Summary

Effektiv vaskularisering af nyreorganoider gennem intracelomisk transplantation i kyllingembryoner

Published: February 17, 2023
doi:

Summary

Her præsenterer vi en detaljeret protokol til transplantation af nyreorganoider i det celomiske hulrum af kyllingembryoner. Denne metode inducerer vaskularisering og forbedret modning af organoiderne inden for 8 dage og kan bruges til at studere disse processer på en effektiv måde.

Abstract

Nyreorganoider afledt af humane inducerede pluripotente stamceller indeholder nefronlignende strukturer, der til en vis grad ligner dem i den voksne nyre. Desværre hæmmes deres kliniske anvendelighed af manglen på en funktionel vaskulatur og følgelig begrænset modning in vitro. Transplantationen af nyreorganoider i det celomiske hulrum af kyllingembryoner inducerer vaskularisering ved perfunderede blodkar, herunder dannelsen af glomerulære kapillærer, og forbedrer deres modning. Denne teknik er meget effektiv, hvilket giver mulighed for transplantation og analyse af et stort antal organoider. Dette papir beskriver en detaljeret protokol for intracelomisk transplantation af nyreorganoider i kyllingembryoner efterfulgt af injektion af fluorescerende mærket lektin for at plette den perfunderede vaskulatur og indsamling af transplanterede organoider til billeddannelsesanalyse. Denne metode kan bruges til at inducere og studere organoid vaskularisering og modning for at finde spor til forbedring af disse processer in vitro og forbedre sygdomsmodellering.

Introduction

Human induceret pluripotent stamcelle (hiPSC)-afledte nyreorganoider har vist sig at have potentiale for udviklingsstudier 1,2,3,4, toksicitetsscreening 5,6 og sygdomsmodellering 5,7,8,9,10,11,12,13 . Imidlertid er deres anvendelighed til disse og eventuelle kliniske transplantationsformål begrænset af manglen på et vaskulært netværk. Under embryonal nyreudvikling interagerer podocytter, mesangialceller og vaskulære endotelceller (EC’er) for at danne glomerulus indviklede struktur. Uden denne interaktion kan den glomerulære filtreringsbarriere, der består af podocytter, den glomerulære kældermembran (GBM) og EC’er, ikke udvikle sig korrekt14,15,16. Selvom nyreorganoider in vitro indeholder nogle EC’er, undlader disse at danne et ordentligt vaskulært netværk og mindskes over tid17. Det er derfor ikke overraskende, at organoiderne forbliver umodne. Transplantation hos mus inducerer vaskularisering og modning af nyreorganoiderne 18,19,20,21. Desværre er dette en arbejdskrævende proces, der er uegnet til analyse af et stort antal organoider.

Kyllingembryoner er blevet brugt til at studere vaskularisering og udvikling i over et århundrede22. De er let tilgængelige, kræver lav vedligeholdelse, mangler et fuldt funktionelt immunsystem og kan udvikle sig normalt efter åbning af æggeskallen23,24,25,26. Transplantationen af organoider på deres chorioallantoic membran (CAM) har vist sig at føre til vaskularisering27. Imidlertid er varigheden af transplantationen på CAM såvel som niveauet for modning af transplantatet begrænset af CAM-dannelse, hvilket tager indtil embryonal dag 7 at fuldføre. Derfor blev der for nylig udviklet en metode til effektivt at vaskularisere og modne nyreorganoider gennem intracelomisk transplantation i kyllingembryoner28. Det celomiske hulrum af kyllingembryoner har siden 1930’erne været kendt for at være et gunstigt miljø for differentiering af embryonale væv29,30. Det kan tilgås tidligt i embryonal udvikling og giver mulighed for relativt ubegrænset udvidelse af transplantatet i alle retninger.

Dette papir skitserer en protokol til transplantation af hiPSC-afledte nyreorganoider i det celomiske hulrum i dag 4 kyllingembryoner. Denne metode inducerer vaskularisering og forbedret modning af organoiderne inden for 8 dage. Injektion af fluorescerende mærket linse culinaris agglutinin (LCA) inden ofring af embryonerne muliggør visualisering af perfunderede blodkar i organoiderne gennem konfokal mikroskopi.

Protocol

I henhold til nederlandsk lovgivning var godkendelse fra dyrevelfærdsudvalget ikke påkrævet for denne forskning. 1. Forberedelse af hiPSC-afledte nyreorganoider til transplantation Differentier hiPSC’er til nyreorganoider ved hjælp af protokollen udviklet af Takasato et al.4,18,31. Kultur organoiderne efter denne protokol om polyestercellekulturindsatser med 0,4 μm pore…

Representative Results

Metoden og tidslinjen for differentiering af hiPSC’er til nyreorganoider, inkubation af befrugtede kyllingæg, transplantation af nyreorganoider, injektion af LCA og indsamling af organoiderne er opsummeret i figur 1A. Det er vigtigt at koordinere tidspunktet for organoid differentiering og kyllingæg inkubation, begyndende differentiering 15 dage før inkubation. Handlingerne på dag 0, 3, 4 og 12 af inkubation er illustreret med fotografier under tidslinjen. Organoider transplanteres på …

Discussion

I dette manuskript demonstreres en protokol for intracelomisk transplantation af hiPSC-afledte nyreorganoider i kyllingembryoner. Ved transplantation vaskulariseres organoider af perfunderede blodkar, der består af en kombination af humane organoidafledte og kyllingafledte EC’er. Disse spredes gennem organoiden og invaderer de glomerulære strukturer, hvilket muliggør interaktion mellem EC’erne og podocytterne. Det blev tidligere vist, at dette fører til forbedret modning af de organoide glomerulære og rørformede st…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker George Galaris (LUMC, Leiden, Holland) for hans hjælp med injektion af kyllingeembryoner. Vi anerkender støtten fra Saskia van der Wal-Maas (Institut for Anatomi & Embryologi, LUMC, Leiden, Holland), Conny van Munsteren (Institut for Anatomi & Embryologi, LUMC, Leiden, Holland), Manon Zuurmond (LUMC, Leiden, Holland) og Annemarie de Graaf (LUMC, Leiden, Holland). M. Koning støttes af »Nephrosearch Stichting tot steun van het wetenschappelijk onderzoek van de afdeling Nierziekten van het LUMC«. Dette arbejde blev delvist støttet af Leiden University Fund “Prof. Jaap de Graeff-Lingling Wiyadhanrma Fund” GWF2019-02. Dette arbejde støttes af partnerne i Regenerative Medicine Crossing Borders (RegMedXB) og Health Holland, Top Sector Life Sciences & Health. C.W. van den Berg og T.J. Rabelink er støttet af The Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW), Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Cell Medicine er støttet af Novo Nordisk Fondens bevillinger (NNF21CC0073729).

Materials

0.2 µm filter: Whatman Puradisc 30 syringe filter 0.2 µm Whatman 10462200
35 mm glass bottom dishes  MatTek Corporation P35G-1.5-14-C
Aspirator tube assemblies for calibrated microcapillary pipettes Sigma-Aldrich A5177-5EA Contains silicone tubes, mouth piece and connector
Confocal microscope: Leica White Light Laser Confocal Microscope  Leica TCS SP8
Dissecting forceps, simple type. Titanium, curved, with fine sharp tips Hammacher Karl HAMMHTC091-10
Dissecting forceps, simple type. Titanium, straight, with fine sharp tips Hammacher Karl HAMMHTC090-11
Dissecting microscope  Wild Heerbrugg 355110
Dissecting scissors, curved, OP-special, extra sharp/sharp Hammacher Karl HAMMHSB391-10
Donkey serum Sigma-Aldrich D9663
Donkey-α-mouse Alexa Fluor 488 ThermoFisher Scientific A-212-02 dilution 1:500
Donkey-α-sheep Alexa Fluor 647 ThermoFisher Scientific A-21448 dilution 1:500
Double edged stainless steel razor blades Electron Microsopy Sciences 72000
DPBS, calcium, magnesium (DPBS-/-) ThermoFisher Scientific 14040133
DPBS, no calcium, no magnesium (DPBS+/+) ThermoFisher Scientific 14190094
Egg cartons or custom made egg holders  NA NA
Fertilized white leghorn eggs (Gallus Gallus Domesticus Drost Loosdrecht B.V. NA
Incubator Elbanton BV ET-3 combi
Lotus Tetragonolobus lectin (LTL) Biotinylated Vector Laboratories B-1325 dilution 1:300
Micro scissors, straight, sharp/sharp, cutting length 10 mm Hammacher Karl HAMMHSB500-09
Microcapillaries: Thin wall glass capillaries 1.5 mm, filament World Precision Instruments TW150F-3
Micropipette puller Sutter Instrument Company Model P-97 We use the following settings: Heat 533, Pull 60, Velocity 150, Time 200
Microscalpel holder: Castroviejo blade and pins holder, 12 cm, round handle, conical 10 mm jaws. Euronexia L-120
Mounting medium: Prolong Gold Antifade Mountant  ThermoFisher Scientific P36930
Olivecrona dura dissector 18 cm  Reda 41146-18
Parafilm  Heathrow Scientific HS234526B
Penicillin-streptomycin 5,000 U/mL ThermoFisher Scientific 15070063
Perforated spoon  Euronexia S-20-P
Petri dish 60 x 15 mm  CELLSTAR 628160
Plastic transfer pipettes  ThermoFisher Scientific PP89SB
Purified mouse anti-human CD31 antibody BD Biosciences 555444 dilution 1:100
Rhodamine labeled Lens Culinaris Agglutinin (LCA) Vector Laboratories RL-1042 This product has recently been discontinued. Vectorlabs does still produce Dylight 649 labeled LCA (DL-1048-1) and fluorescein labeled LCA (FL-1041-5)
Sheep anti-human NPHS1 antibody R&D systems AF4269 dilution 1:100
Sterile hypodermic needles, 19 G BD microlance 301500
Streptavidin Alexa Fluor 405 ThermoFisher Scientific S32351 dilution 1:200
Syringe 5 mL BD Emerald 307731
Transparent tape  Tesa 4124 Available at most hardware stores
Triton X Sigma-Aldrich T9284
Tungsten wire, 0.25 mm dia  ThermoFisher Scientific 010404.H2

References

  1. Taguchi, A., et al. Redefining the in vivo origin of metanephric nephron progenitors enables generation of complex kidney structures from pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 14 (1), 53-67 (2014).
  2. Morizane, R., et al. Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury. Nature Biotechnology. 33 (11), 1193-1200 (2015).
  3. Kim, Y. K., et al. Gene-edited human kidney organoids reveal mechanisms of disease in podocyte development. Stem Cells. 35 (12), 2366-2378 (2017).
  4. Takasato, M., et al. Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis. Nature. 526 (7574), 564-568 (2015).
  5. Hale, L. J., et al. 3D organoid-derived human glomeruli for personalised podocyte disease modelling and drug screening. Nature Communications. 9 (1), 5167 (2018).
  6. Vanslambrouck, J. M., et al. Enhanced metanephric specification to functional proximal tubule enables toxicity screening and infectious disease modelling in kidney organoids. Nature Communications. 13 (1), 5943 (2022).
  7. Tanigawa, S., et al. Organoids from nephrotic disease-derived iPSCs identify impaired NEPHRIN localization and slit diaphragm formation in kidney podocytes. Stem Cell Reports. 11 (3), 727-740 (2018).
  8. Forbes, T. A., et al. Patient-iPSC-derived kidney organoids show functional validation of a ciliopathic renal phenotype and reveal underlying pathogenetic mechanisms. American Journal of Human Genetics. 102 (5), 816-831 (2018).
  9. Freedman, B. S., et al. Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids. Nature Communications. 6, 8715 (2015).
  10. Cruz, N. M., et al. Organoid cystogenesis reveals a critical role of microenvironment in human polycystic kidney disease. Nature Materials. 16 (11), 1112-1119 (2017).
  11. Gupta, N., et al. Modeling injury and repair in kidney organoids reveals that homologous recombination governs tubular intrinsic repair. Science Translational Medicine. 14 (634), eabj4772 (2022).
  12. Hiratsuka, K., et al. Organoid-on-a-chip model of human ARPKD reveals mechanosensing pathomechanisms for drug discovery. Scencei Advances. 8 (38), eabq0866 (2022).
  13. Dorison, A., et al. Kidney organoids generated using an allelic series of NPHS2 point variants reveal distinct intracellular podocin mistrafficking. Journal of the American Society of Nephrology. , (2022).
  14. Eremina, V., et al. Glomerular-specific alterations of VEGF-A expression lead to distinct congenital and acquired renal diseases. The Journal of Clinical Investigation. 111 (5), 707-716 (2003).
  15. Kitamoto, Y., Tokunaga, H., Tomita, K. Vascular endothelial growth factor is an essential molecule for mouse kidney development: glomerulogenesis and nephrogenesis. The Journal of Clinical Investigation. 99 (10), 2351-2357 (1997).
  16. Sison, K., et al. Glomerular structure and function require paracrine, not autocrine, VEGF-VEGFR-2 signaling. Journal of the American Society of Nephrology. 21 (10), 1691-1701 (2010).
  17. Ryan, A. R., et al. Vascular deficiencies in renal organoids and ex vivo kidney organogenesis. Developmental Biology. 477, 98-116 (2021).
  18. vanden Berg, C. W., et al. Renal subcapsular transplantation of PSC-derived kidney organoids induces neo-vasculogenesis and significant glomerular and tubular maturation in vivo. Stem Cell Reports. 10 (3), 751-765 (2018).
  19. Sharmin, S., et al. Human induced pluripotent stem cell-derived podocytes mature into vascularized glomeruli upon experimental transplantation. Journal of the American Society of Nephrology. 27 (6), 1778-1791 (2016).
  20. Bantounas, I., et al. Generation of functioning nephrons by implanting human pluripotent stem cell-derived kidney progenitors. Stem Cell Reports. 10 (3), 766-779 (2018).
  21. vanden Berg, C. W., Koudijs, A., Ritsma, L., Rabelink, T. J. In vivo assessment of size-selective glomerular sieving in transplanted human induced pluripotent stem cell-derived kidney organoids. Journal of the American Society of Nephrology. 31 (5), 921-929 (2020).
  22. Asai, R., Bressan, M., Mikawa, T. Avians as a model system of vascular development. Methods in Molecular Biology. 2206, 103-127 (2021).
  23. Jankovic, B. D., et al. Immunological capacity of the chicken embryo. I. Relationship between the maturation of lymphoid tissues and the occurrence of cell-mediated immunity in the developing chicken embryo. Immunology. 29 (3), 497-508 (1975).
  24. Alkie, T. N., et al. Development of innate immunity in chicken embryos and newly hatched chicks: a disease control perspective. Avian Pathology. 48 (4), 288-310 (2019).
  25. Rawles, M. E. Transplantation of normal embryonic tissues. Annalls of the New York Academy of Sciences. 55 (2), 302-312 (1952).
  26. Rawles, M. E. The development of melanophores from embryonic mouse tissues grown in the coelom of chick embryos. Proceedings of the National Academy of Sciences. 26 (12), 673-680 (1940).
  27. Garreta, E., et al. Fine tuning the extracellular environment accelerates the derivation of kidney organoids from human pluripotent stem cells. Nature Materials. 18 (4), 397-405 (2019).
  28. Koning, M., et al. Vasculogenesis in kidney organoids upon transplantation. NPJ Regenerative Medicine. 7 (1), 40 (2022).
  29. Hamburger, V. Morphogenetic and axial self-differentiation of transplanted limb primordia of 2-day chick embryos. Journal of Experimental Zoology. 77 (3), 379-399 (1938).
  30. Dossel, W. E. New method of intracelomic grafting. Science. 120 (3111), 262-263 (1954).
  31. Takasato, M., Er, P. X., Chiu, H. S., Little, M. H. Generation of kidney organoids from human pluripotent stem cells. Nature Protocols. 11 (9), 1681-1692 (2016).
  32. Hamburger, V., Hamilton, H. L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Developmental Dynamics. 195 (4), 231-272 (1992).
  33. Aleksandrowicz, E., Herr, I. Ethical euthanasia and short-term anesthesia of the chick embryo. ALTEX. 32 (2), 143-147 (2015).
  34. . ACUC. Guideline: The Use and Euthanasia Procedures of Chicken/Avian Embryos. , (2012).
check_url/65090?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Koning, M., Lievers, E., Jaffredo, T., van den Berg, C. W., Rabelink, T. J. Efficient Vascularization of Kidney Organoids through Intracelomic Transplantation in Chicken Embryos. J. Vis. Exp. (192), e65090, doi:10.3791/65090 (2023).

View Video