Summary

Etablering af 3D endometrieorganoider fra musens livmoder

Published: January 06, 2023
doi:

Summary

Denne protokol beskriver metoder til etablering af museendometrieepitelorganoider til genekspression og histologiske analyser.

Abstract

Endometrievæv linjer livmoderens indre hulrum og er under cyklisk kontrol af østrogen og progesteron. Det er et væv, der består af luminalt og kirtelepitel, et stromalt rum, et vaskulært netværk og en kompleks immuncellepopulation. Musemodeller har været et kraftfuldt værktøj til at studere endometrium og afsløre kritiske mekanismer, der styrer implantation, placentation og kræft. Den seneste udvikling af 3D endometrieorganoidkulturer præsenterer en state-of-the-art model til at dissekere de signalveje, der ligger til grund for endometriebiologi. Etablering af endometrieorganoider fra genetisk manipulerede musemodeller, analyse af deres transkriptomer og visualisering af deres morfologi ved en enkeltcelleopløsning er afgørende værktøjer til undersøgelse af endometriesygdomme. Dette papir skitserer metoder til at etablere 3D-kulturer af endometrieepitel fra mus og beskriver teknikker til kvantificering af genekspression og analyse af organoidernes histologi. Målet er at tilvejebringe en ressource, der kan bruges til at etablere, dyrke og studere genekspression og morfologiske egenskaber ved endometrieepitelorganoider.

Introduction

Endometrium – det indre slimhindevæv i livmoderhulen – er et unikt og meget dynamisk væv, der spiller kritiske roller i en kvindes reproduktive sundhed. I løbet af den reproduktive levetid har endometrium potentialet til at gennemgå hundredvis af cyklusser med spredning, differentiering og nedbrydning, koordineret af den samordnede virkning af ovariehormonerne – østrogen og progesteron. Undersøgelser af genetisk manipulerede mus har afdækket grundlæggende biologiske mekanismer, der understøtter endometrieresponset på hormoner og kontrol af embryoimplantation, stromalcelledecidualisering og graviditet1. In vitro-studier har imidlertid været begrænsede på grund af vanskeligheder med at opretholde ikke-transformeret primært museendometrievæv i traditionelle 2D-cellekulturer 2,3. Nylige fremskridt inden for kulturen af endometrievæv som 3D-organsystemer eller organoider giver en ny mulighed for at undersøge biologiske veje, der styrer endometriecellegenerering og differentiering. Mus og humane endometrieorganoidsystemer er blevet udviklet fra rent endometrieepitel indkapslet i forskellige matricer4,5, mens humant endometrium er blevet dyrket som stilladsfri epitel/stromale co-kulturer 6,7 og for nylig som kollagenindkapslede epitel-/stromale samlinger8 . Væksten og det regenerative potentiale af epitelorganoidkulturer understøttes af en defineret cocktail af vækstfaktorer og små molekylehæmmere, der er blevet empirisk bestemt til at maksimere vækst og regenerering af organoiderne 4,5,9. Desuden tillader evnen til at fryse og optø endometrieorganoider langsigtet bankning af endometrieorganoider fra mus og mennesker til fremtidige undersøgelser.

Gensplejsede mus har afsløret de komplekse signalveje, der styrer tidlig graviditet og decidualisering, og er blevet brugt som modeller for graviditetstab, endometriecancer og endometriose. Disse genetiske undersøgelser er stort set opnået med cellespecifik deletion af loxP-flankerede alleler (“floxed”) ved hjælp af cre-rekombinaser, der er specifikt aktive i kvindeligt reproduktionsvæv. Disse musemodeller omfatter den meget anvendte progesteronreceptor-cre 10, som har stærk rekombinaseaktivitet i endometrieepitel- og stromalvævet, lactoferrin i-cre, som inducerer endometrieepitelrekombination hos voksne mus11 eller Wnt7a-cre, som udløser epitelspecifik deletion i Müllerian-afledte væv12 . Dyrkning af endometrievæv fra genetisk manipulerede musemodeller som 3D-organoider har givet en glimrende mulighed for at undersøge endometriebiologi og lette identifikationen af vækstfaktorer og signalveje, der styrer endometriecellefornyelse og differentiering13,14. Metoder til isolering og dyrkning af museendometrievæv er beskrevet i litteraturen og rapporterer brugen af forskellige enzymatiske strategier til isolering af livmoderepitel til efterfølgende dyrkning af endometrieepitelorganoider4. Mens tidligere litteratur giver en kritisk ramme for endometrieepitelorganoidkulturprotokoller 4,5,6, giver dette papir en klar, omfattende metode til generering, vedligeholdelse, behandling og analyse af disse organoider. Standardisering af disse teknikker er vigtig for at fremskynde fremskridt inden for kvinders reproduktive biologi. Her rapporterer vi en detaljeret metode til enzymatisk og mekanisk oprensning af museendometrieepitelvæv til den efterfølgende kultur af endometrieorganoider i et gelmatrixstillads. Vi beskriver også metoderne til downstream histologiske og molekylære analyser af gelmatrix-indkapslede museendometrieepitelorganoider.

Protocol

Musehåndtering og eksperimentelle undersøgelser blev udført i henhold til protokoller godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved Baylor College of Medicine og retningslinjer fastlagt af NIH Guide for pleje og brug af forsøgsdyr. 1. Isolering af livmoderepitel fra mus ved hjælp af enzymatiske og mekaniske metoder BEMÆRK: Dette afsnit beskriver de trin, der kræves for at etablere, passage, fryse og optø epitelendometrieo…

Representative Results

Fasekontrastbilleder af museendometrieorganoiderVi etablerede organoider fra WT-museendometrieepitel, som beskrevet i vedlagte protokol (se diagram i figur 1). Efter enzymatisk dissociation af museendometriepitelet blev epitelarkene mekanisk adskilt fra livmoderstromale celler og yderligere dissocieret med kollagenase for at generere en enkeltcellesuspension. Hvis denne metode til epitel- og stromalcelleseparation udføres korrekt, bør den give prøver med en kontaminer…

Discussion

Her beskriver vi metoder til at generere endometrieepitelorganoider fra museendometrium og de protokoller, der rutinemæssigt anvendes til deres nedstrømsanalyse. Endometrieorganoider er et kraftfuldt værktøj til at studere de mekanismer, der styrer endometrierelaterede sygdomme, såsom endometriose, endometriecancer og implantationsfejl. Skelsættende undersøgelser offentliggjort i 2017 rapporterede betingelserne for dyrkning af langsigtede og vedvarende kulturer af endometrieorganoider fra mus og humant epitel<sup …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Dr. Stephanie Pangas og Dr. Martin M. Matzuk (M.M.M.) for kritisk læsning og redigering af vores manuskript. Undersøgelser blev støttet af Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development tilskud R00-HD096057 (D.M.), R01-HD105800 (D.M.), R01-HD032067 (M.M.M.) og R01-HD110038 (M.M.M.) og af NCI- P30 Cancer Center Support Grant (NCI-CA125123). Diana Monsivais, Ph.D. har en Next Gen Pregnancy Award fra Burroughs Wellcome Fund.

Materials

Organoid Media Formulation
Name Company Catalog Number Final concentration
Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, *LDEV-free Corning 354230 100%
Trypsin from Bovine Pancreas Sigma Aldrich T1426-1G 1%
Advanced DMEM/F12 Life Technologies 12634010 1X
N2 supplement Life Technologies 17502048 1X
B-27™ Supplement (50X), minus vitamin A Life Technologies 12587010 1X
Primocin Invivogen ant-pm-1 100 µg/mL
N-Acetyl-L-cysteine Sigma Aldrich A9165-5G 1.25 mM
L-glutamine Life Technologies 25030024 2 mM
Nicotinamide Sigma Aldrich N0636-100G 10 nM
ALK-4, -5, -7 inhibitor, A83-01 Tocris 2939 500 nM
Recombinant human EGF Peprotech AF-100-15 50 ng/mL
Recombinant human Noggin Peprotech 120-10C 100 ng/mL
Recombinant human Rspondin-1 Peprotech 120-38 500 ng/mL
Recombinant human FGF-10 Peprotech 100-26 100 ng/mL
Recombinant human HGF Peprotech 100-39 50 ng/mL
WNT3a R&D systems 5036-WN 200 ng/mL
Other supplies and reagents
Name Company Catalog Number Final concentration
Collagenase from Clostridium histolyticum Sigma Aldrich C0130-1G 5 mg/mL
Deoxyribonuclease I from bovine pancreas Sigma Aldrich DN25-100MG 2 mg/mL
DPBS, no calcium, no magnesium ThermoFisher 14190-250 1X
HBSS, no calcium, no magnesium ThermoFisher 14170112 1X
Falcon Polystyrene Microplates (24-Well) Fisher Scientific #08-772-51
Falcon Polystyrene Microplates (12-Well) Fisher Scientific #0877229
Falcon Cell Strainers, 40 µm Fisher Scientific #08-771-1
Direct-zol RNA MiniPrep (50 µg) Genesee Scientific 11-331
Trizol reagent Invitrogen 15596026
DMEM/F-12, HEPES, no phenol red ThermoFisher 11039021
Fetal Bovine Serum, Charcoal stripped Sigma Aldrich F6765-500ML 2%
Estratiol (E2) Sigma Aldrich E1024-1G 10 nM
Formaldehyde 16% in aqueous solution, EM Grade VWR 15710 4%
Epredia Cassette 1 Slotted Tissue Cassettes Fisher Scientific 1000961
Epredia Stainless-Steel Embedding Base Molds Fisher Scientific 64-010-15 
Ethanol, 200 proof (100%) Fisher Scientific 22-032-601 
Histoclear Fisher Scientific 50-899-90147
Permount Mounting Medium Fisher Scientific 50-277-97
Epredia Nylon Biopsy Bags Fisher Scientific 6774010
HistoGel Specimen Processing Gel VWR 83009-992
Hematoxylin solution Premium VWR 95057-844
Eosin Y (yellowish) solution Premium VWR 95057-848
TBS Buffer, 20X, pH 7.4 GenDEPORT T8054 1X
TBST (10X), pH 7.4 GenDEPORT T8056 1X
Citric acid  Sigma Aldrich C0759-1KG
Sodium citrate tribasic dihydrate Sigma Aldrich S4641-500G
Tween20 Fisher Scientific BP337-500 
Bovine Serum Albumin (BSA) Sigma Aldrich A2153-100G 3%
DAPI Solution (1 mg/mL) ThermoFisher 62248 1:1000 dilution
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium Vector Labs H-1000-10
Clear Nail Polish Fisher Scientific NC1849418
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides Fisher Scientific 22037246
VWR Micro Cover Glasses VWR 48393-106
SuperScript VILO Master Mix ThermoFisher 11755050
SYBR Green PCR Master Mix ThermoFisher 4364346
Krt8 Antibody (TROMA-I)  DSHB TROMA-I  1:50 dilution
Vimentin Antobody Cell Signaling 5741S 1:200 dilution
Donkey anti-Rat IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary
Antibody, Alexa Fluor 594
ThermoFisher A-21209 1:250 dilution
Donkey anti-Rabbin IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary
Antibody, Alexa Fluor 488
ThermoFisher A-21206 1:250 dilution
ZEISS Stemi 508 Stereo Microscope ZEISS
ZEISS Axio Vert.A1 Inverted Routine Microscope with digital camera ZEISS
Primer Sequence Forward (5'-3') Reverse (5'-3') _
Lipocalin 2 (Lcn2) GCAGGTGGTACGTTGTGGG CTCTTGTAGCTCATAGATGGTGC
Lactoferrin (Ltf) TGAGGCCCTTGGACTCTGT ACCCACTTTTCTCATCTCGTTC
Progesterone (Pgr) CCCACAGGAGTTTGTCAAGCTC TAACTTCAGACATCATTTCCGG
Glyceraldehyde 3 phosphate dehydrogenase (Gapdh) CAATGTGTCCGTCGTGGATCT GCCTGCTTCACCACCTTCTT

Referências

  1. Wang, H., Dey, S. K. Roadmap to embryo implantation: clues from mouse models. Nature Reviews Genetics. 7 (3), 185-199 (2006).
  2. Hibaoui, Y., Feki, A. Organoid models of human endometrial development and disease. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 84 (2020).
  3. Rawlings, T. M., Makwana, K., Tryfonos, M., Lucas, E. S. Organoids to model the endometrium: implantation and beyond. Reproduction & Fertility. 2 (3), 85-101 (2021).
  4. Boretto, M., et al. Development of organoids from mouse and human endometrium showing endometrial epithelium physiology and long-term expandability. Development. 144 (10), 1775-1786 (2017).
  5. Turco, M. Y., et al. Long-term, hormone-responsive organoid cultures of human endometrium in a chemically defined medium. Nature Cell Biology. 19 (5), 568-577 (2017).
  6. Murphy, A. R., Wiwatpanit, T., Lu, Z., Davaadelger, B., Kim, J. J. Generation of multicellular human primary endometrial organoids. Journal of Visualized Experiments. (152), e60384 (2019).
  7. Wiwatpanit, T., et al. Scaffold-free endometrial organoids respond to excess androgens associated with polycystic ovarian syndrome. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 105 (3), 769-780 (2020).
  8. Rawlings, T. M., et al. Modelling the impact of decidual senescence on embryo implantation in human endometrial assembloids. Elife. 10, 69603 (2021).
  9. Lou, L., Kong, S., Sun, Y., Zhang, Z., Wang, H. Human endometrial organoids: recent research progress and potential applications. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 10, 844623 (2022).
  10. Soyal, S. M., et al. Cre-mediated recombination in cell lineages that express the progesterone receptor. Genesis. 41 (2), 58-66 (2005).
  11. Daikoku, T., et al. Lactoferrin-iCre: a new mouse line to study uterine epithelial gene function. Endocrinology. 155 (7), 2718-2724 (2014).
  12. Winuthayanon, W., Hewitt, S. C., Orvis, G. D., Behringer, R. R., Korach, K. S. Uterine epithelial estrogen receptor alpha is dispensable for proliferation but essential for complete biological and biochemical responses. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (45), 19272-19277 (2010).
  13. Seishima, R., et al. Neonatal Wnt-dependent Lgr5 positive stem cells are essential for uterine gland development. Nature Communications. 10 (1), 5378 (2019).
  14. Syed, S. M., et al. Endometrial Axin2(+) cells drive epithelial homeostasis, regeneration, and cancer following oncogenic transformation. Cell Stem Cell. 26 (1), 64-80 (2020).
  15. Caligioni, C. S. Assessing reproductive status/stages in mice. Current Protocols in Neuroscience. , (2009).
  16. Fitzgerald, H. C., Schust, D. J., Spencer, T. E. In vitro models of the human endometrium: evolution and application for women’s health. Biology of Reproduction. 104 (2), 282-293 (2021).
  17. Hewitt, S. C., et al. Progesterone signaling in endometrial epithelial organoids. Cells. 11 (11), 1760 (2022).
  18. Sadeghipour, A., Babaheidarian, P. Making formalin-fixed, paraffin embedded blocks. Methods in Molecular Biology. 1897, 253-268 (2019).
  19. Qin, C., et al. The cutting and floating method for paraffin-embedded tissue for sectioning. Journal of Visualized Experiments. (139), e58288 (2018).
  20. Rekhtman, N., et al. Novel modification of HistoGel-based cell block preparation method: improved sufficiency for molecular studies. Archives of Pathology & Laboratory Medicine. 142 (4), 529-535 (2018).
  21. Shidham, V. B. CellBlockistry: Chemistry and art of cell-block making – A detailed review of various historical options with recent advances. Cytojournal. 16, 12 (2019).
  22. Ali, A., Syed, S. M., Tanwar, P. S. Protocol for in vitro establishment and long-term culture of mouse vaginal organoids. STAR Protocols. 1 (2), 100088 (2020).
  23. Kurihara, I., et al. COUP-TFII mediates progesterone regulation of uterine implantation by controlling ER activity. PLoS Genet. 3 (6), 102 (2007).
  24. McMaster, M. T., Teng, C. T., Dey, S. K., Andrews, G. K. Lactoferrin in the mouse uterus: analyses of the preimplantation period and regulation by ovarian steroids. Molecular Endocrinology. 6 (1), 101-111 (1992).
  25. Huang, H. L., Chu, S. T., Chen, Y. H. Ovarian steroids regulate 24p3 expression in mouse uterus during the natural estrous cycle and the preimplantation period. The Journal of Endocrinology. 162 (1), 11-19 (1999).
  26. Clevers, H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 165 (7), 1586-1597 (2016).
  27. Bigsby, R. M., Cunha, G. R. Estrogen stimulation of deoxyribonucleic acid synthesis in uterine epithelial cells which lack estrogen receptors. Endocrinology. 119 (1), 390-396 (1986).
  28. Clementi, C., et al. Activin-like kinase 2 functions in peri-implantation uterine signaling in mice and humans. PLoS Genetics. 9 (11), 1003863 (2013).
  29. Jeong, J. W., et al. Foxa2 is essential for mouse endometrial gland development and fertility. Biology of Reproduction. 83 (3), 396-403 (2010).
  30. Song, Y., et al. Endometriotic organoids: a novel in vitro model of endometriotic lesion development. bioRxiv. , (2022).
  31. Miyazaki, K., et al. Generation of progesterone-responsive endometrial stromal fibroblasts from human induced pluripotent stem cells: role of the WNT/CTNNB1 pathway. Stem Cell Reports. 11 (5), 1136-1155 (2018).
  32. Yoshimatsu, S., Kisu, I., Qian, E., Noce, T. A new horizon in reproductive research with pluripotent stem cells: successful in vitro gametogenesis in rodents, its application to large animals, and future in vitro reconstitution of reproductive organs such as "Uteroid" and "Oviductoid&#34. Biologia. 11 (7), 987 (2022).
  33. Cheung, V. C., et al. Pluripotent stem cell-derived endometrial stromal fibroblasts in a cyclic, hormone-responsive, coculture model of human decidua. Cell Reports. 35 (7), 109138 (2021).
  34. McGowen, M. R., Erez, O., Romero, R., Wildman, D. E. The evolution of embryo implantation. The International Journal of Development Biology. 58 (2-4), 155-161 (2014).
  35. Carson, D. D., et al. Embryo implantation. Biologia do Desenvolvimento. 223 (2), 217-237 (2000).
  36. Li, Y., Sun, X., Dey, S. K. Entosis allows timely elimination of the luminal epithelial barrier for embryo implantation. Cell Reports. 11 (3), 358-365 (2015).
  37. Jain, V., Chodankar, R. R., Maybin, J. A., Critchley, H. O. D. Uterine bleeding: how understanding endometrial physiology underpins menstrual health. Nature Reviews Endocrinology. 18 (5), 290-308 (2022).
  38. Hayashi, K., et al. Wnt genes in the mouse uterus: potential regulation of implantation. Biology of Reproduction. 80 (5), 989-1000 (2009).
  39. Dunlap, K. A., et al. Postnatal deletion of Wnt7a inhibits uterine gland morphogenesis and compromises adult fertility in mice. Biology of Reproduction. 85 (2), 386-396 (2011).
  40. Ter Steege, E. J., Bakker, E. R. M. The role of R-spondin proteins in cancer biology. Oncogene. 40 (47), 6469-6478 (2021).
  41. Brazil, D. P., Church, R. H., Surae, S., Godson, C., Martin, F. BMP signalling: agony and antagony in the family. Trends in Cell Biology. 25 (5), 249-264 (2015).
  42. Tojo, M., et al. The ALK-5 inhibitor A-83-01 inhibits Smad signaling and epithelial-to-mesenchymal transition by transforming growth factor-beta. Cancer Science. 96 (11), 791-800 (2005).
  43. Zhang, Y., Que, J. BMP signaling in development, stem cells, and diseases of the gastrointestinal tract. Annual Review of Physiology. 82, 251-273 (2020).
  44. Plikus, M. V., et al. Cyclic dermal BMP signalling regulates stem cell activation during hair regeneration. Nature. 451 (7176), 340-344 (2008).
  45. Gurung, S., Werkmeister, J. A., Gargett, C. E. Inhibition of transforming growth factor-β receptor signaling promotes culture expansion of undifferentiated human endometrial mesenchymal stem/stromal cells. Scientific Reports. 5, 15042 (2015).
  46. Lucciola, R., et al. Impact of sustained transforming growth factor-β receptor inhibition on chromatin accessibility and gene expression in cultured human endometrial MSC. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 567610 (2020).
  47. Hernandez-Gordillo, V., et al. Fully synthetic matrices for in vitro culture of primary human intestinal enteroids and endometrial organoids. Biomaterials. 254, 120125 (2020).
  48. Gnecco, J. S., et al. Physiomimetic Models of Adenomyosis. Seminars in Reproductive Medicine. 38 (2-03), 179-196 (2020).
  49. Nikolakopoulou, K., Turco, M. Y. Investigation of infertility using endometrial organoids. Reproduction. 161 (5), 113-127 (2021).
  50. Kim, J. J. Preparing for implantation. Elife. 10, 73739 (2021).
check_url/pt/64448?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Tang, S., Parks, S. E., Liao, Z., Cope, D. I., Blutt, S. E., Monsivais, D. Establishing 3D Endometrial Organoids from the Mouse Uterus. J. Vis. Exp. (191), e64448, doi:10.3791/64448 (2023).

View Video