Summary

使用磁纳米粒子转导病毒载体进行冷冻切片的原小鼠肠道器官的遗传工程

Published: May 10, 2019
doi:

Summary

我们描述了分步说明:1) 使用磁性纳米粒子对慢透或抗逆转录病毒转导进行高效工程肠道有机体,以及 2) 从工程有机物生成冷冻部分。这种方法提供了一个强大的工具,有效地改变基因表达在有机体的研究下游效应。

Abstract

肠道器官培养为研究肠道干细胞和体外密码生物学提供了独特的机会,尽管操纵器官基因表达的有效方法在这一领域进展有限。虽然CRISPR/Cas9技术允许对细胞进行精确的基因组编辑,以便产生有机体,但这一策略需要通过序列分析进行广泛的选择和筛选,这既耗时又昂贵。在这里,我们提供了一个详细的方案,为有效的病毒转导肠道器官。这种方法快速、高效,从而减少了CRISPR/Cas9技术固有的时间和费用。我们还提出了一个协议,从完整的有机体培养物中生成冷冻部分,以便用免疫组织化学或免疫荧光染色进行进一步分析,可用于确认基因表达或沉默。在成功转导病毒载体进行基因表达或沉默后,可迅速评估肠道干细胞和密码功能。虽然大多数器官研究采用体外检测,但有机体也可以传送给小鼠进行体内功能分析。此外,我们的方法有利于预测对药物的治疗反应,因为目前可用的疗法通常通过调节基因表达或蛋白质功能而不是改变基因组来发挥作用。

Introduction

长时间将小鼠或人类墓穴细胞培养为小肠或结肠的三维 (3D) 有机体的能力提供了重大突破,因为这些培养物显示了肠道上皮在体内的决定性特征1,2,3.从原发墓穴衍生的有机体能够自我更新和自我组织,表现出与其原产组织相似的细胞功能。事实上,有机物不仅概括了体内墓穴的结构组织,而且概括了许多分子特征,为研究正常生物学和疾病状态提供了有用的工具。为了说明,器官研究揭示了参与组织再生1、2、3、4、5以及可增强功能的药物的新型分子途径。在病理设置6,7

对肠道干细胞的研究特别感兴趣,因为肠道内衬是高度再生的哺乳动物组织之一,每3-5天更新一次,以保护生物体免受细菌、毒素和其他病原体的侵害。肠道流明。肠道干细胞(ISCs)负责这种非凡的再生能力,从而为研究成人干细胞功能1,2提供了独特的范例。在小鼠的沿线追踪实验表明,分离的Lgr5阳性干细胞可以培养出来,在体外产生3D器官或”迷你胃”,在体外它们密切镜像体内的同类。有机体培养也可以从肠道密码细胞分离物中衍生,这些分离物由祖细胞、ISC 和 Paneth 细胞组成,后者构成体内的上皮利基细胞。事实上,来自原发性肠道密码细胞的有机体培养已经演变为一种相对常规的技术,在大多数实验室使用广泛可用的试剂很容易实现。该模型还适用于RNA测序(RNA-Seq)的基因表达定量分析,以及通过质谱法、免疫组织化学或免疫荧光染色2、4、8对蛋白质进行定量分析。此外,功能遗传学可以使用功能增益(基因过度表达或激活突变基因的表达)或功能丧失(基因沉默或功能丧失突变的表达)方法2。

重要的是,标准质粒DNA或多蛋白的病毒转导方案的低效率和高毒性仍然是该领域的一个主要障碍。虽然CRISPR/Cas9技术允许精确的基因组编辑,这种方法需要耗时的选择,然后是序列验证9。在这里,我们提出了一个病毒转导方案,用于初级肠道器官,通过结合到磁性纳米粒子和应用磁场来优化病毒颗粒的传递。对先前协议4、5、10、11、12、13作了关键修改,并提出提高效率的建议。我们还描述了一种从3D母体凝胶(今称为基底膜基质或基质)中培养的完整有机物生成冷冻部分的方法,以便通过免疫组织化学或免疫荧光染色进行进一步分析。

Protocol

该协议得到了约翰霍普金斯医疗机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。该协议是从以前发布的方法10,11,12,13修改。 1. 试剂制备 提前几个小时准备新鲜的293T介质,在水浴中加热至37°C,使用前至少10分钟(表1)。 准备质粒DNA2,13,14用于病毒包装。<sup class="xre…

Representative Results

在这里,我们描述了一种快速和高效的转导技术,该技术利用暴露于磁场的磁性纳米粒子,将慢病毒输送到感兴趣的细胞。利用现成的工具,我们不仅应用了这种方法来转导新鲜分离的密码细胞(图1A),还应用了有机物(图2)和其他耐火细胞,以用于更常规的转导方法。Lentiviral粒子可以很容易地与磁性纳米粒子结合,因此,通过使用磁板施加…

Discussion

成人肠道上皮作为有机物的初级培养物为研究干细胞功能、肠道上皮平衡和病理学1、2、3、病理的分子机制提供了强有力的工具。 4.虽然CRISPR/Cas9技术可用于基因工程有机物9,但它受到基于序列分析的广泛筛选和选择所需的广泛筛选和选择的限制。该协议的目的是提供清晰和简洁的说…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了国家卫生研究院(R01DK102943、R03CA182679、R03CA191621)、马里兰干细胞研究基金(2015-MSCRFE-1759,2017-MSCRFD-3934)、美国肺协会、Allegheny健康网络- 约翰斯的资助。霍普金斯研究基金和霍普金斯消化系统疾病基础研究核心中心。

Materials

DMEM Thermo Fisher Scientific 11965092 Base medium for 293T cells
DMEM/F12+ Thermo Fisher Scientific 12634010 Base medium for organoid culture medium and organoid digestion buffer
OPTI-MEM Thermo Fisher Scientific 11058021 Virus plasmids transfection medium
Fetal Bovine Serum Corning 35-011-CV Component of virus collection medium and 293T medium
Pen/Strep Thermo Fisher Scientific 15140122 Component of organoid culture medium and crypt dissociation buffer
PBS (without Ca2+, Mg2+) Thermo Fisher Scientific 10010049 A wash buffer and component of crypt dissociation buffer
Mem-NEAA Thermo Fisher Scientific 11140050 Component of organoid culture medium
GlutamaxII Thermo Fisher Scientific 35050061 Component of organoid culture medium
HEPES Thermo Fisher Scientific 15630080 Component of organoid culture medium
EGF Millipore Sigma E9644 Component of organoid culture medium
Noggin Peprotech 250-38 B Component of organoid culture medium
R-spondin R&D 7150-RS-025/CF Component of organoid culture medium
Human recombinant insulin Millipore Sigma I9278-5ml Component of organoid culture medium
Nicotinamide Millipore Sigma N3376-100G Component of Transduction medium
Wnt3A R&D 5036-WN-010 Component of Transduction medium
Y27632 Millipore Sigma Y0503-1MG Component of Transduction medium
0.5M EDTA Thermo Fisher Scientific 15575020 Component of Crypts dissociation buffer
DTT (dithiothreitol) Thermo Fisher Scientific R0861 Component of Crypts dissociation buffer
Dispase I Millipore Sigma D4818-2MG Component of organoid digestion buffer
DNase I Millipore Sigma 11284932001 Component of organoid digestion buffer
matrigel(Growth factor reduced) Corning 356231 Used as a matrix to embed organoids
Opti-MEM Thermo Fisher Scientific 31985070 Medium for transfection in viral production
ViralMag R/L Oz Biosiences RL40200 Magnetic particles of viral transduction
Magnetic plate Oz Biosiences MF10000 Magnetic plate to facilitate viral transduction
Lipofectamine 2000 Thermo Fisher Scientific 11668019 Transfection agent in viral production
Poly-D-Lysine Millipore Sigma A-003-E Coating for plates before seeding 293T cells
4% Formaldehyde Solution Boster AR1068 Solution to fix organoids
O.C.T embedding compound Thermo Fisher Scientific 4583S For embedding of the the organoids
5 mL Falcon polystyrene tubes Corning 352054
50 mL Falcon Tubes Sarstedt 62.547.100
Orbitron rotator II Rocker Shaker Boekel Scientific 260250
Olympus Inverted microscop CK30 Olympus CK30 for scanning and counting crypts
Zeiss Axiovert 200 inverted fluorescence Nikon Axiovert 200 for viewing fluorescence in the crypts
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter unit with Ultracel-100 membrane Milipore Sigma UFC910024 For concentrating viruses
pluriStrainer 20 µm (Cell Strainer) pluriSelect SKU 43-50020 For preparing organoid fragments
Falcon Cell Strainer Fisher Scientific 352340 For preparing cyrpts of similar size after crypt isolation
Greiner CELLSTAR multiwell culture plates 48 wells (TC treated with lid) Millipore Sigma M8937-100EA ForD2:D37+D16:D37g organoid fragments
Animal strain: C57BL/6J Jackson Lab #000664 For organoid culture

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Xian, L., Chia, L., Georgess, D., Luo, L., Shuai, S., Ewald, A. J., Resar, L. M. Genetic Engineering of Primary Mouse Intestinal Organoids Using Magnetic Nanoparticle Transduction Viral Vectors for Frozen Sectioning. J. Vis. Exp. (147), e57040, doi:10.3791/57040 (2019).

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