Hyaluronik Asit 35 kDa'nın Enteroid Kaynaklı Tek Katmanlı Erken İnce Bağırsak Hasarı ve İyileşmesinin In Vitro Modeline Etkisi
Summary
Bu protokol, insan dışı primat ileumundan izole edilen üç boyutlu (3B) enteroidlerden türetilen iki boyutlu (2B) tek katmanlı tabakalar üzerinde bir çizik yara testi oluşturmak ve gerçekleştirmek için bir yöntem açıklamaktadır.
Abstract
In vitro çizik yara testleri, çeşitli doku tiplerinde epitel iyileşmesinin mekanizmalarını ve özelliklerini araştırmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Burada, terminal ileumun bağırsak kriptlerinden türetilen üç boyutlu (3B) insan dışı primat enteroidlerinden iki boyutlu (2B) bir tek katman oluşturmak için bir protokol açıklıyoruz. Bu enteroid türevi monokatmanlar daha sonra, bir insan sütü HA taklidi olan hyaluronan 35 kDa’nın (HA35) epitel yara kenarı boyunca hücre göçünü ve proliferasyonunu teşvik etme yeteneğini test etmek için in vitro çizik yara testinde kullanıldı. Tek katmanlar akıcılığa yükseltildikten sonra, manuel olarak çizildi ve HA35 (50 μg / mL, 100 μg / mL, 200 μg / mL) veya kontrol (PBS) ile muamele edildi. Hücre göçü ve boşluğa proliferasyon, canlı hücre görüntüleme için donatılmış bir iletilmiş ışık mikroskobu kullanılarak görüntülendi. Yara kapanması, ImageJ’deki Yara İyileştirme Boyutu Eklentisi kullanılarak yara iyileşmesinin yüzdesi olarak ölçüldü. HA35 in vitro , ince bağırsak enteroid tek katmanlarında, muhtemelen yara kenarındaki hücre proliferasyonu ve yara bölgesine göçün bir kombinasyonu yoluyla, yara iyileşmesini hızlandırır. Bu yöntemler potansiyel olarak erken insan ince bağırsağında bağırsak yenilenmesini keşfetmek için bir model olarak kullanılabilir.
Introduction
Nekrotizan enterokolit (NEC) preterm bebeklerde en sık görülen gastrointestinal acillerden biridir1. Hastalık, bağırsak nekrozu, sepsis ve potansiyel olarak ölüme hızla bozulabilen şiddetli bağırsak iltihabı ile karakterizedir. Etiyolojisi belirsiz olmasına rağmen, kanıtlar NEC’nin multifaktöriyel olduğunu ve beslenmenin karmaşık bir etkileşiminin, anormal bakteriyel kolonizasyonun ve olgunlaşmamış bir bağırsak epitelinin sonucu olduğunu düşündürmektedir 2,3. Preterm bebeklerde bağırsak geçirgenliği, anormal bakteriyel kolonizasyon ve düşük enterosit rejeneratif kapasitesi4,5 artmış, intestinal bariyer disfonksiyonu, bakteriyel translokasyon ve NEC gelişimi riskini arttırmıştır. Bu nedenle, bağırsak epitel olgunlaşmasını hızlandırmak ve bağırsak epitelinin yenilenmesini veya iyileşmesini teşvik etmek için stratejilerin veya müdahalelerin belirlenmesi, bu ölümcül hastalığın önlenmesinde kritik öneme sahiptir.
Çalışmalar, insan sütünün (HM) preterm bebeklerde NEC’ye karşı koruyucu olduğunu göstermiştir 6,7,8,9,10,11. Hem insan hem de hayvan çalışmaları, sığır bazlı formülün bağırsak geçirgenliğini arttırdığını ve bağırsak epitel hücreleri için doğrudan toksik olduğunu göstermiştir 2,12. Tam olarak aydınlatılamamasına rağmen, kanıtlar HM’nin koruyucu etkilerinin laktoferrin, immünoglobulin A (IgA) ve HM oligosakkaritler13 gibi biyoaktif bileşenler aracılığıyla aracılık ettiğini göstermektedir. HM ayrıca, tekrarlayan D-glukuronik asit ve N-asetil-D-glukozamin disakkaritleri14,15 ile benzersiz bir sülfatlanmamış glikozaminoglikan olan hyaluronan (HA) bakımından da zengindir. Önemli olarak, bir HM HA taklidi olan oral 35 kDa HA’nın (HA35), bağırsak hasarının şiddetini azalttığını, bakteriyel translokasyonu önlediğini ve murin NEC benzeri bir bağırsak hasarı modelinde mortaliteyi azalttığını gösterdik16,17.
Burada, HA35’in bağırsak iyileşmesi ve in vitro rejenerasyonu üzerindeki etkileri daha ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Günümüzde bağırsak yaralanması ve onarımı için en yaygın kullanılan in vitro tahlil, kolorektal kanser (KRK) hücre tek katmanlarında yapılan bir çizik yara testidir. Böyle bir modelin preterm bebek bağırsağı ile fizyolojik ilgisi sınırlıdır, çünkü CRC hücrelerinin yara onarımı, kök hücre güdümlü onarım süreçlerinden ziyade kanser hücrelerinin yüksek derecede proliferatif doğasına dayanır18. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, birincil kök hücre kaynaklı ince bağırsak enteroidlerinin preterm insan olmayan primatlardan (NHP) izole edilmesi ve sürdürülmesi prosedürü de dahil olmak üzere bir 2D enteroid çizik yara modelinin kurulması burada açıklanmaktadır. Preterm NEC’nin en sık distal ince bağırsakta bildirildiği göz önüne alındığında, primer epitel hücreli organoidlerin bağırsak hasarı ve onarımı modelinde kullanılması, geleneksel kolorektal monokatmanları kullanan mevcut modellere kıyasla daha fizyolojik olarak çevrilebilir bir in vitro model sağlar18,19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Preterm bir bebeğin gastrointestinal sistemi, dysbiosis, inflamatuar bakteriyel metabolitler ve toksinler ve aralıklı hipoksi23,24 ile ilişkili çevresel hakaretlere tekrar tekrar maruz kalmaktan kaynaklanan sürekli rejeneratif baskı altındadır. Ne yazık ki, preterm bebeğin bağırsak epiteli, fonksiyonel bütünlüğü hızlı bir şekilde oluşturamamaktadır23, bariyer disfonksiyonu, artmış bağırsak geçirgenliği ve ciddi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu içerik yalnızca yazarların sorumluluğundadır ve Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin resmi görüşlerini temsil etmek zorunda değildir. HC, Ulusal Sağlık Enstitüleri’nden P20GM134973 hibesi ile desteklenmektedir. KB, Çocuk Hastanesi Vakfı (CHF) ve Presbiteryen Sağlık Vakfı (PHF) hibesi ile desteklenmektedir. Kanser Fonksiyonel Genomik çekirdeği tarafından sağlanan canlı hücre görüntüleme hizmetleri kısmen Oklahoma Üniversitesi Sağlık Bilimleri Merkezi Stephenson Kanser Merkezi’ne verilen Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü Hibe P20GM103639 ve Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Kanser Enstitüsü Hibe P30CA225520 tarafından desteklenmiştir.
Materials
| 10 mL Serological Pipet | Fisher Scientific | 13-675-49 | |
| 100x21mm Dish, Nunclon Delta | ThermoFisher Scientific | 172931 | |
| 15 mL Conical tube | VWR | 89039-666 | |
| 24-Well, TC-Treated, Flat Bottom Plate | Corning | 3524 | |
| 37 µM Reversible Cell Strainer | STEMCELL Technologies | 27215 | |
| 50 mL Conical tube | VWR | 89039-658 | |
| 70 µm Sterile Cell Strainers | Fisher Scientific | FB22-363-548 | |
| Albumin, Bovine (BSA) | VWR | 0332-100G | |
| CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay | Promega | G9681 | |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient Ham's Mixture F-12 (DMEM-F12) with 15 mM HEPES buffer | STEMCELL Technologies | 36254 | |
| Gentle Cell Dissociation Reagent | STEMCELL Technologies | 100-0485 | |
| ImageJ | NIH | imagej.nih.gov/ij/ | |
| Incucyte S3 Live-Cell Analysis Instrument | Sartorius | 4647 | |
| Incucyte Scratch Wound Analysis Software Module | Sartorius | 9600-0012 | |
| IntestiCult Organoid Growth Medium (Human) | STEMCELL Technologies | 06010 | This is HOGMY, but without the Y-27632 or antibiotics. Also used as base for HOGM, but then only missing the antibiotics. |
| Lipopolysaccharides from Escherichia coli O111:B4, purified by gel filtration chromatography | Millipore Sigma | L3012-10MG | |
| Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, Phenol Red-Free | Corning | 356231 | |
| Nunc MicroWell 96-Well, Nunclon Delta-Treated, Flat-Bottom Microplate | ThermoFisher Scientific | 136101 | |
| PBS (Phosphate-Buffered Saline), 1X [-] Calcium, Magnesium, pH 7.4 | Corning | 21-040-CM | |
| Primocin | Invivogen | ant-pm-1 | This is broad-spectrum antibiotics |
| Sodium Hyaluronate, Research Grade, HA20K | Lifecore Biomedical | HA20K-1 | |
| TC20 Automated Cell Counter | Company: Bio-Rad | 1450102 | |
| Trypsin-EDTA 1X, 0.25% Trypsin | Fisher Scientific | MT25053CI | |
| Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72302 |
References
- Lemons, J. A., et al. Very low birth weight outcomes of the National Institute of Child Health and Human Development Neonatal Research Network, January 1995 through December 1996. Pediatrics. 107 (1), 1 (2001).
- Burge, K., Vieira, F., Eckert, J., Chaaban, H. Lipid composition, digestion, and absorption differences among neonatal feeding strategies: Potential implications for intestinal inflammation in preterm infants. Nutrients. 13 (2), 550 (2021).
- Duffy, L. C. Interactions mediating bacterial translocation in the immature intestine. The Journal of Nutrition. 130, 432-436 (2000).
- Nanthakumar, N., et al. The mechanism of excessive intestinal inflammation in necrotizing enterocolitis: An immature innate immune response. PLoS One. 6 (3), 17776 (2011).
- Nanthakumar, N. N., Fusunyan, R. D., Sanderson, I., Walker, W. A. Inflammation in the developing human intestine: A possible pathophysiologic contribution to necrotizing enterocolitis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (11), 6043-6048 (2000).
- He, Y., Lawlor, N. T., Newburg, D. S. Human milk components modulate toll-like receptor-mediated inflammation. Advances in Nutrition. 7 (1), 102-111 (2016).
- Walker, W. A., Iyengar, R. S. Breast milk, microbiota, and intestinal immune homeostasis. Pediatric Research. 77 (1-2), 220-228 (2015).
- Westerbeek, E. A., vanden Berg, A., Lafeber, H. N., Fetter, W. P., van Elburg, R. M. The effect of enteral supplementation of a prebiotic mixture of non-human milk galacto-, fructo- and acidic oligosaccharides on intestinal permeability in preterm infants. British Journal of Nutrition. 105 (2), 268-274 (2011).
- vanden Berg, A., et al. The effect of glutamine-enriched enteral nutrition on intestinal permeability in very-low-birth-weight infants: A randomized controlled trial. Journal of Parenteral and Enteral Nutrition. 30 (5), 408-414 (2006).
- Foster, J. P., Seth, R., Cole, M. J. Oral immunoglobulin for preventing necrotizing enterocolitis in preterm and low birth weight neonates. The Cochrane Database of Systematic Reviews. 4 (4), (2016).
- Maffei, D., Schanler, R. J. Human milk is the feeding strategy to prevent necrotizing enterocolitis. Seminars in Perinatology. 41 (1), 36-40 (2017).
- Patel, A. L., Kim, J. H. Human milk and necrotizing enterocolitis. Seminars in Pediatric Surgery. 27 (1), 34-38 (2018).
- Nolan, L. S., Parks, O. B., Good, M. A review of the immunomodulating components of maternal breast milk and protection against necrotizing enterocolitis. Nutrients. 12 (1), 14 (2019).
- Hill, D. R., et al. Human milk hyaluronan enhances innate defense of the intestinal epithelium. Journal of Biological Chemistry. 288 (40), 29090-29104 (2013).
- Burge, K., Bergner, E., Gunasekaran, A., Eckert, J., Chaaban, H. The role of glycosaminoglycans in protection from neonatal necrotizing enterocolitis: A narrative review. Nutrients. 12 (2), 546 (2020).
- Chaaban, H., et al. Acceleration of small intestine development and remodeling of the microbiome following hyaluronan 35 kDa treatment in neonatal mice. Nutrients. 13 (6), 2030 (2021).
- Gunasekaran, A., et al. Hyaluronan 35 kDa enhances epithelial barrier function and protects against the development of murine necrotizing enterocolitis. Pediatric Research. 87 (7), 1177-1184 (2020).
- Montenegro-Miranda, P. S., et al. A novel organoid model of damage and repair identifies HNF4α as a critical regulator of intestinal epithelial regeneration. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 10 (2), 209-223 (2020).
- Lee, C., Hong, S. N., Kim, E. R., Chang, D. K., Kim, Y. H. Epithelial regeneration ability of Crohn’s disease assessed using patient-derived intestinal organoids. International Journal of Molecular Sciences. 22 (11), 6013 (2021).
- Gurung, S., et al. Maternal Zika virus (ZIKV) infection following vaginal inoculation with ZIKV-infected semen in timed-pregnant olive baboons. Journal of Virology. 94 (11), 00058 (2020).
- Suarez-Arnedo, A., et al. An image J plugin for the high throughput image analysis of in vitro scratch wound healing assays. PLoS One. 15 (7), 0232565 (2020).
- Kobelt, D., Walther, W., Stein, U. S. Real-time cell migration monitoring to analyze drug synergism in the scratch assay using the IncuCyte system. Methods in Molecular Biology. 2294, 133-142 (2021).
- de Jong, J. C. W., Ijssennagger, N., van Mil, S. W. C. Breast milk nutrients driving intestinal epithelial layer maturation via Wnt and Notch signaling: Implications for necrotizing enterocolitis. Biochimica et Biophysica Acta – Molecular Basis of Disease. 1867 (11), 166229 (2021).
- Yu, Y., et al. Erythropoietin protects epithelial cells from excessive autophagy and apoptosis in experimental neonatal necrotizing enterocolitis. PLoS One. 8 (7), 69620 (2013).
- Kessler, S. P., et al. Multifunctional role of 35 kilodalton hyaluronan in promoting defense of the intestinal epithelium. The Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 66 (4), 273-287 (2018).
- Fraser, J. R. E., Laurent, T. C., Laurent, U. B. G. Hyaluronan: Its nature, distribution, functions and turnover. Journal of Internal Medicine. 242 (1), 27-33 (1997).
- Kim, Y., et al. Hyaluronan 35kDa treatment protects mice from Citrobacter rodentium infection and induces epithelial tight junction protein ZO-1 in vivo. Matrix Biology. 62, 28-39 (2017).
- Prehm, P., Schumacher, U. Inhibition of hyaluronan export from human fibroblasts by inhibitors of multidrug resistance transporters. Biochemical Pharmacology. 68 (7), 1401-1410 (2004).
- Stenson, W. F., Ciorba, M. A. Nonmicrobial activation of TLRs controls intestinal growth, wound repair, and radioprotection. Frontiers in Immunology. 11 (3591), 617510 (2021).
- Riehl, T. E., Ee, X., Stenson, W. F. Hyaluronic acid regulates normal intestinal and colonic growth in mice. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 303 (3), 377-388 (2012).
- Riehl, T. E., Santhanam, S., Foster, L., Ciorba, M., Stenson, W. F. CD44 and TLR4 mediate hyaluronic acid regulation of Lgr5+ stem cell proliferation, crypt fission, and intestinal growth in postnatal and adult mice. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 309 (11), 874-887 (2015).
- Hill, D. R., Kessler, S. P., Rho, H. K., Cowman, M. K., de la Motte, C. A. Specific-sized hyaluronan fragments promote expression of human beta-defensin 2 in intestinal epithelium. Journal of Biological Chemistry. 287 (36), 30610-30624 (2012).
- Fernando, E. H., Gordon, M. H., Beck, P. L., MacNaughton, W. K. Inhibition of intestinal epithelial wound healing through protease-activated receptor-2 activation in Caco2 cells. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 367 (2), 382-392 (2018).
- Nyegaard, S., Christensen, B., Rasmussen, J. T. An optimized method for accurate quantification of cell migration using human small intestine cells. Metabolic Engineering Communications. 3, 76-83 (2016).
- Roodsant, T., et al. A human 2D primary organoid-derived epithelial monolayer model to study host-pathogen interaction in the small intestine. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 10, 272 (2020).
- Singh, A., Poling, H. M., Spence, J. R., Wells, J. M., Helmrath, M. A. Gastrointestinal organoids: a next-generation tool for modeling human development. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 319 (3), 375-381 (2020).
- Foulke-Abel, J., et al. Human enteroids as an ex-vivo model of host-pathogen interactions in the gastrointestinal tract. Experimental Biology and Medicine. 239 (9), 1124-1134 (2014).
- Foulke-Abel, J., et al. Human enteroids as a model of upper small intestinal ion transport physiology and pathophysiology. Gastroenterology. 150 (3), 638-649 (2016).
