İnsan nazal epitel hücre pulcuklarının nesil bireyselleştirilmiş Kistik fibrozis transmembran gürültülerinden regülatör çalışma için
Summary
Burada insan nazal epitel hücreleri kültürleri üç boyutlu küresel oluşturmak için bir yöntem açıklanmaktadır. Pulcuklarının sonra sürücüye Kistik fibrozis transmembran gürültülerinden regülatörü (CFTR) teşvik-bağımlı iyon ve CFTR işlevi için bir proxy gibi küresel luminal boyutunda değişiklik miktarının sıvı salgılanması.
Abstract
Kistik fibrozis transmembran gürültülerinden regülatörü (CFTR) modülatör ilaçlar getirilmesi bakım Kistik fibrozis (CF) devrim yarattı iken, genotip yönetmen terapi modeli şu anda kullanımda olan bazı sınırlamaları vardır. İlk, nadir veya çöküşünde mutasyon grupları kesin klinik hariç tutulur. Ayrıca, ek modülatör uyuşturucu pazara girerken, modülatör seçimler tek bir özne için optimize etmek zor olacak. Her iki bu sorunların CFTR işlevi ve modülasyon hasta kaynaklı, bireyselleştirilmiş preklinik modeli sistemlerinin kullanımı ile ele alınmaktadır. İnsan nazal epitel hücreleri (HNEs) böyle bir model için solunum doku kolayca erişilebilir bir kaynaktır. Burada, CFTR işlevi ve modülasyon birincil HNEs kullanarak bir üç boyutlu küresel model nesil açıklar. HNEs minimal invaziv bir moda, koşullu programlama koşullarında genişletilmiş ve küresel kültürün içine seribaşı bireylerde etkilenmezsiniz. Tohum 2 hafta içinde küresel kültürler 3′ ile 5′-siklik adenozin monofosfattır (kampı) uyarılmış HNE pulcuklarının oluşturmak-agonistler CFTR iþlevini etkinleþtirmek için üretiliyor. Küresel şişlik ardından CFTR etkinliği bir proxy olarak sayılabilir. HNE pulcuklarının hastalık morbidite ve mortalite yansıtan bir epitel ilgili bir erişilebilir, kişiselleştirilmiş modeli oluşturmak için burun hücreleri minimal invaziv, henüz solunum kökeni yararlanmak. Hava-sıvı arayüzey HNE kültürler için karşılaştırıldığında, pulcuklarının hangi genel kirlenme oranı azaltır olgun, nispeten hızlı olan. Bu doku edinme göreli kolaylığı ile dengeleniyor olsa mevcut haliyle modeli düşük işlem hacmi ile sınırlıdır. HNE pulcuklarının güvenilir bir şekilde ölçmek ve CFTR etkinlik bireysel düzeyde karakterize etmek için kullanılabilir. Vivo uyuşturucu yanıt için bu miktar bağlamak için devam eden bir çalışma HNE pulcuklarının CFTR modülasyon hasta yanıt bir gerçek preklinik tahmin olup olmadığını belirler.
Introduction
Kistik fibroz (CF) 70.000 kişi dünya çapında1etkileyen ölümcül bir otozomal resesif hastalik var. Bu hayat-kısalma genetik hastalığı Kistik fibrozis transmembran gürültülerinden regülatör protein (CFTR)2mutasyonların neden olur. CFTR gastrointestinal sistem, ter bezi de dahil olmak üzere birden çok polarize epiteli apikal zarı arasında klorür ve bikarbonat hareketi sağlayan iyon kanalı olarak adenozin trifosfat-bağlayıcı kaset aile ve işlevleri üyesi olan, ve solunum ağaç, diğerleri arasında3,4. Bu nedenle, işlevsiz CFTR çoklu sistem epitel disfonksiyon, solunum hastalıkları1den kaynaklanan çoğu mortalite ile yol açar. CF akciğerde hava yolu CFTR tahrik yüzey sıvı (ASL) yönetmelik ve mukus yayın yol açar kalınlaşmış mukus, hava yolu obstrüksiyonu, kronik enfeksiyon ve ilerici hava yolu remodeling kaybı ve akciğer işlev1,5kaybı.
Hastalığın nedeni olarak CFTR disfonksiyon kimlik rağmen CF tedaviler geleneksel belirtileri (örneğin, pankreas enzim replasman tedavisi, hava yolu geçiş izni terapiler)1azaltma üzerinde duruldu. Bu yaklaşım son zamanlarda roman therapeutics, “doğrudan hedef işlevsiz CFTR CFTR modülatörler,” olarak adlandırdığı advent tarafından devrim. Bu yaklaşım belirti yönetimi’nden hastalığı değiştirme için klinik manzara kaymıştır bakım ama birkaç sınırlamalar6,7,8,9,10taşır. Modülatör her CFTR mutasyon eşlik eden protein kusur için özel ve genetik nüfus11seçmek için sınırlı bir faaliyettir. Bu sınırlama protein kusurların türdeş olmayan doğası gereği, aynı zamanda nadir mutasyon gruplar klinik çalışmalar impracticality tarafından tahrik edilmektedir. Buna ek olarak, iyi okudu genotip (örneğin, F508del/F508del CFTR, en yaygın CFTR mutasyon), ile konular arasında işte geniş değişkenlik hastalık yükü ve modülatör yanıt6,7‘,8 ,9,11.
Her iki bu sorunların üstesinden gelmek için müfettişler preklinik test12kişiselleştirilmiş modelleri kullanılmasını önerdi. Bu kavram vivo içinde konu terapiler kişiselleştirilmiş bir moda öngörmede hastaya özgü doku bileşik sınama, bir bireyselleştirilmiş ex vivo modeli sistemi oluşturmak için kullanır. Bir kez doğrulanmış, böyle bir model sürücü hassas tedavi hastanın altta yatan CFTR genotip ne olursa olsun klinisyenler tarafından kullanılabilir.
İnsan bronş epitel (HBE) hücreleri explant dokudan akciğer nakli zamanda elde edilen böyle bir model için CF13,14olasılığı kurdu. Bir hava-sıvı arayüzü (ALI) yetiştirilen HBEs fonksiyonel CFTR miktar doğrudan electrophysiologic test veya aracılığıyla dolaylı olarak önlemler ASL homeostazı13,15için izin verir. Bu model yapılmış CFTR Biyoloji anlamak için kritik ve CFTR modülatörler16gelişiminde önemli bir sürücüydü. Ne yazık ki, HBE modelleri savunulabilir edinimi (akciğer nakli veya bronşiyal fırçalama) invaziv doğası ve örnekleri eksikliği nedeniyle kişiselleştirilmiş bir model olarak nadir mutasyonlar ya da hafif hastalığı olanlar için değildir. Tersine, bağırsak dokusu, rektal veya duodenal biyopsi örnekleri elde edilen bağırsak geçerli ölçüm (ICM) veya şişme tabanlı organoid tahlil için bireyselleştirilmiş CFTR işlevi17,18, eğitim için kullanılabilir 19. Organoid deneyleri, özellikle, CFTR etkinlik20,21,22çok hassas modelleri vardır. Her iki modelde sınırlı doku kaynak (bağırsak dokusu, çoğu hastalık patoloji solunum olmakla birlikte) ve satın alma yarı invaziv yöntem. Alternatif olarak, çeşitli araştırmacılar insan nazal epitel (HNE) hücreleri modeli CFTR restorasyon23,24,25inceledik. HNEs güvenli bir şekilde fırça veya kürtaj bireylerde her yaştan tarafından hasat edilebilir ve ALI, kültürlü zaman HBEs25,26,27,28birçok özellikleri özetlemek. HNE monolayer kültürlerin geleneksel olarak Skuamöz dönüştürme ve olgunluk29için uzun bir süre ile sınırlı. Ayrıca, rapor kısa devre geçerli ölçüm sonuçları HNEs daha fazla HBEs, terapötik etkinlik25algılamak için küçük bir pencere düşündüren olan daha küçük.
Kişiselleştirilmiş, non-invaziv, solunum doku kültürü manken CFTR işlevinin ihtiyacını göz önüne alındığında, bir şişme tabanlı organoid tahlil duyarlılık HNEs non-invaziv ve solunum doğası ile birleştirmek çalıştı. Burada, HNEs 3 boyutlu “küresel” kültürleri bireyselleştirilmiş CFTR çalışma için tahlil şişme tabanlı30‘ u üreten bizim yöntemi açıklamak. HNE pulcuklarının güvenilir küre merkezi veya Lümen doğru epitelyal tepe ile kutuplaştırmak. Bu model çok sayıda alt solunum epitel özelliklerini recapitulates ve ALI kültürleri daha çabuk olgunlaşır. Fonksiyonel bir tahlil olarak HNE pulcuklarının güvenilir modülasyon iyi okudu mutasyon gruplar (örneğin, F508del CFTR) yanı sıra bir aralığı CFTR işlevi ölçmek. Bu şişme tabanlı tahlil CFTR su apikal tuz sızma aşağıdaki gibi dolaylı olarak küresel sıvı akını ölçme, iyon/tuz taşıma özellikleri üzerinde büyük harfe dönüştürür. Bu disfonksiyonel CFTR ile daha az şişer veya küçültmek bu şekilde uyarılmış pulcuklarının tamamen işlevsel CFTR ile sağlam, güzel. Bu görüntü analizi öncesi ile sayısal ve 1 h sonrası stimülasyon pulcuklarının, luminal alan ölçme ve yüzde belirleyerek değiştirebilirsiniz. Bu ölçü sonra uyuşturucu bioactivity bir hastaya özgü moda için ekran için deneysel grupları arasında karşılaştırılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu iletişim kuralı burun hücre hasta kaynaklı küresel kültürler CFTR işlevi ve bireyselleştirilmiş bir belirli bir modelini üretmek mümkün nesil açıklar. Yakından zorluk önlemek için katıldı süreç içinde birkaç temel adım vardır. Önce bir güzel örnek hastanın burun değil. İyi bir örnek olmalıdır > 50.000 hücreleri, sınırlı mukus/enkaz ve içinde 4 h (başarı da buza nakliye gecede ile kolay ulaşılabilir olmasına rağmen) işlemek için hazır olun. Uygulama örnekleri küret vey…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Kistik Fibrozis Vakfı Therapeutics tarafından desteklenen, sayı CLANCY14XX0 vermek ve Kistik Fibrozis Vakfı numarası CLANCY15R0 verin. Yazarlar Kristina Ray hasta işe alım ve yasal gözetim ona yardım için teşekkür etmek istiyorum. Yazarlar ayrıca HNE kültür yetenekleri nesilde destekli Kistik Fibrozis Vakfı tarafından desteklenen HNE çalışma grubu teşekkür etmek istiyorum: Preston Bratcher, Calvin pamuk, Martina Gentzsch, Elizabeth Joseloff, Michael Myerburg, Dave Nichols, Scott Randell, Steve Rowe, G. Marty Solomon ve Katherine Tuggle.
Materials
| 1.5 mL Eppendorf Tube | USA Scientific | 4036-3204 | |
| 150 mL Filter Flask | Midsci | TP99150 | To filter Media |
| 15 mL Conical Tube | Midsci | TP91015 | |
| 1 L Filter Flask | Midsci | TP99950 | To filter Media |
| 35 mm Glass-Bottom Dish | MatTek Corporation | P35G-0-20-C | Optional |
| 3-Isobutyl-1-Methylxanthine (IBMX) | Fisher Scientific | AC228420010 | Prepare a 100 mM stock solution of 22.0 mg in 1 mL of DMSO |
| 50 mL Conical Tube | Midsci | TP91050 | |
| Accutase | Innovative Cell Technologies, Inc. | AT-104 | Cell detachment solution |
| Adenine | Sigma-Aldrich | A2786-25G | See Table 1 |
| Amphotericin B | Sigma-Aldrich | A9528-100MG | See Table 1 |
| Bovine Brain Extract (9mg/mL) | Lonza | CC-4098 | See Table 2 |
| Ceftazidime hydrate | Sigma-Aldrich | C3809-1G | See Table 1 |
| Cell Scrapers 20 cm | Midsci | TP99010 | |
| CFTR Inh172 | Tocris Bioscience | 3430 | Prepare a 10 mM stock solution of 4.0 mg in 1 mL of DMSO |
| Cholera Toxin B (From Vibrio cholerae) | Sigma-Aldrich | C8052-.5MG | See Table 1 |
| CYB-1 | Medical Packaging Corporation | CYB-1 | Cytology brush |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D5879-500ML | |
| Dulbecco's Modified Eagle Media (DMEM)/F12 Hepes | Life Technologies | 11330-057 | Base Medium; See Tables 1 and 2 |
| Epidermal Growth Factor (Recombinant Human Protein, Animal-Origin Free) | Thermo Fisher Scientific | PHG6045 | See Table 1 |
| Epinephrine | Sigma-Aldrich | E4250-1G | See Table 2 |
| Ethanol | Fisher Scientific | 2701 | |
| Ethanolamine | Sigma-Aldrich | E0135-500ML | 16.6 mM solution; See Table 2 |
| Ethylenediaminetetraacetic Acid (EDTA) | TCI America | E0084 | |
| Fetal Bovine Serum (high performance FBS) | Invitrogen | 10082147 | See Table 1 |
| Forskolin | Sigma-Aldrich | F6886-50 | Prepare a 10 mM stock solution of 4.1 mg in 1 mL of DMSO |
| Growth Factor-Reduced Matrigel | Corning, Inc. | 356231 | Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, Phenol Red-Free, LDEV-Free, 10 mL. |
| Hemacytometer | Hausser Scientific | 1483 | |
| Human Collagen Solution, Type I (VitroCol; 3 mg/mL) | Advanced BioMatrix | 5007-A | Collagen solution |
| HyClone (aka FetalClone II) | GE Healthcare | SH30066.03HI | See Table 2 |
| Hydrocortisone | StemCell Technologies | 07904 | See Tables 1 and 2 |
| Insulin, human recombinant, zinc solution | Life Technologies | 12585014 | 4 mg/mL solution; see Table 2 |
| IVF 4-Well Dish, Non-treated | NUNC (via Fisher Scientific) | 12566350 | 4-well plate for spheroids; similar well size to a 24-well plate |
| MEF-CF1-IRR | Globalstem | GSC-6001G | Irradiated murine embryonic fibroblasts |
| Metamorph 7.7 | Molecular Devices | Analysis Software; https://www.moleculardevices.com/systems/metamorph-research-imaging/metamorph-microscopy-automation-and-image-analysis-software for a quote | |
| Olympus IX51 Inverted Microscope | Olympus Corporation | Discontinued | Imaging Microscope. Replacment: Olympus IX53, https://www.olympus-lifescience.com/pt/microscopes/inverted/ix53/ for a quote |
| Pen Strep | Life Technologies | 15140122 | See Table 2 |
| Phsophoryletheanolamine | Sigma-Aldrich | P0503-5G | See Table 2 |
| Retinoic Acid | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | See Table 2 |
| Rhinoprobe | Arlington Scientific, Inc. | 96-0905 | Nasal curette |
| Slidebook 5.5 | 3i, Intelligent Imaging Innovations | Discontinued | Imaging Software. Replacement: Slidebook 6, https://www.intelligent-imaging.com/slidebook for a quote |
| Sterile Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 20012050 | |
| Sterile Water | Sigma-Aldrich | W3500-6X500ML | |
| Tissue Culture Dish 100 | Techno Plastic Products | 93100 | Tissue culture dish for expansion |
| Tobramycin | Sigma-Aldrich | T4014-100MG | See Table 1 |
| Transferrin (Human Transferrin 0.5 mL) | Lonza | CC-4205 | See Table 2 |
| Triiodothryonine | Sigma-Aldrich | T6397-1G | 3,3′,5-Triiodo-L-thyronine sodium salt [T3]; See Table 2 |
| Trypsin from Porcine Pancreas | Sigma-Aldrich | T4799-10G | |
| Ultroser-G | Crescent Chemical (via Fisher Scientific) | NC0393024 | 20 mL lypophilized powder; See Table 2 |
| Vancomycin hydrochloride from Streptomyces orientalis | Sigma-Aldrich | V2002-5G | See Table 1 |
| VX770 | Selleck Chemicals | S1144 | Prepare a 1 mM stock solution of 0.4 mg in 1 mL of DMSO |
| VX809 | Selleck Chemicals | S1565 | Purchase or prepare a 10 mM stock solution of 4.5 mg in 1 mL of DMSO |
| Y-27632 Dihydrochloride ROCK inhibitor | Enzo LifeSciences | ALX-270-333-M025 | See Table 1 |
References
- Rowe, S. M., Miller, S., Sorscher, E. J. Cystic fibrosis. N Engl J Med. 352 (19), 1992-2001 (2005).
- Rommens, J. M., et al. Identification of the cystic fibrosis gene: chromosome walking and jumping. Science. 245 (4922), 1059-1065 (1989).
- Anderson, M. P., et al. Nucleoside triphosphates are required to open the CFTR chloride channel. Cell. 67 (4), 775-784 (1991).
- Boucher, R. C. Human airway ion transport. Part one. Am J Respir Crit Care Med. 150 (1), 271-281 (1994).
- Ehre, C., Ridley, C., Thornton, D. J. Cystic fibrosis: an inherited disease affecting mucin-producing organs. Int J Biochem Cell Biol. 52, 136-145 (2014).
- Accurso, F. J., et al. Effect of VX-770 in persons with cystic fibrosis and the G551D-CFTR mutation. N Engl J Med. 363 (21), 1991-2003 (2010).
- De Boeck, K., et al. Efficacy and safety of ivacaftor in patients with cystic fibrosis and a non-G551D gating mutation. J Cyst Fibros. 13 (6), 674-680 (2014).
- Moss, R. B., et al. Efficacy and safety of ivacaftor in patients with cystic fibrosis who have an Arg117His-CFTR mutation: a double-blind, randomised controlled trial. Lancet Respir Med. 3 (7), 524-533 (2015).
- Wainwright, C. E., et al. Lumacaftor-Ivacaftor in Patients with Cystic Fibrosis Homozygous for Phe508del CFTR. N Engl J Med. , (2015).
- Brewington, J. J., McPhail, G. L., Clancy, J. P. Lumacaftor alone and combined with ivacaftor: preclinical and clinical trial experience of F508del CFTR correction. Expert Rev Respir Med. 10 (1), 5-17 (2016).
- . . CFTR2 Database. , (2017).
- Mou, H., Brazauskas, K., Rajagopal, J. Personalized medicine for cystic fibrosis: establishing human model systems. Pediatr Pulmonol. 50 Suppl 40, S14-S23 (2015).
- Randell, S. H., Fulcher, M. L., O’Neal, W., Olsen, J. C. Primary epithelial cell models for cystic fibrosis research. Methods Mol Biol. 742, 285-310 (2011).
- Whitcutt, M. J., Adler, K. B., Wu, R. A biphasic chamber system for maintaining polarity of differentiation of cultured respiratory tract epithelial cells. In Vitro Cell Dev Biol. 24 (5), 420-428 (1988).
- Worthington, E. N., Tarran, R. Methods for ASL measurements and mucus transport rates in cell cultures. Methods Mol Biol. 742, 77-92 (2011).
- Van Goor, F., et al. Correction of the F508del-CFTR protein processing defect in vitro by the investigational drug VX-809. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (46), 18843-18848 (2011).
- Hug, M. J., Tummler, B. Intestinal current measurements to diagnose cystic fibrosis. J Cyst Fibros. 3 Suppl 2, 157-158 (2004).
- van Barneveld, A., Stanke, F., Ballmann, M., Naim, H. Y., Tummler, B. Ex vivo biochemical analysis of CFTR in human rectal biopsies. Biochim Biophys Acta. 1762 (4), 393-397 (2006).
- Dekkers, J. F., et al. A functional CFTR assay using primary cystic fibrosis intestinal organoids. Nat Med. 19 (7), 939-945 (2013).
- Dekkers, J. F., et al. Optimal correction of distinct CFTR folding mutants in rectal cystic fibrosis organoids. Eur Respir J. 48 (2), 451-458 (2016).
- Dekkers, R., et al. A bioassay using intestinal organoids to measure CFTR modulators in human plasma. J Cyst Fibros. 14 (2), 178-181 (2015).
- Zomer-van Ommen, D. D., et al. Limited premature termination codon suppression by read-through agents in cystic fibrosis intestinal organoids. J Cyst Fibros. , (2015).
- Bridges, M. A., Walker, D. C., Davidson, A. G. Cystic fibrosis and control nasal epithelial cells harvested by a brushing procedure. In Vitro Cell Dev Biol. 27a (9), 684-686 (1991).
- Di Lullo, A. M., et al. An "ex vivo model" contributing to the diagnosis and evaluation of new drugs in cystic fibrosis. Acta Otorhinolaryngol Ital. 37 (3), 207-213 (2017).
- Pranke, I. M., et al. Correction of CFTR function in nasal epithelial cells from cystic fibrosis patients predicts improvement of respiratory function by CFTR modulators. Sci Rep. 7 (1), 7375 (2017).
- Devalia, J. L., Davies, R. J. Human nasal and bronchial epithelial cells in culture: an overview of their characteristics and function. Allergy Proc. 12 (2), 71-79 (1991).
- Devalia, J. L., Sapsford, R. J., Wells, C. W., Richman, P., Davies, R. J. Culture and comparison of human bronchial and nasal epithelial cells in vitro. Respir Med. 84 (4), 303-312 (1990).
- Thavagnanam, S., et al. Nasal epithelial cells can act as a physiological surrogate for paediatric asthma studies. PLoS One. 9 (1), e85802 (2014).
- Jorissen, M., Van der Schueren, B., Van den Berghe, H., Cassiman, J. J. The preservation and regeneration of cilia on human nasal epithelial cells cultured in vitro. Arch Otorhinolaryngol. 246 (5), 308-314 (1989).
- Brewington, J. J., et al. Detection of CFTR function and modulation in primary human nasal cell spheroids. J Cyst Fibros. , (2017).
- Sun, H., et al. Tgf-beta downregulation of distinct chloride channels in cystic fibrosis-affected epithelia. PLoS One. 9 (9), e106842 (2014).
- Boucher, R. C. Evidence for airway surface dehydration as the initiating event in CF airway disease. J Intern Med. 261 (1), 5-16 (2007).
