פרוטוקול זה מתאר איסוף, הרחבה והתמיינות של תאי אפיתל באף למודלים של תאי אפיתל אורגנוטיפיים של דרכי הנשימה וכימות של תדירות פעימות הריסונים באמצעות הדמיה של תאים חיים וסקריפטים שנבנו בהתאמה אישית.
מדידות של תפקוד הריסונים (תדירות פעימה, דפוס) נקבעו ככלי אבחון למחלות בדרכי הנשימה כגון דיסקינזיה ציליארית ראשונית. עם זאת, היישום הרחב יותר של טכניקות אלה מוגבל על ידי הרגישות הקיצונית של תפקוד ציליארי לשינויים בגורמים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחות ו- pH. בדרכי הנשימה של חולים עם סיסטיק פיברוזיס (CF), הצטברות ריר מעכבת את הכאת הריסונים. פונקציית הריסונים נחקרה במודלים ראשוניים של תאי דרכי הנשימה כאינדיקטור לפעילות ערוץ מווסת מוליכות טרנסממברנה CF (CFTR). עם זאת, נמצאה שונות ניכרת בין מטופל לחולה בתדירות הכאת הריסונים בתגובה לתרופות המווסתות CFTR, אפילו עבור חולים עם אותן מוטציות של CFTR . יתר על כן, ההשפעה של הפרשת כלוריד מווסתת CFTR לא מתפקדת על תפקוד הריסיון אינה מובנת כהלכה. אין כיום פרוטוקול מקיף המדגים הכנת דגימות של מודלים של נתיבי אוויר במבחנה , רכישת תמונות וניתוח של Cilia Beat Frequency (CBF). תנאי תרבית סטנדרטיים ורכישת תמונות המבוצעים במצב מבוקר סביבתית יאפשרו כימות עקבי וניתן לשחזור של CBF בין אנשים ובתגובה לתרופות המווסתות CFTR. פרוטוקול זה מתאר את הכימות של CBF בשלוש מערכות מודל שונות של תאי אפיתל בדרכי הנשימה: 1) יריעות אפיתל מקוריות, 2) מודלים של ממשק אוויר-נוזל המצולמים על תוספות תמיכה חדירות, ו-3) אורגנואידים תלת-ממדיים מוטמעים במטריצה חוץ-תאית. שני האחרונים משכפלים את הפיזיולוגיה של הריאות in vivo , עם ריסונים מכים וייצור של ריר. הפונקציה הציליארית נלכדת באמצעות מצלמת וידאו במהירות גבוהה בתא הנשלט על ידי הסביבה. סקריפטים שנבנו בהתאמה אישית משמשים לניתוח CBF. תרגום מדידות CBF למרפאה צפוי להיות כלי קליני חשוב לניבוי תגובה לתרופות מווסתות CFTR על בסיס פר מטופל.
מדידות של תדירות פעימת ריסונים (CBF) ודפוס נקבעו ככלי אבחון למחלות בדרכי הנשימה כגון דיסקינזיה ריסיאלית ראשונית (PCD)1. בסיסטיק פיברוזיס (CF), תפקוד לקוי של תעלת הכלוריד של מווסת מוליכות טרנסממברנה CF (CFTR) גורם להתייבשות של נוזל פני השטח של דרכי הנשימה ולפגיעה בפינוי ליחה2. פונקציה ציליארית נחקרה במבחנה במודלים ראשוניים של תאי דרכי הנשימה כאינדיקטור לפעילות ערוץ CFTR3. עם זאת, קיימת שונות ניכרת בין חולה לחולה ב-CBF בתגובה לתרופות המווסתות CFTR, אפילו עבור חולים עם אותן מוטציות CFTR 3. יתר על כן, ההשפעה של הפרשת כלוריד מווסתת CFTR לא מתפקדת על תפקוד הריסיון אינה מובנת כהלכה. אין כיום פרוטוקול מקיף המדגים הכנת דגימות של מודלים של נתיבי אוויר במבחנה , רכישת תמונות וניתוח של CBF.
יריעות אפיתל לאף המבודדות ממברשות רירית האף משמשות ישירות למדידות של תפקוד ציליארי לאבחון PCD4. עם זאת, בעוד שאין שליטה על הגודל או האיכות של יריעות אפיתל האף המתקבלות, CBF משתנה בהתאם לשאלה אם הוא נמדד על תאים בודדים או יריעות תאים ועל קצוות יריעות אפיתל משובשות או ללא הפרעה5. ככזה, דיסקינזיות משניות הנגרמות על ידי נזק לתאים במהלך איסוף של מברשות רירית האף עשויות להשפיע על CBF. תרבית תאים ראשונית של תאי אפיתל באף והתמיינותם בממשק אוויר-נוזל (ALI) או במטריצת קרום מרתף תלת-ממדית לאורגנואידים אפיתליאליים של דרכי הנשימה יוצרים ריסונים נקיים מדיסקינזיות משניות 4,6,7,8. תאי אפיתל של דרכי הנשימה המתמיינים ב- ALI (המכונים מעתה מודלים ALI) נחשבו לכלי אבחון משני חשוב המשכפל את דפוסי הפעימה והתדירות של צחצוח רירית האף ex vivo 6 ומאפשר ניתוח של אולטרה-מבנה ציליארי, תבנית פעימה ותדירות פעימה תוך שמירה על פגמים ספציפיים למטופל9 . עם זאת, קיימים פערים במתודולוגיות המשמשות ליצירת מודלים של תאים ממוינים מדומים, ליחה. פרוטוקולי הרחבה או הבחנה שונים של תרביות יכולים לגרום לפנוטיפים אפיתליאליים מובחנים (ciliated או secretory)10 ולגרום להבדלים משמעותיים ב-CBF11. CBF כומתה במברשות אפיתל לאף 4,6,12,13,14,15,16, אורגנואידים אפיתל של דרכי הנשימה 14,17,18 ודגמי ALI 3,4,6,13,19,20, 21. עם זאת, בין פרוטוקולים אלה, יש שונות גדולה, ולעתים קרובות פרמטרים רבים אינם מבוקרים. לדוגמה, במחקרים מסוימים, CBF מצולם באתרו בעוד שהתאים של מודל ALI נשארים על תוספת התמיכה החדירה 3,19,20,21, אך אחרים מגרדים את התאים מתוספת התמיכה החדירה ומדמיינים אותם תלויים במדיה 4,6,13.
יתר על כן, היישום הרחב יותר של טכניקות המודדות את הפונקציה הציליארית מוגבל על ידי הרגישות הקיצונית של הפונקציה הציליארית לשינויים בגורמים סביבתיים. גורמים סביבתיים כגון טמפרטורה22, לחות 23,24 ו- pH 25,26 משפיעים על תפקוד הציליארי ויש לווסת אותם כדי לכמת CBF במדויק. הפרמטרים הפיזיולוגיים השונים המשמשים במעבדות שונות וכיצד הם משפיעים על CBF נבדקו בעבר27.
בספרות מדווחות טכנולוגיות הדמיה וגישות שונות למדידות CBF. עבור אבחון PCD, מיקרוסקופיית וידאו משמשת למדידת תפקוד ציליארי28,29. לאחרונה, נעשה שימוש באלגוריתם ניתוח וידאו המבוסס על מיקרוסקופיה דינמית דיפרנציאלית כדי לכמת הן CBF והן תיאום ריסונים במודלים של תאי אפיתל ALI של דרכי הנשימה 3,30. שיטה זו מאפשרת אפיון של הכאה ציליארית בתאי אפיתל דרכי הנשימה באופן מהיר ואוטומטי לחלוטין, ללא צורך בפילוח או בחירת אזורים. שיטות שונות להדמיה וכימות של CBF עשויות להוסיף להבדלים המדווחים ב-CBF בספרות (קובץ משלים 1).
פרוטוקול מתרבות לכימות לייעול השיטות הקיימות, סטנדרטיזציה של תנאי התרבות ורכישת תמונות, המבוצעות בתנאים קפדניים מבוקרים סביבתית, יאפשרו כימות עקבי וניתן לשחזור של CBF בתוך ובין פרטים.
פרוטוקול זה מספק תיאור מלא של אוסף תאי אפיתל, תנאי תרבית התפשטות והתמיינות, וכימות של CBF בשלוש מערכות מודל שונות של תאי אפיתל בדרכי הנשימה ממקור האף: 1) יריעות אפיתל מקוריות, 2) מודלים של ALI המצולמים על תוספות תמיכה חדירות ו-3) אורגנואידים תלת-ממדיים מוטמעים על-ידי מטריצה חוץ-תאית (ECM) (איור 1) ). תאי אפיתל באף המתקבלים ממברשות טורבינאט נחותות באף משמשים כנציגים של אפיתל דרכי הנשימה מכיוון שהם פונדקאית יעילה לתאי אפיתל הסימפונות31 תוך התגברות על ההליך הפולשני הקשור לאיסוף מברשות הסימפונות. שיטת תא התכנות מחדש המותנה (CRC) משמשת להרחבת תאי אפיתל ראשוניים של דרכי הנשימה ליצירת מודלים של ALI ואורגנואידים תלת-ממדיים. תכנות מחדש מותנה של תאי אפיתל דרכי הנשימה למצב דמוי תאי גזע מושרה על ידי תרבית משותפת עם מערכת תאי הזנה פיברובלסטים שנעצרה בגדילה ומעכב קינאז הקשור ל-Rho (ROCK)32. חשוב לציין ששיטת CRC מגדילה את הכפלת האוכלוסייה בתאי אפיתל בדרכי הנשימה תוך שמירה על פוטנציאל ההתמיינות הספציפי לרקמות שלהם33,34. בכל דגמי תאי האפיתל של דרכי הנשימה, הפונקציה הציליארית נלכדת בתא מבוקר טמפרטורה באמצעות מצלמת וידאו במהירות גבוהה עם הגדרות סטנדרטיות לקליטת תמונה. סקריפטים שנבנו בהתאמה אישית משמשים לכימות של CBF.
איור 1: סכימה של זרימת עבודה. לאחר צחצוח הטורבינציה הנחותה באף של המשתתפים, תאי אפיתל דרכי הנשימה מנוצלים באחת משתי דרכים. או יריעות אפיתל של דרכי הנשימה מבודדות, ותדר פעימות הריסונים מצולם מיד, או שתאי אפיתל של דרכי הנשימה מורחבים באמצעות שיטת התכנות מחדש המותנית של התא. תאי אפיתל של דרכי הנשימה המורחבים על-ידי CRC מתמיינים כדי ליצור תאי אפיתל של דרכי הנשימה בממשק אוויר-נוזל או בתרביות אפיתל אורגנואידיות של דרכי הנשימה. הדמיה של תדר פעימה ציליארית נרכשת באמצעות מיקרוסקופ הדמיה של תאים חיים עם תא סביבתי של חימום ולחות ומצלמה מדעית בקצב פריימים מהיר (>100 הרץ). ניתוח הנתונים מתבצע באמצעות סקריפטים שנבנו בהתאמה אישית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
ישנם גורמים רבים שיכולים לטשטש את הכימות של CBF ביריעות אפיתל האף. יש לדמות יריעות אפיתל תוך 3-9 שעות מאיסוף הדגימה מכיוון שהפונקציה הציליארית יציבה ביותר בתקופה זו37. פחות תאי דם אדומים ופסולת הם האופטימליים ביותר להדמיה, שכן אלה מפריעים לאיסוף הנתונים. בעת בחירת ROI להדמיה, חשוב ?…
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים למשתתפי המחקר ולמשפחותיהם על תרומתם. אנו מעריכים את הסיוע של בתי החולים לילדים בסידני (SCH) מחלקת הנשימה של רנדוויק בארגון ואיסוף של ביופסימנים של חולים – תודה מיוחדת לד”ר ג’ון וידג’ר, ד”ר איבון בלסיס, ליאן פלוס, אמנדה תומפסון ורונדה בל. אנו מודים על עזרתם של איווטה סלפסטובה ורנה וון ממתקן המיקרוסקופיה הקלה של קתרינה גאוס במרכז האנליטי ע”ש מארק ויינרייט ב- UNSW Sydney. עבודה זו נתמכת על ידי המועצה הלאומית לבריאות ומחקר רפואי (NHMRC) אוסטרליה (GNT1188987), קרן CF אוסטרליה וקרן בית החולים לילדים בסידני. המחברים רוצים להודות לברית Luminesce – חדשנות לבריאות ילדים על תרומתה ותמיכתה. Luminesce Alliance – חדשנות לבריאות ילדים הוא מיזם משותף ללא מטרות רווח בין רשת בתי החולים לילדים בסידני, מכון המחקר הרפואי לילדים והמכון לסרטן ילדים. הוא הוקם בתמיכת ממשלת NSW כדי לתאם ולשלב מחקר ילדים. Luminesce Alliance מסונפת גם לאוניברסיטת סידני ולאוניברסיטת ניו סאות’ ויילס סידני. KMA נתמך על ידי מלגת תוכנית הכשרה למחקר של ממשלת אוסטרליה. LKF נתמך על ידי מועדון רוטרי של קרן בית החולים לילדים סידני קוב / סידני ומלגות לתואר שני של אוניברסיטת UNSW.
Adenine | Sigma-Aldrich | A2786 | 10 mg/mL |
Advanced DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12634-010 | |
Alanyl-glutamine | Sigma-Aldrich | G8541 | 200 mM |
Andor Zyla 4.2 sCMOS | Oxford Instruments | Fast frame rate (>100 Hz) scientific camera | |
Bottle-top vacuum filter system | Sigma-Aldrich | CLS431098 | |
Ceftazidime hydrate | Sigma-Aldrich | A6987 | 50 mg/mL |
Cell Culture Microscope | Olympus | CKX53 | |
CFI S Plan Fluor ELWD 20XC | Nikon Instruments Inc. | MRH08230 | Long working distance objective lens. NA0.45 WD 8.2-6.9 |
Cholera toxin | Sigma-Aldrich | C8052-1MG | 200 µg/mL |
Corning Gel Strainer 40 UM | Sigma-Aldrich | CLS431750 | Pore size 40 μm |
Corning Matrigel Matrix (Phenol red-free) | Corning | 356231 | Extracellular matrix (ECM) |
Corning bottle-top vacuum filter system | Sigma-Aldrich | CLS431098 | |
Corning CoolCell LX Cell Freezing Container | Sigma-Aldrich | CLS432002 | |
Corning Transwell polyester membrane cell culture inserts | Sigma-Aldrich | CLS3470 | Permeable support inserts. 6.5 mm Transwell with 0.4 μm pore polyester membrane insert. |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Thermo Fisher Scientific | C10228 | |
Countess II Automated Cell Counter | ThermoFisher Scientific | AMQAX1000 | Automated cell counter |
Cytology brushes | McFarlane Medical | 33009 | |
DMEM/F12-Ham | Thermo Fisher Scientific | 11330032 | |
DMEM/F12-Ham | Thermo Fisher Scientific | 11330032 | |
DMEM-High Glucose | Thermo Fisher Scientific | 11965-092 | |
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Eclipse Ti2-E | Nikon | Live-cell imaging microscope. | |
Fetal Bovine Serum, certified, heat inactivated, United States | Thermo Fisher Scientific | 10082147 | |
Fungizone (Amphotericin B) | Thermo Fisher Scientific | 15290018 | 250 µg/mL |
Gentamicin solution | Sigma-Aldrich | G1397 | 50 mg/mL |
Graphpad Prism | Graphpad | Scientific analysis software | |
Greiner Cryo.s vials | Sigma-Aldrich | V3135 | Cryogenic vials |
HEPES solution | Sigma-Aldrich | H0887 | 1 M |
HI-FBS | Thermo Fisher Scientific | 10082-147 | |
Hydrocortisone | Sigma-Aldrich | H0888 | 3.6 mg/mL |
Incubator NL Ti2 BLACK 2000 | PeCon | Microscope environmental chamber. Allows warm air incubation and local CO2 and O2 gassing | |
Insulin | Sigma-Aldrich | I2643 | 2 mg/mL |
Lab Armor 74220 706 Waterless Bead Bath 6L | John Morris Group | 74220 706 | Bead bath |
Lab Armor Beads | Thermo Fisher Scientific | A1254302 | Thermal beads |
MATLAB | MathWorks | Computing software | |
Microsoft Excel | Microscoft | Spreadsheet software | |
NIH/3T3 | American Type Culture Collection | CRL-1658 | Irradiated NIH-3T3 mouse embryonic feeder cells |
NIS-Elements AR | Nikon Instruments Inc. | Image acquisition software | |
Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333 | 10,000 units penicillin and 10 mg streptomycin/mL |
Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
PneumaCult Airway Organoid Kit | StemCell Technologies | 5060 | Airway Organoid Kit |
PneumaCult-ALI Medium | StemCell Technologies | 5001 | |
PneumaCult-Ex Plus Medium | StemCell Technologies | 5040 | |
PureCol-S | Advanced BioMatrix | 5015 | Type I Collagen solution |
ReagentPack Subculture Reagents | Lonza | CC-5034 | |
rhEGF (Epidermal Growth Factor, human) | Sigma-Aldrich | E9644 | 25 µg/mL |
Y-27632 2HCl (ROCK inhibitor) | Selleckchem | S1049 | 10 mM |
Tobramycin | Sigma-Aldrich | T4014 | 100 mg/mL |
Trypan blue solution | Sigma-Aldrich | T8154 | 0.4% |
UNO Stage Top Incubator | Okolab | Microscope incubator. Allows temperature, humidity and CO2 conditioning |