インビトロ 壊死性腸炎の頂端外腸炎モデル

Summary

このプロトコルは、極性が逆の小腸炎を利用し、頂端表面へのアクセスを可能にする頂端外壊死性腸炎(NEC)-in-a-dishモデルを記述する。NEC関連上皮破壊を検出するための免疫蛍光染色プロトコールと、NECインディッシュプロトコルに供するアピカルアウトエンテロイドの生存率を決定する方法を提供します。

Abstract

壊死性腸炎(NEC)は、腸の炎症および壊死を特徴とする早産児に影響を及ぼす壊滅的な疾患である。エンテロイドは最近、胃腸病理をモデル化する有望なシステムとして浮上している。しかし、腸内障操作のために現在利用されている方法は、上皮の頂端表面へのアクセスを欠いているか(3次元[3D])、または時間がかかり、リソースを大量に消費する(2次元[2D]単分子層)。これらの方法は、モデルが生理学的に翻訳可能になるために、マイクロインジェクションなどの追加のステップを必要とすることが多い。ここでは、腸突起極性を反転させることによってNECを in vitroで 研究するための生理学的関連性のある安価なプロトコルを記載し、頂端表面が外側を向く(apical-out)。正常酸素または低酸素条件下での腫瘍壊死因子アルファ(TNF−α)またはリポ多糖(LPS)への曝露後のエンテロイドバリア完全性および接合タンパク質発現を調べるための免疫蛍光染色プロトコルも提供される。正常酸素性または低酸素性のLPSまたはTNF-αに24時間曝露された3D頂端アウト腸ロイドの生存率も評価される。LPSまたはTNF-αのいずれかに曝露されたエンテロイドは、低酸素症と組み合わせて、上皮構造の破壊、接着接合タンパク質発現の喪失、および細胞生存率の低下を示した。このプロトコルは、NEC療法の潜在的な上皮標的を特定し、治療薬に対する早産腸応答を研究するための生理学的関連性と費用対効果の高いプラットフォームを提示する新しい頂端アウトNECインディッシュモデルを記述しています。

Introduction

壊死性腸炎(NEC)は、早産児の最大10%に発生する小腸の重篤な炎症性疾患であり、一般的に高い罹患率および死亡率と関連している^1,2。外科的介入を必要とする超低出生体重(<1500g)乳児の死亡率が50%に近づくことは珍しくありません³。NECの正確な病因は現在解明されていませんが、フォーミュラフィーディングなどの危険因子は、この疾患の発症において、ジスバイオシス、未熟な腸上皮、機能不全の腸障壁などの生理学的異常と化合物化すると考えられています^2,4。多大な努力にもかかわらず、NECの予防や治療は過去10年間にほとんど進展していません⁵。NECおよび関連する腸上皮バリア機能障害を研究するための新規なin vitro法は、動物モデルからの所見がこれまでのところベッドサイドにうまく翻訳されていないため、疾患の病因の理解を進めるために必要である⁶。

NEC中に作用するメカニズムを調査するために、多くのin vitroモデルが利用されている。ヒト腸管上皮細胞株であるCaco-2は、NEC ^7,8の最も一般的に利用されているインビトロモデルの1つです。Caco-2細胞は、小腸のブラシボーダー形態学的特徴をエミュレートするが、細胞株として、高度に翻訳可能なモデルに必要な粘液産生杯細胞を含む多種多様なin vivo細胞型に分化しない。HT−29−MTXは、ヒト結腸腺癌細胞、混合腸細胞および杯細胞表現型を含むが、腸上皮の陰窩ベースの細胞型を依然として欠いている⁹。IEC-6およびIEC-18は、未熟な回腸陰窩様形態を有する非形質転換細胞株であるが、ヒト組織に由来するものではなく、それらの翻訳能力を制限する。FHs74-IntおよびH4腸細胞株は、ヒト胎児組織に由来し、タイトジャンクションまたは分極単層^10,11を形成しないため、NECの影響を受けやすい最も未熟児と比較して未熟である。典型的には、NECインビトロモデルは、NEC¹²における腸の炎症を開始する主要な受容体であるtoll様受容体4(TLR4)を誘導するために、リポ多糖(LPS)治療を利用する。活性酸素種(ROS)処理を介して媒介される損傷は、典型的には過酸化水素を介して、NEC様酸化的損傷およびアポトーシスを誘導するためにしばしば使用される^13、14。腸内炎症の主な駆動因子として、炎症性TLR4シグナル伝達の下流成分である腫瘍壊死因子−α(TNF−α)もまた、インビボ病因を模倣するためにこれらのインビトロモデルにおいて一般的に利用されている¹⁵。

誘導性多能性幹細胞(iPSC)から生成されたオルガノイドは、それらが由来する組織の複雑なin vivoアーキテクチャおよび細胞型組成を再現する能力のために、腸のin vitroモデルとして人気が高まっている^16,17。関連するin vitro系であるエンテロイドは、切除された腸陰窩に由来するオルガノイドであり、iPSC由来オルガノイドよりも容易に確立および維持される。エンエロイドは、典型的には、基底側細胞表面への実験的アクセスが制限された三次元(3D)細胞外マトリックス(ECM)中で増殖される。マイクロインジェクション^18,19などの方法は、頂端表面に対するこの障壁を克服するために開発されてきたが、内腔内のスラウド細胞破片および粘液の蓄積は、マイクロインジェクションを技術的に困難かつ一貫性のないものにする。カスタムロボットマイクロインジェクションプラットフォームは広くアクセスできない^ため、技術能力と一般的な技術におけるラボ間のばらつきは、マイクロインジェクションプロトコルで克服すべき重要な変数になります。解離した3D腸突起に由来する2次元(2D)単層は、依然として腸上皮のすべての主要な細胞型を含み、頂端表面へのアクセスを可能にするが、間葉系筋線維芽細胞²¹のフィーダー層なしで維持することは伝統的に困難であった。細胞培養透過性支持体は、根底にある筋線維芽細胞を使用せずにエンテロイド単層の頂端側および基底側の両方にアクセスするために使用することができるが、これらの挿入物は、共焦点顕微鏡法などのモダリティで使用する前に膜の切除および取り付けを必要とし、従来の顕微鏡法²²を使用する場合、より技術的に要求の厳しい困難なプロセスをもたらす。NECは、従来の3Dエンテロイド23,24,25および透過性サポート^26,27を使用してインビトロでモデル化されており、腸の炎症は最近、腸内オンチップモデル^28,29で再現されている。マイクロフルイディクスを組み込んだガット・オン・ア・チップ・モデルは、群を抜いて最も先進的で翻訳可能なモデルですが、この技術は高価で複雑で、ほとんどの研究者にとってアクセスできません³⁰。

頂端アウト腸突起技術の最近の進歩は、in vitro上皮の構造的完全性への損傷を危険にさらすことなく、3D腸ロイドの頂端表面への容易なアクセスを可能にした^31,32,33。頂端外腸ロイドは、in vivo腸上皮の細胞型組成およびバリア機能を共有するが、典型的な3D腸状腸炎とは異なり、これらの細胞の頂端表面は培養培地に面しており、栄養素の吸収、微生物感染、および管腔分泌に関するより生理学的に関連性のある研究を可能にする³¹。頂端アウトエンテロイドのさらなる利点は、実験薬剤をエンテロイドに均質に分配する能力である。マイクロインジェクションの場合のように、エンテロイドサイズに基づいて治療量を変えることは必要なく、浮遊培養においてこれらのエンテロイドを維持する能力は、実験薬剤拡散³²に対するECM干渉を否定する。

壊死性腸炎は、複数の腸上皮細胞型および様々な環境的および病態生理学的因子を含む多因子疾患である³⁴。腸管腸薬の多様な細胞組成は、NECなどの複雑な疾患をモデル化する上での単一培養に対する明らかな改善である。興味深いことに、単一の炎症性曝露がin vitro単培養において損傷を誘発するのに十分であることが多いが、エンテロイドは、マウスモデル²³と同様に、NEC様損傷を誘発するために少なくとも2つの炎症性成分を必要とするようである⁶。ここでは、NEC様炎症に対する上皮応答を研究し、潜在的に治療標的を特定するための改良された生理学的関連性の高いin vitroモデルとして、頂端アウト腸ロイドを低酸素症(NEC⁶の重要な臨床的特徴)およびLPSまたはTNF-αと組み合わせて使用する頂端アウトNECインディッシュモデルを提示する。我々は、小腸3Dエンテロイドの極性を逆転させるためのプロトコル、ならびに上皮バリア破壊および接合タンパク質発現変化を同定するための免疫蛍光染色プロトコルについて記載する。最後に、我々はさらに、我々のデュアルヒット、アディッシュ内のNECインディッシュモデルの影響を決定するために、単純な腸突起生存率アッセイを実証した。

Protocol

この研究におけるすべての動物処置は、オクラホマ大学健康科学センター施設動物ケアおよび使用委員会によって承認された。早産非ヒト霊長類(NHP、妊娠90%、オリーブヒヒ、 パピオアヌビス)からの小腸便宜サンプルは、別の研究(プロトコル#101523-16-039-I)のために安楽死後に得られた。 1. 頂端外腸科NECインディッシュモデルの構築 培地および?…

Representative Results

腸の炎症をモデル化するための腸溶の使用は、壊死性腸炎の文脈の中でも、現在一般的である。しかしながら、現在利用されているほとんどの方法は、エンテロイドの頂端表面へのアクセスを欠いているか、経口治療薬としての最終的な使用を意図した化合物の生理学的関連性を否定するか、またはエンテロイド由来単分子層と同様に技術的に困難で時間がかかる。NECの現在のin vitro?…

Discussion

腸上皮陰窩に由来する腸様モデルの最近の開発は、壊死性腸炎の病因を研究するためのより生理学的に関連する in vitro 組織を可能にする。腸上皮のすべての主要な分化細胞型を含むにもかかわらず、3Dエンテロイドは依然としていくつかの重要な制限を受ける。従来の、側底外側エンテロイドは、3D ECMヒドロゲルドームに懸濁されており、その組成および密度は、組織培養環境<sup class…

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