Summary

Humant Dupuytrens<em> Ex vivo</em> Kultur for Studiet af myofibroblaster og ekstracellulære matrix-interaktioner

Published: April 18, 2015
doi:

Summary

Dupuytrens sygdom (DD) er en fibroproliferativ sygdom i håndfladen. Her præsenterer vi en protokol til kultur resektion prøver fra DD i en tredimensional (3D) dyrkningssystem. Sådanne kortsigtede kultur system tillader bevarelse af 3D-struktur og molekylære egenskaber af fibrøst væv.

Abstract

Organ fibrosis or “scarring” is known to account for a high death toll due to the extensive amount of disorders and organs affected (from cirrhosis to cardiovascular diseases). There is no effective treatment and the in vitro tools available do not mimic the in vivo situation rendering the progress of the out of control wound healing process still enigmatic.

To date, 2D and 3D cultures of fibroblasts derived from DD patients are the main experimental models available. Primary cell cultures have many limitations; the fibroblasts derived from DD are altered by the culture conditions, lack cellular context and interactions, which are crucial for the development of fibrosis and weakly represent the derived tissue. Real-time PCR analysis of fibroblasts derived from control and DD samples show that little difference is detectable. 3D cultures of fibroblasts include addition of extracellular matrix that alters the native conditions of these cells.

As a way to characterize the fibrotic, proliferative properties of these resection specimens we have developed a 3D culture system, using intact human resections of the nodule part of the cord. The system is based on transwell plates with an attached nitrocellulose membrane that allows contact of the tissue with the medium but not with the plastic, thus, preventing the alteration of the tissue. No collagen gel or other extracellular matrix protein substrate is required. The tissue resection specimens maintain their viability and proliferative properties for 7 days. This is the first “organ” culture system that allows human resection specimens from DD patients to be grown ex vivo and functionally tested, recapitulating the in vivo situation.

Introduction

Dupuytrens sygdom (DD), en godartet fiberproliferativ sygdom forårsager permanent bøjning af fingrene som følge af dannelsen af ​​knuder og ledninger i håndfladen. Selvom sygdomsspredning er særlig høj blandt kaukasiere i Nordeuropa, det underliggende genetiske ætiologi af sygdommen er stadig ukendt 1. Den vigtigste egenskab ved DD er overskydende produktion af ekstracellulær matrix (ECM) proteiner (fx collagen), som danner en hård fibrøst væv optager rummet mellem sener og hud håndfladen og fingrene, permanent forstyrre de fine bevægelser af hånden 2, 3. Den gentagelse af sygdommen tyder underliggende genetiske ændringer som årsag til fibrose 1, 4. En effektiv behandling kunne være at målrette direkte de ukontrollable fibrotiske mekanismer på det cellulære og molekylære niveau.

Vores seneste arbejde på fibrose har ført os til at udvikle etroman 3D kultur system, der tillader kortsigtet kultur af human fibrøst væv med potentiale narkotika testning. Dette system har været med til at overvinde den begrænsende tilgang af 2D fibroblastkulturer og definere en rolle for den delvise nedreguleringen, opnået ved exon skipping, af TGF-vejen aktivering i mediering fibrose 5.

Vi har udviklet en metode til dyrkning ex vivo human resektion prøver fra DD patienter at studere interaktionen mellem myofibroblaster og den omgivende ECM 5, 6. Studiet af DD bindevæv fibrose samt andre fibrotiske sygdomme beror på histopatologisk analyse af det udskårne kirurgiske prøver, isolering af fibroblaster fra vævet og etablering af primære kulturer eller cellesortering procedurer. Disse metoder er ret statisk, da de ikke tillader eksogen manipulation af ejendomme sygdommen eller terapeutisk intervention ved forsøgslederen. Derudover kan primære cell kulturer en tendens til at tilpasse sig de dyrkningsbetingelser og deres genekspression egenskaber hovedsageligt fra in vivo situationen adskiller sig på hver passage, selv under tidlige passager (blandt passage 3 og 6) 7, 8. Det er lykkedes at fastholde affaldet kirurgisk materiale i ex vivo dyrkningsbetingelser i et tidsrum, der tillader undersøgelse af patient-specifikke egenskaber og screening af anti-fibrotiske eller antiinflammatoriske lægemiddelstoffer.

Systemet er baseret på en nitrocellulosemembran som tillader kontakt af vævet med mediet, men ikke med plast, således at forhindre ændring af vævet ved fastgørelse, som tidligere observeret, når dyrkning DD fibroblaster samt andre celletyper 9. Nr kollagen gel eller andre ECM proteinsubstrat er påkrævet, da DD væv selv producerer store mængder af disse proteiner. Dette er fordelagtigt for vedligeholdelse af native ECM mikromiljø og omsætningen since matrixsubstrater er vigtig regulator af væv arkitektur og funktion 10, 11. For eksempel ECM-proteiner, såsom fibronectin, laminin og kollagen, kan påvirke forreste-bageste polaritet af fibroblaster som tilsvarende vist for apikal-basal polaritet i epitelceller 12, 13 . polariserede celler har asymmetrisk fordeling af ekstracellulære molekyler, som bestemmer cellevandring og genekspression, f.eks α1β1 integrin tilgængelighed på membranen påvirker celleadhæsion til type I collagen 14. Da et primært mål for denne 3D-model var at bevare den indfødte mikromiljø, blev der ikke kunstig ECM matrix anvendte substrat.

Kort: resektion prøver lige skåret i et sterilt miljø og anbringes på nitrocellular membraner. Hvis behandling administreres via injektion er påkrævet væv injiceres, efter at de er blevet placeret på membranen. Hvis behandlingen ikke kræver at administreres via injfdeling derefter forbindelsen tilsættes til dyrkningsmediet (Dulbeccos Modified Eagles Medium (DMEM), med 1% føtalt kalveserum (FCS), 1% penicillin-streptomycin (P / S)). Kulturerne opretholdes højst ti dage, hvorefter vævet fikseret i 4% paraformaldehyd (PFA), behandles gennem 30% saccharoseopløsning, indlejret i OCT-forbindelse og opbevaret ved -80 ° C, som tidligere beskrevet 5.

Protocol

Denne protokol følger LUMC og AMC retningslinjer for menneskelig videnskabsetisk komité. 1. kirurgiske indgreb og Tissue Collection Bemærk: Selv om forskellige teknikker til kirurgisk excision af Kuskefingre findes, den nuværende guldstandarden er den delvise fasciectomy 15. De fleste patienter behandles i dag-klinik. Udføre kirurgi under generel eller regional anæstesi efter patientens og anæstesilægen præferencer og patientens co-…

Representative Results

Fremgangsmåden til ex vivo 3D kultur af bindevæv er en let og robust sæt op for at forstå relationen mellem ECM og andre cellebestanddele udgør DD væv og potentielt andre typer af fibrose samt. Desuden dette system gør det muligt for en pålidelig metode til at teste virkningen af forbindelser på forskellige celletyper og deres indvirkning på fibrotiske belastning 20. Trinene fra indsamling af kirurgisk affaldsmateriale stammer fra Dupuytrens fibrose, er samlinge…

Discussion

De mest kritiske trin i dyrkning ex vivo humane bindevæv er den umiddelbare anvendelse af vævet efter kirurgisk fjernelse for at sikre levedygtighed vævet bør forblive i medium eller saltvandsopløsning på alle tidspunkter; opretholde en steril kultur; tværsnit af væv skal have maksimalt 200 um tykkelse; opsætning af ex vivo kultur system er optimal, når vævet er i kontakt med mediet, men ikke fuldt neddykket. Medium bør tilføjes kun på ydersiden kammer transwell i et lille volumen (f….

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors are thankful to the nurses at the AMC that have facilitated the tissue collection. We would also like to acknowledge A.M.A. van der Laan for excellent technical support with the SHG and the two-photon imaging.

Materials

Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium Invitrogen 11965-084
fetal calf serum (FCS) Gibco high glucose, heat inactivated
penicillin-streptomycin Invitrogen 15070-063
Cell culture inserts Millicell PIHA01250 0.45um pore size, 12mm diameter
anti-collagen type I Southern Biotech 1310-08
anti- α smooth muscle actin Sigma A2547
anti-collagen type III Southern Biotech 1330-01
Alexa Fluor555 Donkey Anti-Mouse IgG (H+L) Invitrogen A-31570
Alexa Fluor 488 Donkey Anti-Goat IgG (H+L) Antibody Invitrogen A-11055
TOPRO-3 Invitrogen T3605
methylsalicylate Sigma M6752
paraformaldehyde Sigma P6148
Tissue Tek OCT Sakura 25608-930
Microsccope glass coverslips Menzel-Glaser BB024060A1 24x60mm
Microscope SuperFrost slides Menzel-Glaser AA00000102E 76x26mm
VECTASHIELD HardSet Mounting Medium Vector laboratories H-1400
Leica TCS SP5 II confocal microscope Leica Microsystems Argon-488, 514 nm and HeNe-633 nm laser lines
Zeiss 710 NLO upright confocal microscope Jena, Germany equipped with femtosecond Spectra – Physics Deep See MP laser (Santa Clara, United States) using a Plan -Apochromat 20x/1.0 NA
water-immersion objective.

References

  1. Shih, B., Bayat, A. Scientific understanding and clinical management of Dupuytren disease. Nat Rev Rheumatol. 6 (12), 715-726 (2010).
  2. Bisson, M. A., McGrouther, D. A., Mudera, V., Grobbelaar, A. O. The different characteristics of Dupuytren’s disease fibroblasts derived from either nodule or cord: expression of α-smooth muscle actin and the response to stimulation by TGF-β1. The Journal of Hand Surgery. 28 (4), 351-356 (2003).
  3. Brickley-Parsons, D., Glimcher, M. J., Smith, R. J., Albin, R., Adams, J. P. Biochemical changes in the collagen of the palmar fascia in patients with Dupuytren’s disease. The Journal of Bone & Joint Surgery. 63 (5), 787-797 (1981).
  4. Berndt, A., Kosmehl, H., Katenkamp, D., Tauchmann, V. Appearance of the myofibroblastic phenotype in Dupuytren’s disease is associated with a fibronectin, laminin, collagen type IV and tenascin extracellular matrix. Pathobiology. 62 (2), 55-58 (1994).
  5. Karkampouna, S., et al. Novel ex vivo culture method for the study of Dupuytren’s disease: effects of TGFβ type 1 receptor modulation by antisense oligonucleotides. Mol Ther Nucleic Acids. 3, e142 (2014).
  6. Kruithof-de Julio, M., et al. Canonical Wnt signaling regulates Nkx3.1 expression and luminal epithelial differentiation during prostate organogenesis. Developmental Dynamics. 242 (10), 1160-1171 (2013).
  7. Krause, C., Kloen, P., ten Dijke, P. Elevated transforming growth factor β and mitogen-activated protein kinase pathways mediate fibrotic traits of Dupuytren’s disease fibroblasts. Fibrogenesis & Tissue Repair. 4 (1), 14 (2011).
  8. Gorman, D. B., Wu, Y., Seney, S., Zhu, R. D., Gan, B. S. Wnt expression is not correlated with beta-catenin dysregulation in Dupuytren’s Disease. J Negat Results Biomed. 5, 13 (2006).
  9. Streuli, C. H., Schmidhauser, C., Kobrin, M., Bissell, M. J., Derynck, R. Extracellular matrix regulates expression of the TGF-beta 1 gene. The Journal of Cell Biology. 120 (1), 253-260 (1993).
  10. Vogel, V., Sheetz, M. Local force and geometry sensing regulate cell functions. Nat Rev Mol Cell Biol. 7 (4), 265-275 (2006).
  11. Gottrup, F., Ågren, M. S., Karlsmark, T. Models for use in wound healing research: A survey focusing on in vitro and in vivo adult soft tissue. Wound Repair and Regeneration. 8 (2), 83-96 (2000).
  12. Gudjonsson, T., et al. Normal and tumor-derived myoepithelial cells differ in their ability to interact with luminal breast epithelial cells for polarity and basement membrane deposition. Journal of Cell Science. 115 (1), 39-50 (2002).
  13. Xu, R., Boudreau, A., Bissell, M. Tissue architecture and function: dynamic reciprocity via extra- and intra-cellular matrices. Cancer and Metastasis Reviews. 28 (1-2), 167-176 (2009).
  14. Jokinen, J., et al. Integrin-mediated cell adhesion to type I collagen fibrils. Journal of Biological Chemistry. 279 (30), 31956-31963 (2004).
  15. Au-Yong, I. T. H., Wildin, C. J., Dias, J. J., Page, R. E. A review of common practice in Dupuytren surgery. Techniques in Hand & Upper Extremity Surgery. 9 (4), 178-187 (2005).
  16. Deries, M., Collins, J. J. P., Duxson, M. J. The mammalian myotome: a muscle with no innervation. Evolution & Development. 10 (6), 746-755 (2008).
  17. Deries, M., et al. Extracellular matrix remodeling accompanies axial muscle development and morphogenesis in the mouse. Developmental Dynamics. 241 (2), 350-364 (2012).
  18. Martins, G. G., et al. Dynamic 3D Cell Rearrangements Guided by a Fibronectin Matrix Underlie Somitogenesis. PLoS ONE. 4 (10), e7429 (2009).
  19. Yokomizo, T., et al. Whole-mount three-dimensional imaging of internally localized immunostained cells within mouse embryos. Nat. Protocols. 7 (3), 421-431 (2012).
  20. Karkampouna, S., de Julio, M. K. r. u. i. t. h. o. f. -. Fibrosis: a novel approach for an old problem. Receptors & Clinical Investigation. 1 (5), (2014).
  21. Wolf, K., et al. Collagen-based cell migration models in vitro and in vivo. Seminars in Cell & Developmental Biology. 20 (8), 931-941 (2009).
  22. Freund, I., Deutsch, M., Sprecher, A. Connective tissue polarity. Optical second-harmonic microscopy, crossed-beam summation, and small-angle scattering in rat-tail tendon. Biophysical Journal. 50 (4), 693-712 (1986).
  23. Mohler, W., Millard, A. C., Campagnola, P. J. Second harmonic generation imaging of endogenous structural proteins. Methods. 29 (1), 97-109 (2003).
  24. Boulesteix, T., et al. Micrometer scale ex vivo multiphoton imaging of unstained arterial wall structure. Cytometry Part A. 69A (1), 20-26 (2006).
  25. Tomasek, J. J., Gabbiani, G., Hinz, B., Chaponnier, C., Brown, R. A. Myofibroblasts and mechano-regulation of connective tissue remodelling. Nat Rev Mol Cell Biol. 3 (5), 349-363 (2002).
  26. Hinz, B., Mastrangelo, D., Iselin, C. E., Chaponnier, C., Gabbiani, G. Mechanical tension controls granulation tissue contractile activity and myofibroblast differentiation. The American Journal of Pathology. 159 (3), 1009-1020 (2001).
  27. Eastwood, M., McGrouther, D. A., Brown, R. A. A culture force monitor for measurement of contraction forces generated in human dermal fibroblast cultures: evidence for cell-matrix mechanical signalling. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – General Subjects. 1201 (2), 186-192 (1994).
  28. Verjee, L. S., Midwood, K., Davidson, D., Eastwood, M., Nanchahal, J. Post-transcriptional regulation of α-smooth muscle actin determines the contractile phenotype of Dupuytren’s nodular cells. Journal of Cellular Physiology. 224 (3), 681-690 (2010).
check_url/52534?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Karkampouna, S., Kloen, P., Obdeijn, M. C., Riester, S. M., van Wijnen, A. J., Kruithof-de Julio, M. Human Dupuytren’s Ex Vivo Culture for the Study of Myofibroblasts and Extracellular Matrix Interactions. J. Vis. Exp. (98), e52534, doi:10.3791/52534 (2015).

View Video