içinde Microengineered İnsan Bağırsak Villi Oturma mikrobiyomu Co-kültür, bir Gut-on-a-Chip mikroakışkan Aygıt
Summary
Biz, insan bağırsak-on-a-chip microphysiological sistemi kullanılarak uzun bir süre için bir in vitro protokole ko-kültür bağırsak mikrobiyomları ve bağırsak villi açıklar.
Abstract
Burada, bir insan bağırsak-on-a-chip microphysiological cihazda microengineered bağırsak villi çoklu tür uzun süreli ko-kültür, insan bağırsak mikrobiyomları gerçekleştirmek için bir protokol açıklar. Biz fizyolojik, mekanik deformasyonlar ve sıvı kayma akışı sürekli peristalsis taklit uygulanır mikroakışkan bir cihaz, bağırsak lümen-kapiller doku arayüzü özetlemek. Lümen mikrokanal olarak, insan bağırsak epitel Caco-2 hücreleri, bir 'mikropsuz' villus epitel oluşturulması ve ince bağırsak villi yeniden oluşturmak için kültürlenmiştir. Önceden kültürlenmiş mikrobik hücreler, bir konak-mikrop ekosistem kurmak için lümen tarafına aşılanır. mikrobiyal hücreler villi apikal yüzeyine yapışmasını sonra sıvı akışı ve mekanik deformasyonlar bir kalıcı-hal, taze kültür vasatı sürekli olarak tedarik edildiği mikro-ve bağlanmamış bakterileri (bakterial atıklar) sürekli kaldırılır üretilmesi için devam edilir. Genişletilmiş ko-kültür f sonrasıhaftaya ROM gün birden mikrokoloniler rastgele tüyleri arasında yer tespit edilmiştir ve mikrobik ve epitel hücreleri hem de kültür içinde, en az bir hafta boyunca sürekli ve işlevsel kalır. Bizim eş-kültür protokolü sağlık ve hastalık olayını insan mikrobiyomu rolü in vitro çalışmada kolaylaştırabilir çeşitli insan organ bulunabilir diğer host-mikrobiyomları ekosistemlere için çok yönlü bir platformu sağlamak için adapte edilebilir.
Introduction
İnsan bağırsak mikrobiyal türlerin şaşırtıcı çeşitli bir dizi (<1.000 tür) ve muazzam bir mikrobiyal hücrelerin sayısını (insan konakçı hücrelere göre 10 kat daha fazla) ve gen (insan genomu 100 kat daha fazla) 1 barındırır. Bunlar insan microbiomes, besin ve xenobiotik metabolize bağışıklık tepkilerini düzenleyen ve intestinal homeostasis 2 korumada önemli bir rol oynamaktadır. Beklendiği gibi, bu farklı fonksiyonlar verilmiş, ortakçı bağırsak mikrobiyomları yoğun sağlık ve hastalık 3 modüle eder. Böylece, bağırsak mikrobiyomları ve konak-mikrop etkileşimlerinin rolünü anlamak gastrointestinal (GI) sağlığı teşvik ve bağırsak bozuklukları 4 için yeni tedavi ajanlarının keşfetmek için büyük önem taşımaktadır. Bununla birlikte, nitro bağırsak modellerinde (örneğin, statik kültürler) mevcut kısa bir süre (<1 gün) mikrobiyal hücreleri aşırı büyütmesi ve bağırsak bariyeri tehlikeye çünkü ana-mikrobiyomları ko-kültür kısıtlamafonksiyonu 5. Yedek hayvan modelleri (örn mikropsuz 6 ya da genetik mühendisliği farenin 7), genel olarak kolonizasyon ve insan bağırsak mikrobiyomu stabil bakımı zordur, çünkü ana-bağırsak mikrobiyomları karışma çalışma için kullanılmaz.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için, biz son zamanlarda yaşayan insan bağırsağında meydana gelen 5,8 konak-bağırsak mikrobiyomları etkileşimleri taklit "Gut-on-a-Chip" microphysiological sistemi (sol Şekil 1A) bir biomimetic insan geliştirdi. Gut-on-a-chip mikrovasıta esnek, gözenekli, hücre dışı matrisin (ECM) insan bağırsak epitel Caco-2 hücreleri ile kaplı -kaplı membran, bağırsak lumen kapiler doku arabirimi (Şekil 1A taklit mesafeyle ayrılmış iki paralel mikroakışkan kanal içerir sağ) 9. Vakum odaklı halkalı ritmik deformasyonlar normalde induc değişiklikleri taklit fizyolojik mekanik deformasyonlara neden(sağ Şekil 1A) peristaltizm ile ed. İlginç bir şekilde, Caco-2 hücreleri 100'den saat bağırsak-on-a-çipte yetiştirilen, kendiliğinden sıkış kesişmeler, apikal fırça sınır bazal kript sınırlı proliferatif hücreleri ile üç boyutlu (3D), bağırsak villi oluşturur, mukus üretimi, artan ilaç metabolize aktivite (örneğin, sitokrom P450 3A4, CYP3A4) ve geliştirilmiş glukoz alım 8. Bu 'mikropsuz' mikro olarak, probiyotik Lactobacillus rhamnosus GG veya en fazla iki hafta içinde 5,10 host epitel hücreleri ile bir probiyotik bakteri karışımının terapötik oluşumu için ortak-kültür mümkündü.
Bu çalışmada, bir süre için bağırsak-on-a-yongalara ana bilgisayar bağırsak mikrobiyomları ko-kültür gerçekleştirmek için ayrıntılı protokol açıklar. Ayrıca, kritik konuları ve potansiyel zorlukları tartışmak bu konak-mikrobiyomları ko-kültür p geniş bir uygulama için dikkat edilmesi gerekenrotocol.
Protocol
Representative Results
Discussion
konak-mikrobiyomları etkileşimleri anlamak tıp ilerleyen için kritik öneme sahiptir; mikrobiyal hücreler, çok in vitro memeli hücreleri aşırı büyütmesi Ancak, plastik bir kaba veya bir statik oyuklu bir plaka içerisinde gerçekleştirilebilir, geleneksel hücre kültürü modelleri fazla 1-2 gün bağırsak mikrop yaşayan insan bağırsak hücrelerinin kararlı ko-kültür desteklemez. Overgrowing mikrobiyal popülasyon hızlı, daha sonra ciddi şekilde intestinal bariyer fonksiyonları aşması…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Sri Kosuri (Wyss Institute at Harvard University) for providing the GFP-labeled E. coli strain. This work was supported by the Defense Advanced Research Projects Agency under Cooperative Agreement Number W911NF-12-2-0036, Food and Drug Administration under contract #HHSF223201310079C, and the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University. The views and conclusions contained in this document are those of the authors and should not be interpreted as representing the official policies, either expressed or implied, of the Army Research Office, Army Research Laboratory, Food and Drug Administration, or the U.S. Government. The U.S. Government is authorized to reproduce and distribute reprints for Government purposes notwithstanding any copyright notation hereon.
Materials
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) containing 25 mM glucose and 25 mM HEPES | Gibco | 10564-011 | Warm it up at 37°C in a water bath. |
| Difco Lactobacilli MRS broth | BD | 288120 | Run autoclave at 121°C for 15 min. |
| Poly(dimethylsiloxane) | Dow Corning | 3097358-1004 | 15:1 (w/w), PDMS : cureing agent |
| Caco-2BBE human colorectal carcinoma line | Harvard Digestive Disease Center | Human colorectal adenocarcinoma | |
| Heat-inactivated FBS | Gibco | 10082-147 | 20% (v/v) in DMEM |
| Trypsin/EDTA solution (0.05%) | Gibco | 25300-054 | Warm it up at 37℃ in a water bath. |
| Penicillin-streptomycin-glutamine | Gibco | 10378-016 | 1/100 dilution in DMEM |
| 4′,6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride | Molecular Probes | D1306 | Nuclei staining |
| Phalloidin-CF647 conjugate (25 units/mL) | Biotium | 00041 | F-actin staining |
| Flexcell FX-5000 tension system | Flexcell International Corporation | FX5K | Peristalsis-like stretcing motion (10% cell strain, 0.15 Hz frequency) |
| Inverted epifluorescence microscope | Zeiss | Axio Observer Z1 | Imaging, DIC |
| Scanning confocal microscope | Leica | DMI6000 | Imaging, Fluorescence |
| UVO Cleaner | Jelight Company Inc | 342 | Surface activation of the gut-chip |
| Type I collagen | Gibco | A10483-01 | Extracellular matrix component for cell culture into the chip |
| Matrigel | BD | 354234 | Extracellular matrix component for cell culture into the chip |
| 1 mL disposable syringe | BD | 309628 | Cell and media injection stuff |
| 25G5/8 needle | BD | 329651 | Cell and media injection stuff |
| Syringe pump | Braintree Scientific Inc. | BS-8000 | Injection equipment into the chip |
| VSL#3 | Sigma-Tau Pharmaceuticals | 7-45749-01782-6 | A formulation of 8 different commensal gut microbes |
| Reinforced Clostridial Medium | BD | 218081 | Anaerobic bacteria culture medium |
| GasPak EZ Anaerobe Container System with Indicator | BD | 260001 | Anaerobic gas generating sachet |
| 4% paraformaldehyde | Electron Microscopy Science | 157-4-100 | Fixing the cells for staining |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Permeabilizing the cells |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A7030 | Blocking agent for staining of the cells |
| Corona treater | Electro-Technic Products | BD-20AC | Plasma generator for fabrication of the chip |
| Steriflip | Millipore | SE1M003M00 | Degasing the complete culture medium |
| Disposable hemocytometer | iNCYTO | DHC-N01 | For manual cell counting |
References
- Turnbaugh, P. J., et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature. 444, 1027-1031 (2006).
- Tremaroli, V., Backhed, F. Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism. Nature. 489, 242-249 (2012).
- Sekirov, I., Russell, S. L., Antunes, L. C. M., Brett Finlay, B. Gut Microbiota in Health and Disease. Physiol. Rev. 90, 859-904 (2010).
- Turnbaugh, P. J., et al. The human microbiome project. Nature. 449, 804-810 (2007).
- Kim, H. J., Huh, D., Hamilton, G., Ingber, D. E. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. Lab Chip. 12, 2165-2174 (2012).
- Round, J. L., Mazmanian, S. K. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease. Nat Rev Immunol. 9, 313-323 (2009).
- Garrett, W. S., et al. Communicable ulcerative colitis induced by T-bet deficiency in the innate immune system. Cell. 131, 33-45 (2007).
- Kim, H. J., Ingber, D. E. Gut-on-a-Chip microenvironment induces human intestinal cells to undergo villus differentiation. Integr Biol. 5, 1130-1140 (2013).
- Huh, D., Kim, H. J., et al. Microfabrication of human organs-on-chips. Nat Protoc. 8, 2135-2157 (2013).
- Kim, H. J., Li, H., Collin, J. J., Ingber, D. E. Contributions of microbiome and mechanical deformation to intestinal bacterial overgrowth and inflammation in a human gut-on-a-chip. Proc. Natl. Acad. Sci. 113, E7-E15 (2016).
- Miller, W. G., Lindow, S. E. An improved GFP cloning cassette designed for prokaryotic transcriptional fusions. Gene. 191, 149-153 (1997).
- Odijk, M., et al. Measuring direct current trans-epithelial electrical resistance in organ-on-a-chip microsystems. Lab Chip. 15, 745-752 (2015).
- Lentle, R. G., Janssen, P. W. Physical characteristics of digesta and their influence on flow and mixing in the mammalian intestine: a review. J Comp Physiol B. 178, 673-690 (2008).
- Granato, D., et al. Cell surface-associated lipoteichoic acid acts as an adhesion factor for attachment of Lactobacillus johnsonii La1 to human enterocyte-like Caco-2 cells. Appl Environ Microbiol. 65, 1071-1077 (1999).
- Dewhirst, F. E., et al. The human oral microbiome. J Bacteriol. 192, 5002-5017 (2010).
- Grice, E. A., Segre, J. A. The skin microbiome. Nat Rev Microbiol. 9, 244-253 (2011).
- Hay, P. E., et al. Abnormal bacterial colonisation of the genital tract and subsequent preterm delivery and late miscarriage. Br Med J. 308, 295-298 (1994).
