Étudier l'infection à Cryptosporidium dans les systèmes de culture organoïde humaine dérivés de tissus 3D par microinjection
Summary
Nous décrivons des protocoles pour préparer des oocysts et purifier des sporozoites pour étudier l’infection des organoïdes intestinaux et de voie aérienne humains par Cryptosporidium parvum. Nous démontrons les procédures pour la microinjection des parasites dans le lumen intestinal organoïde et l’immunostaining des organoïdes. Enfin, nous décrivons l’isolement des oborcystes générés des organoïdes.
Abstract
Cryptosporidium parvum est l’une des principales causes de la maladie diarrhéique humaine. Pour comprendre la pathologie du parasite et développer des médicaments efficaces, un système de culture in vitro qui récapitule les conditions dans l’hôte est nécessaire. Les organoïdes, qui ressemblent étroitement aux tissus de leur origine, sont idéaux pour étudier les interactions hôte-parasite. Les organoïdes sont des structures tridimensionnelles (3D) dérivées de tissus qui sont dérivées de cellules souches adultes et se développent en culture pendant de longues périodes de temps sans subir d’aberration génétique ou de transformation. Ils ont une polarité bien définie avec des surfaces apicales et basolatérales. Les organoïdes ont diverses applications dans le dépistage des drogues, la biobanque, et la modélisation des maladies et les études d’interaction hôte-microbe. Ici, nous présentons un protocole étape par étape de la façon de préparer les oocystes et les sporozoites de Cryptosporidium pour infecter les organoïdes intestinaux et respiratoires humains. Nous démontrons ensuite comment la microinjection peut être utilisée pour injecter les microbes dans le lumen organoïde. Il existe trois méthodes principales par lesquelles les organoïdes peuvent être utilisés pour les études d’interaction hôte-microbe : microinjection, tonte mécanique et placage, et en fabriquant des monocouches. La microinjection permet le maintien de la structure 3D et permet un contrôle précis des volumes de parasites et un contact latéral actoical direct pour les microbes. Nous fournissons des détails pour la croissance optimale des organoïdes pour la production d’imagerie ou d’oocyst. Enfin, nous démontrons également comment les oocysts nouvellement générés peuvent être isolés de l’organoïde pour un traitement et une analyse en aval.
Introduction
Le développement de médicaments ou de vaccins pour le traitement et la prévention de l’infection à Cryptosporidium a été entravé par l’absence de systèmes in vitro qui imitent précisément la situation in vivo chez l’homme1,2. Bon nombre des systèmes actuellement disponibles ne permettent que l’infection à court terme (5 jours) ou ne soutiennent pas le cycle de vie complet du parasite3,4. D’autres systèmes qui permettent le développement complet du parasite sont basés sur des lignées cellulaires immortalisées ou des lignées de cellules cancéreuses qui ne récapitulent pas fidèlement la situation physiologique chez l’homme5,6,7 . Les organoïdes ou « mini-organes » sont des structures dérivées de tissus 3D qui sont cultivées dans une matrice extracellulaire complétée par divers facteurs de croissance spécifiques aux tissus. Des organoïdes ont été développés à partir de divers organes et tissus. Ils sont génétiquement stables et récapitulent la plupart des fonctions des organes de leur origine, et peuvent être maintenus en culture pendant de longues périodes de temps. Nous avons développé une méthode pour infecter les organoïdes intestinaux et pulmonaires humains avec Cryptosporidium qui fournit un modèle in vitro précis pour l’étude des interactions hôte-parasite pertinentes à la cryptosporidiose intestinale et respiratoire8 ,9,10,11,12,13. Contrairement à d’autres modèles de culture publiés, le système organoïde est représentatif des interactions réelles des parasites hôtes, permet d’achever le cycle de vie afin que toutes les étapes du cycle de vie du parasite puissent être étudiées, et maintient la propagation du parasite pour un jusqu’à 28 jours10.
Cryptosporidium parvum est un parasite apicomplexan qui infecte l’épithélium des voies respiratoires et intestinales, causant une maladie diarrhéique prolongée. Le stade environnemental résistant est l’oocyste, trouvé dans les aliments et l’eau contaminés14. Une fois ingérés ou inhalés, l’oocyste excyste et libère quatre sporozoites qui se fixent aux cellules épithéliales. Sporozoites glisser sur les cellules hôtes et engager les récepteurs cellulaires hôtes, mais le parasite n’envahit pas complètement la cellule, et semble induire la cellule hôte pour l’engloutir15. Le parasite, qui est intériorisé dans un compartiment intracellulaire mais extracytoplasmique, reste à la surface apicale de la cellule, se reproduisant dans un vacuole parasitophore. Il subit deux séries de reproduction asexuée, un processus appelé mérogonie. Pendant la mérogonie, les meronts de type I se développent qui contiennent huit mériozoites qui sont libérés pour envahir de nouvelles cellules. Ces mériozoites envahissent de nouvelles cellules pour se développer en meronts de type II contenant quatre mériozoites. Ces mériozoites, lorsqu’ils sont libérés, infectent les cellules et se développent en macrogamonts et microgamonts. Les microgametes sont libérés et fécondent les macrogametes produisant des zygotes qui mûrissent en oocystes. Les oocystes matures sont ensuite libérés dans le lumen. Les okys sont soit à parois minces qui excystent immédiatement pour réinfecter l’épithélium, soit à d’épais parois s’éparpés qui sont libérés dans l’environnement pour infecter le prochain hôte14. Toutes les étapes du cycle de vie de Cryptosporidium ont été identifiées dans le système de culture organoïde précédemment développé par notre groupe10.
Depuis organoïdes humains reproduisent fidèlement les tissus humains9,11,13, et de soutenir toutes les étapes réplicatrices de Cryptosporidium10, ils sont le système idéal de culture tissulaire pour étudier Biologie du cryptosporidium et interactions hôte-parasite. Ici nous décrivons les procédures pour infecter des organoïdes avec des oocysts de Cryptosporidium et des sporozoites excystés, et isoler les nouveaux oocysts produits dans ce système de culture de tissu.
Protocol
Representative Results
Discussion
La culture des parasites de Cryptosporidium dans les organoïdes intestinaux et de voie aérienne fournit un modèle précis pour étudier des interactions hôte-parasite10 mais a également beaucoup d’autres applications. Par exemple, les méthodes actuelles de sélection et de propagation des parasites cryptosporidium génétiquement modifiés nécessitent un passage chez la souris19 qui ne permet pas l’isolement des parasites qui ont des modifications e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants à Deborah A. Schaefer de l’École des sciences biomédicales animales et comparées, College of Agriculture and Life Sciences, University of Arizona, Tucson, AZ, Usa pour nous aider avec la production et l’analyse d’oocyst. Nous remercions également Franceschi Microscopy and Imaging Center et D.L. Mullendore de l’Université d’État de Washington pour la préparation et l’imagerie tem des ovocytes organoïdes isolés.
D.D. est le bénéficiaire d’une subvention VENI de l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO-ALW, 016.Veni.171.015). I.H. est le bénéficiaire d’une subvention VENI de l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO-ALW, 863.14.002) et a été soutenu par les bourses Marie Curie de la Commission européenne (Proposition 330571 FP7-PEOPLE-2012-IIF). La recherche menant à ces résultats a reçu un financement du Conseil européen de la recherche dans le cadre de l’accord de subvention avancée no 67013 de l’ERC et de la NIAIH des NIH dans le cadre de R21 AT009174 à RMO. Ce travail fait partie de l’Institut Oncode, qui est en partie financé par la Société néerlandaise du cancer et a été financé par une subvention de la Société néerlandaise du cancer.
Materials
| Basement membrane extract (extracellular matrix) | amsbio | 3533-010-02 | |
| Crypt-a-Glo antibody (Oocyst specific antibody) | Waterborne, Inc | A400FLR-1X | Final Concentration = Use 2-3 drops/slide |
| Crypto-Grab IgM coated Magnetic beads | Waterborne, Inc | IMS400-20 | |
| Dynamag 15 rack | Thermofisher Scientific | 12301D | |
| Dynamag 2 rack | Thermofisher Scientific | 12321D | |
| EMD Millipore Isopore Polycarbonate Membrane Filters- 3µm | EMD-Millipore | TSTP02500 | |
| Fast green dye | SIGMA | F7252-5G | |
| Femtojet 4i Microinjector | Eppendorf | 5252000013 | |
| Glass capillaries of 1 mm diameter | WPI | TW100F-4 | |
| Matrigel (extracellular matrix) | Corning | 356237 | |
| Microfuge tube 1.5ml | Eppendorf | T9661-1000EA | |
| Micro-loader tips | Eppendorf | 612-7933 | |
| Micropipette puller P-97 | Shutter instrument | P-97 | |
| Normal donkey Serum | Bio-Rad | C06SB | |
| Penstrep | Gibco | 15140-122 | |
| Sodium hypoclorite (use 5%) | Clorox | 50371478 | |
| Super stick slides | Waterborne, Inc | S100-3 | |
| Swinnex-25 47mm Polycarbonate filter holder | EMD-Millipore | SX0002500 | |
| Taurocholic acid sodium salt hydrate | SIGMA | T4009-5G | |
| Tween-20 | Merck | 8221840500 | |
| Vectashield mounting agent | Vector Labs | H-1000 | |
| Vortex Genie 2 | Scientific industries, Inc | SI0236 | |
| Adv+++ (DMEM+Penstrep+Glutamax+Hepes) | Final amount | ||
| DMEM | Invitrogen | 12634-010 | 500ml |
| Penstrep | Gibco | 15140-122 | 5ml of stock in 500ml DMEM |
| Glutamax | Gibco | 35050038 | 5ml of stock in 500ml DMEM |
| Hepes | Gibco | 15630056 | 5ml of stock in 500ml DMEM |
| INTESTINAL ORGANOID MEDIA-OME (Expansion media) | Final concentration | ||
| A83-01 | Tocris | 2939-50mg | 0.5µM |
| Adv+++ | make upto 100 ml | ||
| B27 | Invitrogen | 17504044 | 1X |
| EGF | Peprotech | AF-100-15 | 50ng/mL |
| Gastrin | Tocris | 3006-1mg | 10 nM |
| NAC | Sigma | A9125-25G | 1.25mM |
| NIC | Sigma | N0636-100G | 10mM |
| Noggin CM | In house* | 10% | |
| P38 inhibitor (SB202190) | Sigma | S7076-25 mg | 10µM |
| PGE2 | Tocris | 2296/10 | 10 nM |
| Primocin | InvivoGen | ant-pm-1 | 1ml/500ml media |
| RSpoI CM | In house* | 20% | |
| Wnt3a CM | In house* | 50% | |
| In house* – cell lines will be provided upon request | |||
| INTESTINAL ORGANOID MEDIA-OMD (Differentiation media) | To differentiate organoids, expanding small intestinal organoids were grown in a Wnt-rich medium for six to seven days after splitting, and then grown in a differentiation medium (withdrawal of Wnt, nicotinamide, SB202190, in a differentiation medium (withdrawal of Wnt, nicotinamide, SB202190, prostaglandin E2 from a Wnt-rich medium or OME) | ||
| LUNG ORGANOID MEDIA- LOM (Differentiation media) | Final concentration | ||
| Adv+++ | make upto 100 ml | ||
| ALK-I A83-01 | Tocris | 2939-50mg | 500nM |
| B27 | Invitrogen | 17504044 | 0.0763888889 |
| FGF-10 | Peprotech | 100-26 | 100ng/ml |
| FGF-7 | Peprotech | 100-19 | 25ng/ml |
| N-Acetylcysteine | Sigma | A9125-25G | 1.25mM |
| Nicotinamide | Sigma | N0636-100G | 5mM |
| Noggin UPE | U-Protein Express | Contact company directly | 10% |
| p38 MAPK-I | Sigma | S7076-25 mg | 1µM |
| Primocin | InvivoGen | ant-pm-1 | 1:500 |
| RhoKI Y-27632 | Abmole Bioscience | M1817_100 mg | 2.5µm |
| Rspo UPE | U-Protein Express | Contact company directly | 10% |
| Reducing buffer (for resuspension of oocysts and sporozoites for injection) | Final concentration | ||
| L-Glutathione reduced | Sigma | G4251-10MG | 0.5 μg/μl of OME/OMD/LOM |
| Betaine | Sigma | 61962 | 0.5 μg/μl of OME/OMD/LOM |
| L-Cysteine | Sigma | 168149-2.5G | 0.5 μg/μl of OME/OMD/LOM |
| Linoleic acid | Sigma | L1376-10MG | 6.8 μg/ml of OME/OMD /LOM |
| Taurine | Sigma | T0625-10MG | 0.5 μg/μl of OME/OMD/LOM |
| Blocking buffer (for immunoflourescence staining) | Final concentration | ||
| Donkey/Goat serum | Bio-Rad | C06SB | 2% |
| PBS | Thermo-Fisher | 70011044 | Make upto 100ml |
| Tween 20 | Merck | P1379 | 0.1% |
| List of Antibodies used | |||
| Alexa 568 goat anti-rabbit | Invitrogen | A-11011 | Dilution-1:500; RRID: AB_143157 |
| Crypt-a-Glo Comprehensive Kit- Fluorescein-labeled antibody Crypto-Glo | Waterborne, Inc | A400FLK | Dilution- 1:200 |
| Crypta-Grab IMS Beads- Magnetic beads coated in monoclonal antibody reactive | Waterborne, Inc | IMS400-20 | Dilution-1:500 |
| DAPI | Thermo Fisher Scientific | D1306 | Dilution-1:1000; RRID : AB_2629482 |
| Phalloidin-Alexa 674 | Invitrogen | A22287 | Dilution-1:1000; RRID: AB_2620155 |
| Rabbit anti-gp15 antibody generated by R. M. O’Connor (co-author). | Upon request | Upon request | Dilution-1:500 |
| Sporo-Glo | Waterborne, Inc | A600FLR-1X | Dilution- 1:200 |
References
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