위의 프로토콜은 배양 작업의 조직을 용이하게 합니다. 살아있는 동물에서 신선한 조직을 얻을 필요가 없습니다. 또한 돼지 오가노이드에서 유래한 완전 융합 세포 단층을 3일 이내에 확립하는 방법도 설명합니다. 따라서 우리의 프로토콜은 수의학 또는 생물 의학 연구를 위해 돼지 장 상피를 연구하는 과학자들에게 유용한 자료가 될 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작업은 Institut Carnot France Futur Elevage ( “OrganoPig”프로젝트)와 INRAE HOLOFLUX ( “Holopig”프로젝트)의 지원을 받았습니다. 저자는 Genotoul 핵심 시설(TRI)에 감사드립니다. 신중한 교정을 해주신 Christelle Knudsen(GenPhySE, INRAE, Toulouse)에게 감사드립니다.
0.5 M EDTA, pH 8.0 | Thermo Fisher Scientific | AM9260G | Store at room temperature. |
15 mL conical tube | Sarstedt | 62.554.502 | |
24-well cell culture plate | Corning | 003526 | |
48-well cell culture plate | Corning | 003548 | |
50 mL polypropylene conical tube | Falcon | 352070 | |
Bovine Serum Albumine (BSA) | Euromedex | A6003 | Store at 4 °C. |
Centrifuge Universal 320 R | Hettich | 1406 | |
Collagene type IV from human placenta | Sigma | C5533 | Prepare the stock solution at 1 mg/mL in acetic acid according to the manufacturer's recommendation. Aliquot (500 µL) and store at -20 °C. |
CoolCell LX Cell Freezing Container | Corning | 432003 | Used to cryopreserve crypts and organoids. |
Countess 3 Automated Cell Counter | Thermo Fisher Scientific | 16842556 | |
Coverslips, 22 mm x 50 mm | VWR | 630-1845 | |
Cryotube ClearLine 1 mL | Clear line | 390706 | Used to cryopreserve crypts and organoids. |
DAPI | Invitrogen | D1306 | Prepare the stock solution at 5 mg/mL in water according to the manufacturer’s recommendation. Aliquot (20 µL) and store at -20 °C |
Dithiothreitol (DTT) | Merck | 10197777001 | Store at 4 °C. |
DMEM, high glucose, GlutaMAX Supplement, pyruvate | Thermo Fisher Scientific | 31966047 | Store at 4 °C. |
DMSO (Dimethyl Sulfoxide) | Corning | 25-950-CQC | Store at room temperature. |
Epredia Superfrost Plus Adhesion microscopic slide | VWR | 631-9483 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | 10270-106 | Store 5 mL aliquots at -20 °C. |
Fisherbrand Sterile Cell Strainers | Thermo Fisher Scientific | 22363549 | Used for crypt isolation. |
Fixed Tilt 3D Platform Rotator | VWR | 97025-564 | Used for incubations in the immunostaining protocol. |
Gibco PBS, pH 7.4 | Thermo Fisher Scientific | 10010015 | Store at 4 °C. |
Gibco TrypLE Express Enzyme (1x), phenol red | Thermo Fisher Scientific | 12605-010 | Enzyme dissociation reagent. Store at room temperature. |
Goat anti-rabbit IgG, Alexa fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11008 | Secondary antibody. Store at 4 °C. Working dilution 1:1000. |
IntestiCult Organoid Growth Medium (Human) | Stem Cell Technology | 6010 | Organoid culture medium. Store at -20 °C. Thaw the basal medium and organoid supplement at room temperature and mix (1:1). Store the mix at 4 °C for up to 1 week. |
Insert with PET membrane transparent Falcon for plate 24 wells | Corning | 353095 | |
Inverted microscope | Nikon | Eclipse TS2 | |
Matrigel Basement Membrane Matrix | Corning | 354234 | Tumor-derived extracellular matrix used for the 3D culture of organoids. Matrigel polymerizes at room temperature. Use cooled tips to pipet the Matrigel. Prepare 500 µL aliquots and store at -20 °C. |
Mounting medium for fluorescence with DAPI | Vectashield | H1250 | Store at 4 °C. |
Occludin polyclonal antibody | Thermo Fisher Scientific | 71-1500 | Primary antibody. Store at -20 °C. Working dilution 1:200. |
Paraformaldehyde 32% | Electron microscopy science | 15714 | Prepare 4% paraformaldehyde (PFA) solution under chemical hood by adding 5 mL of 32% PFA to 35 mL of PBS. Aliquot by 10 mL and store at -20 °C. |
Penicillin-Streptomycin | Sigma | P4333 | Antibacterial. Store 5 mL aliquots at -20 °C. |
Phalloidin TRITC | Sigma | P1951 | Probe for actin staining. 1 mg/mL stock solution. Store at 4 °C. |
Primocin | InvivoGen | ant-pm-05 | Antimicrobial agent for primary cells acting on bacteria, mycoplasma and fungi. Store at -20 °C. |
ROCK Inhibitor (Y27632) | ATCC | ACS-3030 | Used to maintain the stem cells. Prepare the stock solution at 10 mM in sterile water according to the manufacturer's recommendation and store aliquots (50 µL) at -20 °C. |
Rotating shaker mix XL | Clear line | 062646CL | Used for crypt isolation. |
Stripette Serological Pipets 10 mL | Corning | 4488 | |
Tissue Culture Dish | TPP | 93100 | |
Triton X100 | Sigma | 8787 | Store at room temperature. |
Trypan Blue stain 0.4% | Thermo Fisher Scientific | T10282 | Store at room temperature. |
Vacuum system Vacusip | Integra | 159000 | Used to remove the medium of organoid wells. |