Karaciğer Hastalığı Çalışmaları için Periferik Kandan İnsan Karaciğer Sferoidleri
Summary
Burada, kararlı durumdaki periferik kandan izole edilen mononükleer hücreleri kullanarak insan otolog karaciğer sferoidleri üretmek için genetik olmayan bir yöntem sunuyoruz.
Abstract
İnsan karaciğer hücreleri, fonksiyonel kapasitelerini koruyarak birkaç hafta boyunca kültürde büyüyebilen üç boyutlu (3D) bir yapı oluşturabilir. Düşük yapışkan özelliklere sahip veya hiç yapışkan olmayan kültür yemeklerinde kümelenme doğaları nedeniyle, insan karaciğer sferoidleri olarak adlandırılan çoklu karaciğer hücrelerinin agregalarını oluştururlar. 3D karaciğer sferoidlerinin oluşumu, hepatik hücrelerin yapışkan bir substratın yokluğunda toplanma doğal eğilimine dayanır. Bu 3D yapılar, in vivo bir ortama daha yakın olan hücrelerden daha iyi fizyolojik tepkilere sahiptir. 3D hepatosit kültürlerinin kullanılması, klasik iki boyutlu (2D) kültürlerle karşılaştırıldığında, biyolojik olarak daha alakalı bir mikro çevre, doğal organları yeniden bir araya getiren mimari morfolojinin yanı sıra hastalık durumu ve ilaçlara in vivo benzeri yanıtlar hakkında daha iyi bir tahmin de dahil olmak üzere sayısız avantaja sahiptir. Birincil karaciğer dokusu veya ölümsüzleştirilmiş hücre hatları gibi sferoidler üretmek için çeşitli kaynaklar kullanılabilir. 3D karaciğer dokusu, hepatositleri türetmek için insan embriyonik kök hücreleri (hESC’ler) veya indüklenmiş pluripotent kök hücreler (hiPSC’ler) kullanılarak da tasarlanabilir. İnsan zarına bağlı GPI’ye bağlı proteinin aktivasyonu ile manipüle edilmemiş periferik kandan üretilen ve insan hepatositlerine farklılaşan kan kaynaklı pluripotent kök hücreler (BD-PSC’ler) kullanarak insan karaciğer sferoidleri elde ettik. BD-PSC’lerden türetilen insan karaciğer hücreleri ve insan karaciğer sferoidleri, insan hepatosit belirteçleri kullanılarak ışık mikroskobu ve immünofenotipleme ile analiz edildi.
Introduction
Son yıllarda üç boyutlu (3D) küresel kültür sistemleri, kanser araştırmalarının, ilaç keşfinin ve toksikolojinin çeşitli alanlarını incelemek için önemli bir araç haline gelmiştir. Bu tür kültürler büyük ilgi uyandırıyor çünkü iki boyutlu (2B) hücre kültürü monokatmanları ile karmaşık organlar arasındaki boşluğu dolduruyorlar1.
Yapışkan bir yüzeyin yokluğunda, 2D hücre kültürüne kıyasla, sferoidlerin oluşumu, bu hücrelerin 3D formda kümelenmeye olan doğal afinitesine dayanır. Bu hücreler kendilerini bir veya daha fazla olgun hücre tipinden oluşan gruplar halinde düzenlerler. Yabancı maddeler içermeyen bu hücreler, orijinal mikro ortamlarında olduğu gibi birbirleriyle etkileşime girerler. 3B kültürdeki hücreler çok daha yakındır ve birbirlerine doğru doğru bir yönelime sahiptir, 2B kültürlerden daha yüksek hücre dışı matriks üretimi vardır ve doğal ortama yakın bir ortam oluştururlar 2.
Hayvan modelleri, insan biyolojisini ve hastalıklarını incelemek için uzun zamandır kullanılmaktadır3. Bu bağlamda, insanlar ve hayvanlar arasında içsel farklılıklar vardır, bu da bu modelleri ekstrapolatif çalışmalar için tamamen uygun kılmaz. 3D kültür sferoidleri ve organoidleri, in vivo olarak ortaya çıkan ve hayvan modellerinin azaltılmasına veya hatta değiştirilmesine katkıda bulunabilecek farklı hücre tipleri arasındaki doku benzeri mimariyi, etkileşimi ve çapraz konuşmayı incelemek için umut verici bir araçtır. Karaciğer hastalıklarının patogenezini ve ilaç tarama platformlarını incelemek için özellikle ilgi çekicidirler4.
3D sferoid kültür, kanser araştırmaları için özellikle önemlidir, çünkü tümör hücresi monokatmanlarını 2D kültürlere hazırlamak için gereken tripsinizasyon veya kollajenaz tedavisine olan ihtiyacı azaltarak hücreler ve çevreleri arasındaki süreksizliği ortadan kaldırabilir. Tümör sferoidleri, normal ve malign hücrelerin çevrelerinden gelen sinyalleri nasıl aldıklarının ve bunlara nasıl tepki verdiklerinin incelenmesini sağlar5 ve tümör biyolojisi çalışmalarının önemli bir parçasıdır.
Tek katmanla karşılaştırıldığında, çeşitli hücre tiplerinden oluşan 3D kültürler, yapısal ve fonksiyonel özelliklerinde tümör dokularına benzemektedir ve bu nedenle metastazı ve tümör hücrelerinin invazyonunu incelemek için uygundur. Bu nedenle bu tür küresel modeller kanser araştırmalarının hızlandırılmasına katkıdabulunuyor 6.
Sferoidler ayrıca insan organoidleri yaratma teknolojisinin geliştirilmesine yardımcı oluyor, çünkü doku ve organ biyolojisinin incelenmesi, özellikle insanlarda çok zor. Kök hücre kültüründeki ilerlemeler, kök hücrelerden ve doku progenitörlerinden oluşan organoidler gibi 3D kültürlerin yanı sıra, organ gelişimini, hastalıkları modellemek için kullanılabilecek gerçek bir organ gibi bazı fonksiyonel özelliklere sahip bir organdan farklı olgun (doku) hücre tiplerinin geliştirilmesini mümkün kılmaktadır, ancak rejeneratif tıpta da yararlı sayılabilir7.
Birincil insan hepatositleri genellikle insan hepatositlerinin, karaciğer fonksiyonunun ve ilaca bağlı toksisitenin in vitro biyolojisini incelemek için kullanılır. İnsan hepatositlerinin kültürlerinin iki ana dezavantajı vardır, birincisi, insan hepatositleri gibi birincil dokunun sınırlı mevcudiyeti ve ikincisi, hepatositlerin 2D kültürde hızla farklılaşma eğilimi ve böylece spesifik hepatosit fonksiyonlarını kaybetme eğilimi8. 3D hepatik kültürler bu konuda üstündür ve son zamanlarda farklılaşmış insan embriyonik kök hücrelerinden (hESC’ler) veya indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden (hiPSC’ler)9 yapılmıştır. Biyomühendislik hepatik 3D sferoidler, karaciğerin gelişimini, toksisitesini, genetik ve bulaşıcı hastalıklarını incelemek ve ayrıca karaciğer hastalıklarının tedavisi için ilaç keşfinde özellikle ilgi çekicidir10. Son olarak, akut karaciğer hastalıklarının yaklaşık% 80’lik bir mortalite oranına sahip olduğunu bilerek, biyo-yapay karaciğer ve / veya hepatik sferoidlerin, uygun bir donör bulunana kadar kısmi karaciğer fonksiyonu sağlayarak bu hastaları potansiyel olarak kurtarabileceğini bilerek, klinik olarak kullanılma potansiyeline sahiptirler11.
4000 ila 1 x 106 hücre içeren farklı büyüklükteki sferoidleri hazırlamak için kan kaynaklı pluripotent kök hücreler (BD-PSC’ler) kullanarak insan hepatik sferoidlerinin üretimi için bir protokol oluşturduk ve bunları ışık mikroskobu ve immünofloresan yoluyla analiz ettik. Ayrıca, detoksifikasyon süreci boyunca hücresel ve ilaç metabolizmasında önemli rollere sahip sitokrom P450 ailesine ait sitokrom P450 3A4 (CYP3A4) ve 2E1 (CYP2E1) enzimlerinin ekspresyonunu değerlendirerek hepatosit-spesifik fonksiyonun kapasitesini test ettik12.
Protocol
Representative Results
Discussion
Karaciğer, insan vücudunda, metabolitlerin detoksifikasyonu gibi birçok temel biyolojik fonksiyona sahip önemli bir organdır. Siroz ve / veya viral hepatit gibi ciddi karaciğer yetmezliği nedeniyle, dünya çapında yılda yaklaşık 2 milyon ölüm vardır. Karaciğer nakilleri tüm dünyada solid organ nakillerinde ikinci sırada yer almakla birlikte mevcut ihtiyacın sadece %10’u karşılanmaktadır22.
Birincil insan hepatositleri (PHH) genellikle karaciğer t…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar özellikle Oksana ve John Greenacre tarafından sağlanan teknik yardım için minnettarlar. Bu çalışma ACA CELL Biotech GmbH Heidelberg, Almanya tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Albumin antibody | Sigma-Aldrich | SAB3500217 | produced in chicken |
| Albumin Fraction V | Carl Roth GmbH+Co. KG | T8444.4 | |
| Alpha-1 Fetoprotein | Proteintech Germany GmbH | 14550-1-AP | rabbit polyclonal IgG |
| Biolaminin 111 LN | BioLamina | LN111-02 | human recombinant |
| CD45 MicroBeads | Miltenyi | 130-045-801 | nano-sized magnetic beads |
| Cell Strainer | pluriSelect | 43-10040-40 | |
| CellSens | Olympus | imaging software | |
| Centrifuge tubes 50 mL | Greiner Bio-One | 210270 | |
| CEROplate 96 well | OLS OMNI Life Science | 2800-109-96 | |
| CKX53 | Olympus | ||
| Commercially available detergent | Procter & Gamble | nonionic detergent | |
| CYP2E1-specific antibody | Proteintech Germany GmbH | 19937-1-AP | rabbit polyclonal antibody IgG |
| CYP3A4 | Proteintech Germany GmbH | 67110-1-lg | mouse monoclonal antibody IgG1 |
| Cytokeratin 18 | DakoCytomation | M7010 | mouse monoclonal antibody IgG1 |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D8418-50ML | |
| DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14040091 | |
| FBS | Merck Millipore | S0115/1030B | Discontinued. Available under: TMS-013-B |
| Glass cover slips 14 mm | R. Langenbrinck | 01-0014/1 | |
| GlutaMax 100x Gibco | Thermo Fisher Scientific | 35050038 | L-glutamine |
| Glutaraldehyde 25% | Sigma-Aldrich | G588.2-50ML | |
| Goat anti-mouse IgG Cy3 | Antibodies online | ABIN1673767 | polyclonal |
| Goat anti-mouse IgG DyLight 488 | Antibodies online | ABIN1889284 | polyclonal |
| Goat anti-rabbit IgG Alexa Fluor 488 | Life Technologies | A-11008 | |
| HCl | Sigma-Aldrich | 30721-1LGL | |
| HepatoZYME-SFM | Thermo Fisher Scientific | 17705021 | hepatocyte maturation medium |
| HGF | Thermo Fisher Scientific | PHG0324 | human recombinant |
| HNF4α antibody | Sigma-Aldrich | ZRB1457-25UL | clone 4C19 ZooMAb Rbmono |
| Hydrocortisone 21-hemisuccinate (sodium salt) | Biomol | Cay18226-100 | |
| Knock out Serum Replacement – Multi Species Gibco | Fisher Scientific | A3181501 | KSR |
| KnockOut DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12660012 | Discontinued. Available under Catalog No. 10-828-010 |
| MACS Buffer | Miltenyi | 130-091-221 | |
| MACS MultiStand | Miltenyi | 130-042-303 | magnetic stand |
| MEM NEAA 100x Gibco | Thermo Fisher Scientific | 11140035 | |
| Mercaptoethanol | Thermo Fisher Scientific | 31350010 | 50mM |
| MiniMACS columns | Miltenyi | 130-042-201 | |
| Nunclon Multidishes | Sigma-Aldrich | D6789 | 4 well plates |
| Oncostatin M | Thermo Fisher Scientific | PHC5015 | human recombinant |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| PBS sterile | Carl Roth GmbH+Co. KG | 9143.2 | |
| Penicillin/Streptomycin | Biochrom GmbH | A2213 | 10000 U/ml |
| PS 15ml tubes sterile | Greiner Bio-One | 188171 | |
| Rabbit anti-chicken IgG Texas red | Antibodies online | ABIN637943 | |
| Roti Cell Iscoves MDM | Carl Roth GmbH+Co. KG | 9033.1 | |
| Roti Mount FluorCare DAPI | Carl Roth GmbH+Co. KG | HP20.1 | |
| Roti Sep 1077 human | Carl Roth GmbH+Co. KG | 0642.2 | |
| Transthyretin antibody | Sigma-Aldrich | SAB3500378 | produced in chicken |
| Triton X-100 | Thermo Fisher Scientific | HFH10 | 1% |
Referências
- Fennema, E., Rivron, N., Rouwkema, J., van Blitterswijk, C., de Boer, J. Spheroid culture as a tool for creating 3D complex tissues. Trends in Biotechnology. 31 (2), 108-115 (2013).
- Ryu, N. E., Lee, S. H., Park, H. Spheroid culture system methods and applications for mesenchymal stem cells. Cells. 8 (12), 1620 (2019).
- Nevzorova, Y. A., Boyer-Diaz, Z., Cubero, F. J., Gracia-Sancho, J. Animal models for liver disease – A practical approach for translational research. Journal of Hepatology. 73 (2), 423-440 (2020).
- Ingelman-Sundberg, M., Lauschke, V. M. 3D human liver spheroids for translational pharmacology and toxicology. Basic and Clinical Pharmacology and Toxicology. 130, 5-15 (2022).
- Nelson, C. M., Bissell, M. J. Of extracellular matrix, scaffolds, and signalling: tissue architecture regulates development, homeostasis, and cancer. Annual review of cell and developmental biology. 22, 287-309 (2006).
- Khanna, S., Chauhan, A., Bhatt, A. N., Dwarakanath, B. S. R. Multicellular tumor spheroids as in vitro models for studying tumor responses to anticancer therapies. Animal Biotechnology (Second Edition). , 251-268 (2020).
- Rossi, G., Manfrin, A., Lutolf, M. P. Progress and potential in organoid research. Nature Reviews Genetics. 19 (11), 671-687 (2018).
- Riede, J., Wollmann, B. M., Molden, E., Ingelman-Sundberg, M. Primary human hepatocyte spheroids as an in vitro tool for investigating drug compounds with low clearance. Drug metabolism and disposition: The Biological Fate of Chemicals. 49 (7), 501-508 (2021).
- Soto-Gutierrez, A., et al. Differentiating stem cells into liver. Biotechnology & Genetic Engineering Reviews. 25, 149-163 (2008).
- Hurrell, T., et al. Human liver spheroids as a model to study aetiology and treatment of hepatic fibrosis. Cells. 9 (4), 964 (2020).
- Chen, S., et al. Hepatic spheroids derived from human induced pluripotent stem cells in bio-artificial liver rescue porcine acute liver failure. Cell Research. 30 (1), 95-97 (2020).
- Zhao, M., et al. Cytochrome P450 enzymes and drug metabolism in humans. International Journal of Molecular Sciences. 22 (23), 12808 (2021).
- Becker-Kojić, Z. A., Schott, A. K., Zipančić, I., Hernández-Rabaza, V. GM-Free generation of blood-derived neuronal cells. Journal of Visualized Experiments. (168), e61634 (2021).
- Marchenko, S., Flanagan, L. Immunocytochemistry: Human neural stem cells. Journal of Visualized Experiments. (7), e267 (2007).
- Crandall, B. F. Alpha-fetoprotein: a review. Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences. 15 (2), 127-185 (1981).
- Magalhães, J., Eira, J., Liz, M. A. The role of transthyretin in cell biology: impact on human pathophysiology. Cellular and Molecular Life Sciences 2021. 78 (17-18), 6105-6117 (2021).
- Huck, I., Gunewardena, S., Espanol-Suner, R., Willenbring, H., Apte, U. Hepatocyte nuclear factor 4 alpha activation is essential for termination of liver regeneration in mice. Hepatology. 70 (2), 666-681 (2019).
- Korver, S., et al. The application of cytokeratin-18 as a biomarker for drug-induced liver injury. Archives of Toxicology. 95 (11), 3435-3448 (2021).
- Klyushova, L. S., Perepechaeva, M. L., Grishanova, A. Y. The role of CYP3A in health and disease. Biomedicines. 10 (11), 2686 (2022).
- Fujino, C., Sanoh, S., Katsura, T. Variation in expression of cytochrome P450 3A isoforms and toxicological effects: endo- and exogenous substances as regulatory factors and substrates. Biological & Pharmaceutical Bulletin. 44 (11), 1617-1634 (2021).
- Hutchinson, M. R., Menelaou, A., Foster, D. J., Coller, J. K., Somogyi, A. A. CYP2D6 and CYP3A4 involvement in the primary oxidative metabolism of hydrocodone by human liver microsomes. British Journal of Clinical Pharmacology. 57 (3), 287-297 (2004).
- Asrani, S. K., Devarbhavi, H., Eaton, J., Kamath, P. S. Burden of liver diseases in the world. Journal of Hepatology. 70 (1), 151-171 (2019).
- Kammerer, S. Three-dimensional liver culture systems to maintain primary hepatic properties for toxicological analysis in vitro. International Journal of Molecular Sciences. 22 (19), 10214 (2021).
