Summary

زراعة وتجميد ومعالجة وتصوير عضويات وكرويات كاملة أثناء وجودها في هيدروجيل

Published: December 23, 2022
doi:

Summary

تصف هذه الدراسة منهجيات زراعة وتجميد وإذابة ومعالجة وتلطيخ ووضع العلامات وفحص كرويات وعضويات كاملة تحت مجاهر مختلفة ، بينما تظل سليمة في هيدروجيل داخل جهاز متعدد الأغراض.

Abstract

أصبحت الكائنات العضوية والكروية ، وهي هياكل متنامية ثلاثية الأبعاد في مختبرات زراعة الخلايا ، معترف بها بشكل متزايد كنماذج متفوقة مقارنة بنماذج الثقافة ثنائية الأبعاد ، لأنها تحاكي جسم الإنسان بشكل أفضل ولها مزايا على الدراسات على الحيوانات. ومع ذلك ، تواجه هذه الدراسات عادة مشاكل في التكاثر والاتساق. خلال العمليات التجريبية الطويلة – مع نقل المواد العضوية والكروية بين أوعية زراعة الخلايا المختلفة ، والماصات ، وأجهزة الطرد المركزي – غالبا ما تتلف هذه الهياكل المتنامية 3D الحساسة والهشة أو تضيع. في النهاية ، تتأثر النتائج بشكل كبير ، لأن هياكل 3D لا يمكنها الحفاظ على نفس الخصائص والجودة. تقلل الطرق الموضحة هنا من هذه الخطوات المجهدة وتضمن بيئة آمنة ومتسقة للعضويات والكروية طوال تسلسل المعالجة بينما لا تزال في هيدروجيل في جهاز متعدد الأغراض. يمكن للباحثين أن ينمووا ، ويتجمدوا ، ويذوبوا ، ويعالجوا ، ويلطخوا ، ويلصقوا ، ثم يفحصون بنية الكائنات العضوية أو الكروية تحت أدوات مختلفة عالية التقنية ، من المجاهر البؤرية إلى المجاهر الإلكترونية ، باستخدام جهاز واحد متعدد الأغراض. تعمل هذه التقنية على تحسين قابلية استنساخ الدراسات وموثوقيتها وصلاحيتها ، مع الحفاظ على بيئة مستقرة ووقائية للهياكل المتنامية 3D أثناء المعالجة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التخلص من الخطوات المجهدة يقلل من أخطاء المعالجة ، ويقلل من الوقت المستغرق ، ويقلل من خطر التلوث.

Introduction

يكمن مستقبل أبحاث الخلايا والعلاج في مزارع الخلايا ثلاثية الأبعاد1،2،3. تعمل النماذج العضوية والكروية على سد الفجوة بين التجارب في المختبر والنماذج الحيوانية من خلال إنشاء نماذج أفضل تحاكي نمو جسم الإنسان وعلم وظائف الأعضاء والأمراض4،5،6،7،8،9. ومع ذلك ، فإن قابلية استنساخ وتكرار هذه النماذج لا تزال صعبة. علاوة على ذلك ، فإن التعامل مع هذه الهياكل وحصادها ونقلها وطردها بالطرد المركزي باستخدام التقنيات الحالية يؤدي إلى فقدان أو تلف المواد العضوية والكروية في العديد من الظروف ، مما يؤثر بشكل كبير على النتائج.

على الرغم من العديد من البروتوكولات الخاصة بالتلوين النسيجي ، والتلوين الكيميائي المناعي ، ووضع العلامات المناعية ، والحفظ بالتبريد ، لا يوجد نهج عالمي يتعلق بتوحيد الظروف التجريبية ، والتعامل مع هذه الهياكل الحساسة ومعالجتها دون فقدانها أو إتلافها. البروتوكولات الحالية هي أيضا طويلة بشكل لا يصدق ، بالتناوب من بضعة أيام إلى عدة أسابيع ، وتشمل إجراءات معقدة مع الكواشف المختلفة10،11،12،13،14. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحصاد ، والماصات ، والطرد المركزي ، ونقل الهياكل المتنامية 3D بين أوعية زراعة الخلايا و cryovials تسبب تغييرات في وضع الهياكل والقوى الميكانيكية ، وتؤثر في النهاية على تمايز ونضج المواد العضوية والكروية. تم الإبلاغ عن أن طوبولوجيا الأنسجة ، وتحديد مواقع الخلايا ، والقوى الميكانيكية تؤثر بشكل كبير على تمايز الخلايا ونضجها6،15،16،17.

لذلك ، من المستحسن تحسين التقنيات التقليدية الحالية لتوليد المواد العضوية والكروية بجودة مستقرة. إن الطريقة / الجهاز الذي سيتخطى الطرد المركزي والخطوات الأخرى الموضحة أعلاه ويوفر المواد في بيئة آمنة واحدة من بداية العمليات المتعددة إلى نهايتها سيكون مفيدا للوصول إلى البيانات الأكثر اتساقا وموثوقية. بالإضافة إلى ذلك ، سيؤدي ذلك إلى تقليل قيود الوقت والعمالة والتكلفة.

يوفر الجهاز متعدد الأغراض (MD) الموصوف هنا بيئة آمنة واحدة لعمليات متعددة من المواد العضوية والكروية (الشكل التكميلي 1). يلغي هذا الجهاز والبروتوكولات المكملة خطوات الحصاد والماصات والنقل والطرد المركزي. تبقى المواد العضوية والكروية في بيئتها المختبرية أثناء العمليات المتسلسلة. تتكون هذه البيئة بشكل أساسي من مكونات مصفوفة خارج الخلية طبيعية أو اصطناعية ، مثل الهلاميات المائية المتاحة تجاريا. بمعنى آخر ، تسمح الطرق الموضحة هنا بمعالجة عينة كاملة من المواد العضوية / الكروية وفحصها وتجميدها أثناء وجودها في قطرة هيدروجيل.

الجهاز المتوافق حيويا مقاوم لدرجات الحرارة بين 60 درجة مئوية و -160 درجة مئوية ، مما يجعل من الممكن استعادة المواد العضوية / المنشطات في خزان النيتروجين السائل عند -160 درجة مئوية أو تحضير كتل الراتنج للمجهر الإلكتروني عند 60 درجة مئوية. تم تصميم مكانة الجهاز لتحديد مساحة محدودة للهياكل المتنامية ثلاثية الأبعاد وتحفيز تكوين الأجسام الكروية أو العضوية بناء على الدراسات السابقة18،19،20،21،22،23. هذا الجزء من الجهاز شفاف ويحتوي على بلاستيك محدد يوفر جودة بصرية عالية (معامل الانكسار: 1.43 ؛ قيمة آبي: 58 ؛ السماكة: 7.8 مل [0.0078 بوصة أو 198 ميكرومتر]). يتسبب كل من الكوة والجزء “الجانبي” المحيط في التألق الذاتي. تبلغ مساحة الكوة الشفافة في الوسط 80 مم 2 ، بينما يبلغ الجزء الجانبي 600 مم2. عمق الحاوية 15 مم ، وسمكها 1.5 مم. هذه الميزات ، بالإضافة إلى حجم وتصميم الجهاز ، تجعل من الممكن إجراء ملاحظات تحت أنواع مختلفة من المجهر عالي التقنية وإعداد العينات للفحوصات المجهرية الإلكترونية (الشكل 2). يوفر نظام إغلاق الجهاز وضعين ، أحدهما مغلق في الثلاجة والآخر يسمح بتدفق الغاز في الحاضنة. تظهر فحوصات انتشار CCK8 والسمية الخلوية تأثيرات مماثلة على الخلايا مقارنة بأطباق زراعة الخلايا التقليدية (الشكل التكميلي 2). يوضح اختبار استبعاد التريبان الأزرق قابلية عالية للخلايا (94٪) أثناء زراعة الخلايا في MD (الشكل 3).

تشمل العمليات التي يمكن إجراؤها لعينة واحدة في الجهاز الواحد (1) الزراعة ، (2) التلوين النسيجي ، (3) التلطيخ المناعي ، بما في ذلك وضع العلامات المناعية الكيميائية والتألقية المناعية ، (4) التجميد ، (5) الذوبان ، (6) الفحص تحت المجاهر الضوئية ، مثل برايتفيلد ، داركفيلد ، مضان ، مجاهر ، بؤرية ، وفائقة الدقة ، (7) طلاء وفحص مباشرة تحت المجهر الإلكتروني الماسح ، أو (8) التحضير للمجهر الإلكتروني النافذ ( الشكل 2).

توجد منهجيات مختلفة للتلطيخ النسيجي ، أو وضع العلامات المناعية الكيميائية ، أو وضع العلامات الفلورية على المواد العضوية والكروية 10،11،12،13،14،24،25. حصادها من هيدروجيل هو الخطوة الأولى والرئيسية للتكنولوجيا الحالية. بعد هذه الخطوة ، تسمح بعض الطرق بوضع العلامات المناعية بالكامل. يتم تضمين المواد العضوية المحصودة في البارافين ، مجزأة ، وموسومة للتلطيخ والمناعة في الآخرين. ومع ذلك ، قد لا تقدم الأقسام العينة بأكملها وتوفر بيانات محدودة فقط تتعلق ببنية 3D للهيكل. علاوة على ذلك ، فإن الأضرار التي لحقت بهذه الهياكل 3D وفقدان المستضدات هي الآثار الجانبية المعروفة لهذه التقنيات.

تسمح البروتوكولات الجديدة التكميلية للفحوصات المجهرية في هذه المقالة بتحليل عينات كاملة لا تزال في هيدروجيل. تتضمن البروتوكولات الموصوفة هنا تركيبتين مطورتين حديثا: محلول للكيمياء الهيستولوجية المناعية (S-IHC) ومحلول لوضع العلامات المناعية (S-IF). تسمح طرق هذه الحلول للباحثين بالحصول على بيانات أكثر دقة ، حيث لا توجد آثار ضارة لسير العمل التقليدي ، مثل الطرد المركزي ، وسحب العينات ، ونقل الهياكل الحساسة. يلغي البروتوكول الموصوف هنا أيضا الحاجة إلى خطوات الحصاد والحجب والتطهير واسترجاع المستضد ، ويقصر الإجراء بأكمله إلى 6-8 ساعات. علاوة على ذلك ، تسمح المنهجية بإضافة واحد إلى ثلاثة أجسام مضادة في وقت واحد إلى نفس S-IF. لذلك ، من الممكن الحصول على النتائج في نفس اليوم حتى بعد تجارب وضع العلامات المتعددة ، وهي ميزة أخرى للبروتوكول الموصوف هنا ؛ عادة ما تستغرق بروتوكولات وضع العلامات المناعية التقليدية الكاملة ما بين 3 أيام وعدة أسابيع10،11،12،13،14.

كما تم حذف تضمين البارافين ، وهو خطوة ضارة أخرى تقلل من المستضد. يبقى هيكل 3D في بيئته في المختبر من بداية إلى نهاية الفحص المجهري. نظرا لأن بنية 3D لا تزال في ظروف نموها ، فإن تعبير البروتين وبيانات التوطين تحاكي ظروف الجسم الحي بشكل أفضل. من المتوقع الحصول على نتائج أكثر دقة ، لأن المنهجية تلغي الخطوات التي تؤثر على تعبير مستضد العينة. يوضح الجدول 1 والجدول 2 كيف أن هذه البروتوكولات الجديدة تلغي الخطوات ، وتوفر الوقت والعمل في المختبر ، وتقلل التكاليف ومنتجات النفايات مقارنة بسير العمل التقليدي.

بالإضافة إلى الخطوات الحاسمة الموضحة أعلاه ، هناك مشكلة أخرى تتمثل في توفير وسيط حفظ بالتبريد وطريقة للحفاظ على بنية 3D للعينة بمعدلات صلاحية خلية أعلى26،27،28،29،30،31. يعد الحفظ بالتبريد ضروريا لإنشاء نظام نموذجي مستقر وتمكين البنوك الحيوية للعضويات والكروية32,33. البنوك الحيوية سيسمح هيكل 3D الأصلي بأكمله بتلخيص أكثر إخلاصا للحالة الطبيعية للصحة أو المرض. الاعتبارات الرئيسية هي راحة وموثوقية الحفظ بالتبريد وذوبان المواد العضوية / الكروية. الانتعاش العضوي بعد الذوبان منخفض جدا في معظم التقنيات الحالية ، وغالبا ما يكون أقل من 50٪. ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات الحديثة نتائج واعدة مع تحسين معدلات البقاء على قيد الحياة26،27،28،29. أظهر Lee et al. أن 78٪ من الخلايا الكروية نجت بعد الحفظ بالتبريد عندما استخدموا محلول جامعة ويسكونسن الذي يحتوي على 15٪ DMSO28. زادت نسبة بقاء الخلية إلى 83٪ في دراسة Arai et al.29. ومع ذلك ، تتأثر النتائج بعد الحفظ بالتبريد بشكل كبير لأن هياكل 3D لا يمكنها الحفاظ على نفس الخصائص والجودة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكواشف الخالية من المصل مطلوبة لممارسة التصنيع الجيدة في الإعدادات الصيدلانية والتشخيصية. تستخدم تدفقات العمل التقليدية وسيطا يحتوي على مصل بقري جنيني (FBS) وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) لطريقة التجميد البطيء ، وكلاهما مرتبط بالإعاقات. FBS هو منتج مشتق من الحيوانات ويمكن أن يكون له اختلافات في الدفعات. DMSO هو مادة واقية من التبريد ناجحة للغاية ، ولكن التعرض طويل الأمد ، خاصة أثناء الذوبان ، قد يسبب تأثيرات سامة للخلايا30,31.

توضح هذه المقالة أيضا منهجية التجميد / الذوبان للعضويات أو الكرويات بأكملها أثناء وجودها في هيدروجيل. تم استخدام صيغتين لتجميد المواد العضوية والكروية في الدراسة: (1) 10٪ DMSO يحتوي على محلول تجميد تقليدي (FS) و (2) وسط حفظ بالتبريد خال من المصل و DMSO. يحتوي وسيط الحفظ بالتبريد هذا على مكونات مصفوفة خارج الخلية ، والتي تختلف عن الصيغ الحالية. تتكون المصفوفة خارج الخلية من فئتين رئيسيتين من الجزيئات الكبيرة ، البروتيوغليكان ، والبروتينات الليفية ، والتي تعتبر ضرورية للسقالات الفيزيائية للمكونات الخلوية ، ولكنها تبدأ أيضا العمليات المطلوبة لتشكل الأنسجة والتمايز والتوازن34،35،36،37،38،39،40 . توفر الكولاجين قوة الشد ، وتنظم التصاق الخلايا ، وتدعم الانجذاب الكيميائي والهجرة ، وتطور الأنسجة المباشر37. بالإضافة إلى ذلك ، توفر ألياف الإيلاستين ارتدادا للأنسجة التي تخضع لتمدد متكرر38. يوجه بروتين ليفي ثالث ، الفبرونيكتين ، تنظيم المصفوفة الخلالية خارج الخلية وله دور حاسم في التوسط في ارتباط الخلية ويعمل كمنظم ميكانيكي خارج الخلية39. أظهر Du et al. التأثير الواقي من البرودة لهيدروليزات كولاجين الدجاج على نظام نموذج الأكتوميوسين الطبيعي41. تشير نتائجهم إلى أن تحلل الكولاجين يمكن أن يمنع نمو بلورات الجليد ، ويقلل من تمسخ تجميد البروتين والأكسدة بشكل مشابه للمواد الواقية من التبريد التجارية ، ويوفر بنية هلام أفضل بعد دورات التجميد والذوبان. لذلك ، فإن إضافة مكونات المصفوفة خارج الخلية إلى وسائط الحفظ بالتبريد توفر بيئة أكثر أمانا وحماية للعينة وتدعم الهياكل الحية للشفاء بعد التجميد والذوبان.

بالإضافة إلى ذلك ، تصف الدراسة الحالية بروتوكولا مباشرا لتسمية الأغشية السيتوبلازمية ونوى الكائنات العضوية الحية والكروية أثناء وجودها في الهيدروجيل.

Protocol

1. زراعة المواد العضوية والكروية ضع الهيدروجيل على الثلج طوال الليل (في الثلاجة أو غرفة باردة) ليذوب. ضع الجهاز متعدد الأغراض المتاح تجاريا (MD ؛ انظر جدول المواد) في الحاضنة قبل يوم واحد من التجربة (37 درجة مئوية ، 5٪ CO2) للتدفئة. ضع أطراف ماصة معقمة عريض?…

Representative Results

تمثل هذه المقالة جهازا متعدد الأغراض (MD) ومنهجيات تكميلية للزراعة والتجميد والذوبان والتلوين النسيجي والتلوين الكيميائي المناعي ووضع العلامات المناعية والطلاء ومعالجة المواد العضوية أو الكروية بأكملها بينما لا تزال في هيدروجيل في بيئة واحدة مصممة بشكل فريد. تم تصميم الدراسة الحالية لإ?…

Discussion

MD ، المكمل للتركيبات والبروتوكولات الموصوفة هنا ، يسهل النمو السريع والعفوي 3D للعضويات والكروية في بيئة أكثر تحكما ويواصل التجربة في نفس الظروف. تبقى العينة في نفس البيئة خلال العملية بأكملها ، ويبقى ما يقرب من 100٪ من البنى المتنامية 3D سليمة في الحاوية. هذا يحسن التجانس أثناء التجارب المت?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نحن ممتنون لديل ميرتس من جامعة شيكاغو لإعداد الرسوم البيانية، وللدكتور محمد شريف أيدين لدعمه الفني في معهد أبحاث العلوم والتقنيات الصحية بجامعة اسطنبول ميديبول، وللدكتورة رنا كاظمي من جامعة مالتيبي لتحرير المخطوطة.

Materials

Absolute Ethanol (EtOH) Merck 8187602500 Dilute in dH2O to make 30%, 50%, 70%, 80%, 90% and 96% solution and store at RT
Acetone Merck 8222512500 Store at RT
Alexa fluor wheat germ agglutinin and Hoechst  in Hank's balanced salt solution (HBSS)   Invitrogen I34406 Image-IT LIVE Plasma Membrane and Nuclear Labeling Kit, Store at -20 °C
Alpha-1-Fetoprotein (AFP) Concentrated and Prediluted Polyclonal Antibody Biocare Medical CP 028 A Store at +4 °C
Anti-albumin antibody Abcam EPR20195 Store at +4 °C, Dilution: 1:50
Anti-beta galactosidase antibody, Chicken polyclonal Abcam 134435 Store at +4 °C, Dilution: 1:25
Anti-cytokeratin 5 Abcam 53121 Store at +4 °C, Dilution: 1:100
Arginase-1 Concentrated and Prediluted Rabbit Monoclonal Antibody Biocare Medical ACI 3058 A, B Store at +4 °C, Dilution: 1:50
Calcium chloride (CaCl2) Sigma C1016-500G Dissolve in Karnovsky's fixative to make 2 mM CaCl2; store at RT
Cell Counting Kit 8 (WST-8 / CCK8) Abcam ab228554
Centrifuge tubes, 15 mL  Nest 601051
Centrifuge tubes, 50 mL  Nest 602052
Class II Microbiological Safety Cabinet Bio II Advance Plus Telstar EN12469
CO2 Incubator Panasonic KM-CC17RU2
Copper Grids Electron Microscopy Sciences G100-Cu Ultra-thin sections put on the grids; 100 lines/inch square mesh
Critical Point Dryer Leica EM CPD300 For drying biological samples for SEM applications in absolute acetone
DAB/AEC chromogen solution mixture   Sigma Aldrich AEC101 Store at +4 °C
Diamond knife Diatome Ultra 45°, 40-US Use for ultra-thin sections for TEM
Dimethyl sulfoxide for molecular biology Biofroxx 67-68-5
Disposable Plastic Pasteur Pippettes Nest
DMEM – Dulbecco's Modified Eagle Medium Gibco 41966-029 Store at +4 °C
Eosin Y Solution Alcoholic Bright Slide 2.BS01-105-1000
Epon resin  Sigma 45359-1EA-F Epoxy Embedding Medium kit, Store at +4 °C
Fetal Bovine Serum with Additive Fortifier Pan Biotech P30-3304 Store at +4 °C
Freezing Solution (FS) Cellorama CellO-F Store at +4 °C
Glass knife maker Leica EM KMR3 For make glass knives in 8 mm thickness
Glass knife strips (Size 8 mm x 25.4 mm x 400 mm) Leica 7890-08 Use for ultra- or semi-thin sections for TEM
Glutaraldehyde Aqueous Solution, EM grade, 25%  Electron Microscopy Sciences 16210 Dilute in dH2O to make 2.5% solution and store at +4 °C
Glycerol solution Sigma Aldrich 56-81-5 Store at -20 C, Dilution :1:100
Goat anti-chicken IgY (H+L) Secondary Antibody,Alexa, 647 Invitrogen A32933 Store at RT
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Secondary Antibody, DyLight, 488 Invitrogen 35502 Store at +4 °C,  Dilution :1:50
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Secondary Antibody, DyLight, 550 Invitrogen 84540 Store at +4 °C,  Dilution :1:50
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, DyLight, 488 Invitrogen 35552 Store at +4 °C,  Dilution :1:50
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, DyLight, 550 Invitrogen 84541 Store at +4 °C
Hematoxylin Harris  Bright Slide 2.BS01-104-1000
HepG2 cells ATCC HB-8065 Store in nitrogen tank
Human/Rat OV-6 Antibody Monoclonal Mouse IgG1 Clone # OV-6 R&D Systems MAB2020 Store at -20 °C
Hydrogel Corning 354248 Matrigel, Basement Membrane Matrix High Concentration (HC), LDEV-free, 10 mL, Store at -20 °C
Hydrogel Corning 354234 Matrigel, Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL, Store at -20 °C
Hydrogel ThermoFischer Scientific A1413201 Geltrex, LDEV-Free Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix
Hydrogel Biotechne, R&D Systems BME001-01 Cultrex Ultramatrix RGF BME, Store at -20 °C
Karnovsky's fixative %2 PFA, %2.5 Glutaraldehyde in 0.15 M Cacodylate Buffer, 2 mM CaCl2; prepare fresh; use for TEM & SEM samples
L-Aspartic acid Sigma 11189-100G Store at RT
Lead aspartate solution Dissolve 40 mg aspartic acid in 10 mL ddH2O and add 66 mg lead nitrate. Solution stabilize at 60 °C and adjust pH to 5; prepare fresh
Lead nitrate Electron Microscopy Sciences 17900 Store at RT
Leica Confocal Microscope Leica DMi8
LSM 700 Laser Scanning Confocal Microscope Zeiss
Microplate reader Biotek Synergy
Multipurpose Device (MD) Cellorama CellO-M
Nuclear-DNA stain Invitrogen H3569 Hoechst 33258, Pentahydrate (bis-Benzimide) – 10 mg/mL Solution in Water, Store at +4 °C
Nuclear-DNA stain ThermoFischer Scientific 62248 DAPI solution, Store at +4 °C
Osmium Tetroxide (OsO4) ,4% Electron Microscopy Sciences 19190 Dilute in dH2O to make 2% solution; store at +4 °C and in airtight container; protect light
Ov6 antibody R&D systems MAB2020 Store at +4 °C
Paraformaldehyde (PFA) solution, 4%  Sigma 1.04005.1000 Dissolve 4% PFA in dH2O and boil, cool and aliquot; store at -20 °C
Paraformaldehyde solution 4% in PBS, 1 L Santa Cruz Biotechnology sc-281692 Store at +4 °C
Phosphate Buffered Saline (PBS), tablets MP Biomedicals, LLC 2810305
Post-fixative solution %2 OsO4, %2.5 Potassium Ferrocyanide in dH2O; prepare fresh
Potassium Ferrocyanide aqueous solution, 5%  Electron Microscopy Sciences 26603-01 Store at RT
Primovert – Inverted Bright Field Microscope – ZEISS Zeiss Item no.: 491206-0001-000
Round bottom microcentrifuge tubes, 2 mL Nest 620611
Scanning Electron Microscopy with STEM attachment Zeiss GeminiSEM 500 We use Inlens Secondary Electron (SE) detector at 2-3 kV for scanning electron micrographs and aSTEM detector at 30 kV for transmission electron micrographs.
SensiTek HRP Anti-Polyvalent Lab Pack ScyTek Laboratories SHP125 Store at +4 °C
Sodium Cacodylate Buffer, 0.4 M, pH 7.2 Electron Microscopy Sciences 11655 Dilute in dH2O to make 0.2 M and store at +4 °C
Sodium/Potassium ATPase alpha 1 antibody [M7-PB-E9] GeneTex GTX22871 Store at -20 °C
Solution for Immunofluorescence Labeling (S-IF) Cellorama CellO-IF Store at +4 °C
Solution for Immunohistochemistry (S-IHC) Cellorama CellO-P Store at +4 °C
Specimen trimming device Leica EM TRIM2 For prepare epon sample block to ultramicrotome
Sputter coater Leica EM ACE200 Coat the SEM samples with 6 nm gold/palladium for 90 s
Thiocarbohydrazide (TCH) Sigma 223220-5G Dilute in dH2O to make 0.5% solution and filter with 0.22 µm membrane filter; store at RT; prepare fresh
Trypan Blue Solution, 0.4% Gibco 15250061
Ultra gel super glue Pattex PSG2C For glue polymerized epon block with sample to holder epon block
Ultramicrotome Leica EM UC7 For prepare high-quality ultra- or semi-thin sections for transmission electron microscopy (TEM)
Universal Pipette Tips, 10 µL Nest 171215-1101
Universal Pipette Tips, 1000 µL Isolab L-002
Universal Pipette Tips, 200 µL  Nest 110919HA01
Uranyl Acetate Electron Microscopy Sciences 22400 Dilute in dH2O to make 2% solution and filter with 0.22 µm membrane filter; keep tightly closed container store at RT

References

  1. Clevers, H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 165 (7), 1586-1597 (2016).
  2. Drost, J., Clevers, H. Organoids in cancer research. Nature Reviews Cancer. 18 (7), 407-418 (2018).
  3. Nath, S., Devi, G. R. Three-dimensional culture systems in cancer research: Focus on tumor spheroid model. Pharmacology & Therapeutics. 163, 94-108 (2016).
  4. Bartfeld, S., Clevers, H. Stem cell-derived organoids and their application for medical research and patient treatment. Journal of Molecular Medicine. 95 (7), 729-738 (2017).
  5. Marsee, A., et al. Building consensus on definition and nomenclature of hepatic, pancreatic, and biliary organoids. Cell Stem Cell. 28 (5), 816-832 (2021).
  6. Hautefort, I., Poletti, M., Papp, D., Korcsmaros, T. Everything you always wanted to know about organoid-based models (and never dared to ask). Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 14 (2), 311-331 (2022).
  7. Kakni, P., Truckenmüller, R., Habibović, P., Giselbrecht, S. Challenges to, and prospects for, reverse engineering the gastrointestinal tract using organoids. Trends in Biotechnology. 40 (8), 932-944 (2022).
  8. Eglen, R. M., Reisine, T. Human iPS cell-derived patient tissues and 3D cell culture part 2: spheroids, organoids, and disease modeling. SLAS Technology: Translating Life Sciences Innovation. 24 (1), 18-27 (2019).
  9. Chatzinikolaidou, M. Cell spheroids: the new frontiers in in vitro models for cancer drug validation. Drug Discovery Today: Technologies. 21 (9), 1553-1560 (2016).
  10. Rios, A. C., Clevers, H. Imaging organoids: a bright future ahead. Nature Methods. 15 (1), 24-26 (2018).
  11. Dekkers, J. F., et al. High-resolution 3D imaging of fixed and cleared Organoids. Nature Protocols. 14 (6), 1756-1771 (2019).
  12. Renner, H., Otto, M., Grabos, M., Schöler, H. R., Bruder, J. M. Fluorescence-based single-cell analysis of whole-mount-stained and cleared microtissues and organoids for high throughput screening. Bio-protocol. 11 (12), (2021).
  13. Edwards, S. J., et al. High-resolution imaging of tumor spheroids and organoids enabled by expansion microscopy. Frontiers in Molecular Biosciences. 7, 208 (2020).
  14. Bergdorf, K. N., et al. Immunofluorescent staining of cancer spheroids and fine-needle aspiration-derived organoids. STAR Protocols. 2 (2), 100578 (2021).
  15. Foty, R. A., Pfleger, C. M., Forgacs, G., Steinberg, M. S. Surface tensions of embryonic tissues predict their mutual envelopment behavior. Development. 122 (5), 1611-1620 (1996).
  16. Jia, D., Dajusta, D., Foty, R. A. Tissue surface tensions guide in vitro self-assembly of rodent pancreatic islet cells. Developmental Dynamics. 236 (8), 2039-2049 (2007).
  17. Foty, R. A., Steinberg, M. S. The differential adhesion hypothesis: a direct evaluation. 발생학. 278 (1), 255-263 (2005).
  18. Laschke, M. W., Menger, M. D. Life is 3D: boosting spheroid function for tissue engineering. Trends in Biotechnology. 35 (2), 133-144 (2017).
  19. Sant, S., Johnston, P. A. The production of 3D tumor spheroids for cancer drug discovery. Drug Discovery Today: Technologies. 23, 27-36 (2017).
  20. Marrero, B., Messina, J. L., Heller, R. Generation of a tumor spheroid in a microgravity environment as a 3D model of melanoma. In Vitro Cellular & Developmental Biology. Animal. 45 (9), 523-534 (2009).
  21. Napolitano, A. P., et al. Scaffold-free three-dimensional cell culture utilizing micromolded nonadhesive hydrogels. Biotechniques. 43 (4), 494-500 (2007).
  22. Ferreira, L. P., Gaspar, V. M., Mano, J. F. Design of spherically structured 3D in vitro tumor models-Advances and prospects. Acta Biomaterialia. 75, 11-34 (2018).
  23. Kim, S., et al. Spatially arranged encapsulation of stem cell spheroids within hydrogels for the regulation of spheroid fusion and cell migration. Acta Biomaterialia. 142, 60-72 (2022).
  24. Cukierman, E., Pankov, R., Yamada, K. M. Cell interactions with three-dimensional matrices. Current Opinion in Cell Biology. 5 (5), 633-640 (2002).
  25. Sargenti, A., et al. A new method for the study of biophysical and morphological parameters in 3D cell cultures: Evaluation in LoVo spheroids treated with crizotinib. PLoS One. 16 (6), 0252907 (2021).
  26. Jeong, Y., et al. Vitrification for cryopreservation of 2D and 3D stem cells culture using high concentration of cryoprotective agents. BMC Biotechnology. 20 (1), 45-54 (2020).
  27. Lee, J. H., Jung, D. H., Lee, D. H., Park, J. K., Lee, S. K. Effect of spheroid aggregation on susceptibility of primary pig hepatocytes to cryopreservation. Transplantation Proceedings. 44 (4), 1015-1017 (2012).
  28. Lee, B. E., et al. A simple and efficient cryopreservation method for mouse small intestinal and colon organoids for regenerative medicine. Biochemical and Biophysical Research Communications. 595, 14-21 (2022).
  29. Arai, K., Murata, D., Takao, S., Verissiomo, A. R., Nakayama, K. Cryopreservation method for spheroids andfabrication of scaffold-free tubular constructs. PLoS One. 15 (4), (2020).
  30. Awan, M., et al. Dimethyl sulfoxide: a central player since the dawn of cryobiology, is efficacy balanced by toxicity. Regenerative Medicine. 15 (3), 1463-1491 (2020).
  31. Erol, O. D., Pervin, B., Seker, M. E., Aertes-Kaya, F. Effects of storage media, supplements and cryopreservation methods on quality of stem cells. World Journal of Stem Cells. 13 (9), 1197-1214 (2021).
  32. De Angelis, M. L., et al. Colorectal cancer spheroid biobanks: multi-level approaches to drug sensitivity studies. Cell Biology and Toxicology. 34 (6), 459-469 (2018).
  33. Botti, G., Di Bonito, M., Cantile, M. Organoid biobanks as a new tool for pre-clinical validation of candidate drug efficacy and safety. International Journal of Physiology Pathophysiology and Pharmacology. 13 (1), 17-21 (2021).
  34. Jarvelainen, H., Sainio, A., Koulu, M., Wight, T. N., Penttinen, R. Extracellular matrix molecules: potential targets in pharmacotherapy. Pharmacological Reviews. 61 (2), 198-223 (2009).
  35. Nelson, C. M., Bissell, M. J. Of extracellular matrix, scaffolds, and signaling: tissue architecture regulates development, homeostasis, and cancer. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 22, 287-309 (2006).
  36. Schaefer, L., Schaefer, R. M. Proteoglycans: from structural compounds to signaling molecules. Cell and Tissue Research. 339 (1), 237-246 (2010).
  37. Rozario, T., DeSimone, D. W. The extracellular matrix in development and morphogenesis: a dynamic view. 발생학. 341 (1), 126-140 (2010).
  38. Wise, S. G., Weiss, A. S. Tropoelastin. International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 41 (3), 494-497 (2009).
  39. Smith, M. L., et al. Force-induced unfolding of fibronectin in the extracellular matrix of living cells. PLoS Biol. 5 (10), (2007).
  40. Carvallo, M. P., Costa, E. C., Miguel, S. P., Correia, I. J. Tumor spheroid assembly on hyaluronic acid-based structures: A review. Carbohydrate Polymers. 150, 139-148 (2016).
  41. Du, L., Betti, M. Chicken collagen hydrolysate cryoprotection of natural actomyosin: Mechanism studies during freeze-thaw cycles and simulated digestion. Food Chemistry. 211, 791-802 (2016).
  42. Wang, X., et al. The significance of arginase-1 expression in the diagnosis of liver cancer: A protocol for a systematic review. 의학. 99 (9), 19159 (2020).
  43. Radwan, N. A., Ahmed, N. S. The diagnostic value of arginase-1 immunostaining in differentiating hepatocellular carcinoma from metastatic carcinoma and cholangiocarcinoma as compared to HepPar-1. Diagnostic Pathology. 7, 149 (2012).
  44. Chen, A., Guo, Z., Fang, L., Blan, S. Application of fused organoid models to study human brain development and neural disorders. Frontiers in Cellular Neuroscience. 14, 133 (2020).
  45. Xiang, Y., et al. Fusion of regionally specified hPSC-derived organoids models human brain development and interneuron migration. Cell Stem Cell. 21 (3), 383-398 (2017).
  46. Kosheleva, N. V., et al. Cell spheroid fusion: beyond liquid drops model. Scientific Reports. 10 (1), 12614 (2020).
  47. Arai, K., Murata, D., Takao, S., Verissiomo, A. R., Nakayama, K. Cryopreservation method for spheroids and fabrication of scaffold-free tubular constructs. PloS One. 15 (4), 0243248 (2020).

Play Video

Cite This Article
Tok, O. E., Demirel, G., Saatci, Y., Akbulut, Z., Kayalar, O., Aktas, R. G. Culturing, Freezing, Processing, and Imaging of Entire Organoids and Spheroids While Still in a Hydrogel. J. Vis. Exp. (190), e64563, doi:10.3791/64563 (2022).

View Video