In vitro Apical-out enteroides Modell der nekrotisierenden Enterokolitis

Summary

Dieses Protokoll beschreibt ein apikal-out-nekrotisierendes Enterokolitis-Modell (NEC)-in-a-dish, das Dünndarmenteroide mit umgekehrter Polarität verwendet und den Zugang zur apikalen Oberfläche ermöglicht. Wir bieten ein Immunfluoreszenz-Färbeprotokoll zum Nachweis von NEC-bedingten Epithelstörungen und eine Methode zur Bestimmung der Lebensfähigkeit von apikalen Enteroiden, die dem NEC-in-a-dish-Protokoll unterliegen.

Abstract

Die nekrotisierende Enterokolitis (NEC) ist eine verheerende Erkrankung bei Frühgeborenen, die durch Darmentzündungen und Nekrosen gekennzeichnet ist. Enteroide haben sich kürzlich als vielversprechendes System zur Modellierung gastrointestinaler Pathologien herausgestellt. Derzeit verwendete Methoden zur enteroiden Manipulation haben jedoch entweder keinen Zugang zur apikalen Oberfläche des Epithels (dreidimensional [3D]) oder sind zeit- und ressourcenintensiv (zweidimensionale [2D] Monoschichten). Diese Methoden erfordern oft zusätzliche Schritte, wie z.B. Mikroinjektion, damit das Modell physiologisch übersetzbar wird. Hier beschreiben wir ein physiologisch relevantes und kostengünstiges Protokoll zur Untersuchung von NEC in vitro durch Umkehrung der enteroiden Polarität, was dazu führt, dass die apikale Oberfläche nach außen zeigt (apikal-out). Ein Immunfluoreszenz-Färbeprotokoll zur Untersuchung der Integrität der enteroiden Barriere und der junctionalen Proteinexpression nach Exposition gegenüber Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-α) oder Lipopolysaccharid (LPS) unter normoxischen oder hypoxischen Bedingungen wird ebenfalls bereitgestellt. Die Lebensfähigkeit von 3D-apikalen Enteroiden, die normoxischen oder hypoxischen LPS oder TNF-α für 24 h ausgesetzt waren, wird ebenfalls bewertet. Enteroide, die entweder LPS oder TNF-α ausgesetzt waren, zeigten in Kombination mit Hypoxie eine Störung der Epithelarchitektur, einen Verlust der Adhärenz-Junction-Proteinexpression und eine Verringerung der Zelllebensfähigkeit. Dieses Protokoll beschreibt ein neues apikales NEC-in-a-dish-Modell, das eine physiologisch relevante und kostengünstige Plattform darstellt, um potenzielle epitheliale Ziele für NEC-Therapien zu identifizieren und die frühgeborene Darmreaktion auf Therapeutika zu untersuchen.

Introduction

Die nekrotisierende Enterokolitis (NEC), eine schwere entzündliche Erkrankung des Dünndarms, die bei bis zu 10% der Frühgeborenen auftritt, ist häufig mit hoher Morbidität und Mortalität verbunden ^1,2. Sterblichkeitsraten von fast 50% bei Säuglingen mit sehr niedrigem Geburtsgewicht (<1500 g), die einen chirurgischen Eingriff erfordern, sind nicht ungewöhnlich³. Während die genaue Ätiologie von NEC derzeit nicht verstanden wird, wird angenommen, dass Risikofaktoren wie die Fütterung von Säuglingsnahrung bei der Entwicklung der Krankheit mit physiologischen Anomalien wie Dysbiose, einem unreifen Darmepithel und einer dysfunktionalen Darmbarriere verbunden sind ^2,4. Trotz erheblicher Anstrengungen wurden in den letzten zehn Jahren nur geringe Fortschritte bei der Prävention oder Behandlung von NEC erzielt⁵. Eine neuartige In-vitro-Methode zur Untersuchung von NEC und der damit verbundenen intestinalen Epithelbarriere-Dysfunktion ist erforderlich, um das Verständnis der Pathogenese der Krankheit zu verbessern, da Erkenntnisse aus Tiermodellen bisher schlecht auf das Krankenbett übertragen wurden⁶.

Eine Reihe von In-vitro-Modellen wurde verwendet, um die Mechanismen während des NEC zu untersuchen. Die humane Darmepithelzelllinie, Caco-2, gehört zu den am häufigsten verwendeten In-vitro-Modellen von NEC ^7,8. Caco-2-Zellen emulieren morphologische Merkmale des Dünndarms, differenzieren sich aber als Zelllinie nicht in die Vielzahl von In-vivo-Zelltypen, einschließlich schleimproduzierender Kelchzellen, die für ein hochübersetzbares Modell erforderlich sind. HT-29-MTX, menschliche Dickdarm-Adenokarzinomzellen, umfassen einen gemischten Enterozyten- und Becherzellphänotyp, aber es fehlen immer noch kryptabasierte Zelltypen des Darmepithels⁹. IEC-6 und IEC-18 sind nicht transformierte Zelllinien mit einer unreifen ilealen kryptenartigen Morphologie, die jedoch nicht aus menschlichem Gewebe stammen, was ihre Translationskapazität einschränkt. FHs 74-Int und H4 Darmzelllinien stammen aus menschlichem fetalem Gewebe und bilden keine Tight Junctions oder polarisierten Monoschichten^10,11 und sind daher im Vergleich zu selbst den frühgeborensten Säuglingen, die für NEC anfällig sind^, unreif. Typischerweise verwenden NEC-In-vitro-Modelle Lipopolysaccharid-Behandlungen (LPS), um den Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4) zu induzieren, einen Hauptrezeptor, der eine Darmentzündung in NEC¹² auslöst. Schäden, die durch die Behandlung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), typischerweise über Wasserstoffperoxid, vermittelt werden, werden häufig verwendet, um NEC-ähnliche oxidative Schäden und Apoptose zu induzieren^13,14. Als Haupttreiber der Darmentzündung wird Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-α), eine nachgeschaltete Komponente des entzündlichen TLR4-Signalwegs, auch häufig in diesen In-vitro-Modellen verwendet, um die In-vivo-Pathogenese nachzuahmen¹⁵.

Organoide, die aus induzierbaren pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) erzeugt werden, haben als In-vitro-Modell des Darms aufgrund ihrer Fähigkeit, die komplexe In-vivo-Architektur und Zelltypzusammensetzung des Gewebes, aus dem sie stammen, zu rekapitulieren, an Popularität gewonnen^16,17. Ein verwandtes In-vitro-System, Enteroide, sind Organoide, die aus resezierten Darmkrypten gewonnen werden, die leichter etabliert und aufrechterhalten werden können als iPSC-abgeleitete Organoide. Enteroide werden typischerweise in einer dreidimensionalen (3D) extrazellulären Matrix (ECM) gezüchtet, wobei der experimentelle Zugang auf die basolaterale Zelloberfläche beschränkt ist. Methoden wie die Mikroinjektion^18,19 wurden entwickelt, um diese Barriere zur apikalen Oberfläche zu überwinden^, aber der Aufbau von abgelösten Zelltrümmern und Schleim im Lumen macht die Mikroinjektion sowohl technisch schwierig als auch inkonsistent. Da kundenspezifische Roboter-Mikroinjektionsplattformen nicht allgemein zugänglich sind²⁰, werden Labor-zu-Labor-Variabilität in Bezug auf technische Fähigkeiten und allgemeine Technik zu bedeutenden Variablen, die mit Mikroinjektionsprotokollen überwunden werden müssen. Zweidimensionale (2D) Monoschichten aus dissoziierten 3D-Enteroiden, die immer noch alle wichtigen Zelltypen des Darmepithels umfassen, ermöglichen den Zugang zur apikalen Oberfläche, waren aber traditionell ohne eine Feederschicht aus mesenchymalen Myofibroblasten schwer aufrechtzuerhalten²¹. Während Zellkultur-durchlässige Träger verwendet werden können, um sowohl die apikale als auch die basolaterale Seite enteroider Monoschichten ohne die Verwendung von darunter liegenden Myofibroblasten zu erreichen, erfordern diese Einsätze eine Exzision und Montage der Membran vor der Verwendung mit Modalitäten wie konfokaler Mikroskopie, was zu einem technisch anspruchsvolleren und schwierigeren Prozess bei Verwendung herkömmlicher Mikroskopiemethoden führt²². NEC wurde in vitro unter Verwendung herkömmlicher 3D-Enteroide 23,24,25 und durchlässiger Träger 26,27 modelliert, und Darmentzündungen wurden kürzlich mit Darm-on-a-Chip-Modellen ^28,29 repliziert. Während Darm-on-a-Chip-Modelle mit Mikrofluidik bei weitem die fortschrittlichsten und übersetzbarsten Modelle sind, ist diese Technologie teuer, komplex und für die meisten Forscher unzugänglich³⁰.

Jüngste Fortschritte bei apikalen enteroiden Techniken haben einen leichteren Zugang zur apikalen Oberfläche von 3D-Enteroiden ermöglicht, ohne die strukturelle Integrität des In-vitro-Epithels zu schädigen^31,32,33. Apikale Enteroide teilen sich die Zelltypzusammensetzung und Barrierefunktion des In-vivo-Darmepithels, aber im Gegensatz zu typischen 3D-Enteroiden sind die apikalen Oberflächen dieser Zellen dem Kulturmedium zugewandt, was physiologisch relevantere Studien zur Nährstoffaufnahme, mikrobiellen Infektion und luminalen Sekretion ermöglicht³¹. Ein weiterer Vorteil von apikalen Enteroiden ist die Fähigkeit, experimentelle Wirkstoffe homogen auf Enteroide zu verteilen. Unterschiedliche Behandlungsvolumina basierend auf der enteroiden Größe sind nicht erforderlich, wie dies bei der Mikroinjektion der Fall ist, und die Fähigkeit, diese Enteroide in Suspensionskultur zu halten, negiert jegliche ECM-Interferenz bei der experimentellen Wirkstoffdiffusion³².

Die nekrotisierende Enterokolitis ist eine multifaktorielle Erkrankung, an der mehrere intestinale Epithelzelltypen und eine Vielzahl von umweltbedingten und pathophysiologischen Faktoren beteiligt^{sind 34}. Die vielfältige Zellzusammensetzung der Darmenteroide ist eine deutliche Verbesserung gegenüber Monokulturen bei der Modellierung einer komplexen Erkrankung wie NEC. Während eine einzige entzündliche Exposition in In-vitro-Monokulturen oft ausreicht, um Schäden zu induzieren, scheinen Enteroide, wie bei^{Mausmodellen 23}, mindestens zwei entzündliche Komponenten zu benötigen, um NEC-ähnliche Schäden zu induzieren⁶. Hier präsentieren wir ein apikales NEC-in-a-dish-Modell, das apikale Enteroide in Kombination mit Hypoxie (ein wichtiges klinisches Merkmal von NEC⁶) und entweder LPS oder TNF-α als verbessertes und physiologisch relevanteres In-vitro-Modell verwendet, um epitheliale Reaktionen auf NEC-ähnliche Entzündungen zu untersuchen und möglicherweise therapeutische Ziele zu identifizieren. Wir beschreiben ein Protokoll zur Umkehrung der Polarität von Dünndarm-3D-Enteroiden sowie ein Immunfluoreszenz-Färbeprotokoll zur Identifizierung von epithelialen Barrierestörungen und Veränderungen der junctionalen Proteinexpression. Schließlich demonstrieren wir einen einfachen enteroiden Lebensfähigkeitstest, um die Auswirkungen unseres Dual-Hit-Apical-Out-NEC-in-a-Dish-Modells zu bestimmen.

Protocol

Alle Tierverfahren in dieser Studie wurden vom University of Oklahoma Health Sciences Center Institutional Animal Care and Use Committee genehmigt. Dünndarmproben von einem frühgeborenen nichtmenschlichen Primaten (NHP, 90% Trächtigkeit, Olivenpavian, Papio anubis) wurden nach Euthanasie für eine separate Studie gewonnen (Protokoll #101523-16-039-I). 1. Etablierung eines apikalen enteroiden NEC-in-a-dish-Modells Vorbereitung von Medien und enteroiden Beh…

Representative Results

Die Verwendung von Enteroiden zur Modellierung von Darmentzündungen, auch im Zusammenhang mit nekrotisierender Enterokolitis, ist heute üblich. Die meisten derzeit verwendeten Methoden haben jedoch entweder keinen Zugang zur apikalen Oberfläche von Enteroiden, was die physiologische Relevanz von Verbindungen, die für eine eventuelle Verwendung als orale Therapeutika bestimmt sind, negiert, oder sie sind technisch schwierig und zeitaufwendig, wie bei enteroid-abgeleiteten Monoschichten. Um den Nutzen aktueller in …

Discussion

Die jüngste Entwicklung enteroider Modelle, die aus intestinalen Epithelkrypten abgeleitet werden, ermöglicht ein physiologisch relevanteres In-vitro-Gewebe , in dem die nekrotisierende Enterokolitis-Pathogenese untersucht werden kann. Trotz der Einbeziehung aller wichtigen differenzierten Zelltypen des Darmepithels unterliegen 3D-Enteroide immer noch mehreren signifikanten Einschränkungen. Die herkömmlichen, basolateralen Enteroide sind in 3D-ECM-Hydrogelkuppeln suspendiert, deren Zusammensetzung und Dichte…

Materials

0.5 M EDTA, pH 8.0	Fisher Scientific	15575-020
1.5 mL microcentrifuge tubes	Fisher Scientific	05-408-129
15 mL Conical tube	VWR	89039-666
CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay	Promega	G9681
Corning Costar Ultra-Low Attachment 24-Well Microplates	Fisher Scientific	07-200-602
Cover Glass 24 mm x 60 mm	Thermo Scientific	102460
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488	Thermo Scientific	A-21202
Donkey Anti-Rabbit IgG Antibody, Cy3 conjugate	Sigma-Aldrich	AP182C
Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient Ham's Mixture F-12 (DMEM-F12) with 15 mM HEPES buffer	STEMCELL Technologies	36254
E-cadherin antibody (7H12)	Novus Biologicals	NBP2-19051
Formaldehyde solution 4%, buffered, pH 6.9	Millipore Sigma	1004960700
Glycerol	Sigma-Aldrich	56-81-5
ImageJ	Fiji	N/A
IntestiCult Organoid Growth Medium (Human)	STEMCELL Technologies	06010
Leica SP8 Confocal Microscope	Leica Biosystems
Lipopolysaccharides from Escherichia coli O111:B4, purified by gel filtration chromatography	Millipore Sigma	L3012-10MG
Microscope Slides	Fisher Scientific	12-544-7
Normal Donkey Serum	Sigma-Aldrich	566460
Nunc MicroWell 96-Well, Nunclon Delta-Treated, Flat-Bottom Microplate	Thermo Scientific	136101
PBS (Phosphate Buffered Saline), 1x [-] calcium, magnesium, pH 7.4	Corning	21-040-CM
Prolong Glass Antifade Mountant with NucBlue	Fisher Scientific	P36983
Recombinant Anti-Villin antibody [SP145]	Abcam	ab130751
Recombinant Human TNF-α protein 100 µg	Bio-Techne	210-TA-100/CF
SpectraMax iD3 Multi-Mode Microplate Reader	Molecular Devices
Thermo Forma Series II Water-Jacketed Tri-Gas Incubator, 184L	Fisher Scientific	3140
TO-PRO-3 Iodide (642/661)	Thermo Scientific	T3605
Triton X-100	Sigma-Aldrich	9002-93-1
Tubes, 0.5 mL, flat cap	Thermo Scientific	AB0350
Tween-20	Sigma-Aldrich	9005-64-5