Summary
Qui, dimostriamo un modello di organoide in tre fasi (espansione bidimensionale [2D], stimolazione 2D, maturazione tridimensionale [3D]) che offre uno strumento promettente per la ricerca fondamentale sui tendini e un potenziale metodo senza scaffold per l'ingegneria tissutale tendinea.
Abstract
Tendini e legamenti (T/L) sono strutture forti organizzate gerarchicamente che uniscono il sistema muscolo-scheletrico. Questi tessuti hanno una matrice extracellulare ricca di collagene (ECM) di tipo I e cellule del lignaggio T/L posizionate principalmente in file parallele. Dopo l'infortunio, T/L richiede molto tempo per la riabilitazione con un alto rischio di fallimento e risultati di riparazione spesso insoddisfacenti. Nonostante i recenti progressi nella ricerca biologica sul T/L, una delle sfide rimanenti è che il campo T/L manca ancora di un protocollo di differenziazione standardizzato in grado di ricapitolare il processo di formazione del T/L in vitro. Ad esempio, la differenziazione ossea e grassa delle cellule precursori mesenchimali richiede solo una coltura cellulare bidimensionale (2D) standard e l'aggiunta di specifici mezzi di stimolazione. Per la differenziazione in cartilagine, è necessaria la coltura tridimensionale (3D) in pellet e l'integrazione di TGFß. Tuttavia, la differenziazione cellulare al tendine necessita di un modello di coltura 3D molto ordinato, che idealmente dovrebbe essere anche soggetto a stimolazione meccanica dinamica. Abbiamo stabilito un modello di organoide in 3 fasi (espansione, stimolazione e maturazione) per formare una struttura 3D simile a un bastoncino da un foglio cellulare autoassemblato, che fornisce un microambiente naturale con i propri fattori ECM, autocrini e paracrini. Questi organoidi a bastoncino hanno un'architettura cellulare multistrato all'interno di una ricca ECM e possono essere maneggiati abbastanza facilmente per l'esposizione a sollecitazioni meccaniche statiche. Qui, abbiamo dimostrato il protocollo in 3 fasi utilizzando fibroblasti dermici disponibili in commercio. Abbiamo potuto dimostrare che questo tipo di cellula forma organoidi robusti e abbondanti nella ECM. La procedura descritta può essere ulteriormente ottimizzata in termini di terreni di coltura e ottimizzata verso la stimolazione meccanica assiale dinamica. Allo stesso modo, le fonti cellulari alternative possono essere testate per il loro potenziale di formare organoidi T/L e quindi subire la differenziazione T/L. In sintesi, l'approccio consolidato degli organoidi T/L 3D può essere utilizzato come modello per la ricerca di base sui tendini e persino per l'ingegneria T/L senza scaffold.
Introduction
Tendini e legamenti (T/L) sono componenti vitali del sistema muscolo-scheletrico che forniscono supporto e stabilità essenziali al corpo. Nonostante il loro ruolo critico, questi tessuti connettivi sono soggetti a degenerazione e lesioni, causando dolore e compromissione della mobilità1. Inoltre, il loro limitato apporto di sangue e la lenta capacità di guarigione possono portare a lesioni croniche, mentre fattori come l'invecchiamento, il movimento ripetitivo e la riabilitazione impropria aumentano ulteriormente il rischio di degenerazione e lesioni2. I trattamenti convenzionali, come il riposo, la terapia fisica e gli interventi chirurgici, non sono in grado di ripristinare completamente la struttura e la funzione T/L. Negli ultimi anni, i ricercatori si sono sforzati di comprendere meglio la natura intricata del T/L al fine di cercare trattamenti efficaci per i disturbi T/L 3,4,5. I T/L si distinguono per una struttura gerarchicamente organizzata, dominata dalla matrice extracellulare (ECM), composta principalmente da fibre di collagene di tipo I e proteoglicani, una caratteristica difficile da replicare in vitro6. I tradizionali modelli di coltura cellulare bidimensionale (2D) non riescono a catturare la caratteristica organizzazione tridimensionale (3D) dei tessuti T/L, limitando il loro potenziale traduzionale e ostacolando il progresso innovativo nel campo della rigenerazione T/L.
Recentemente, lo sviluppo di modelli 3D di organoidi ha offerto nuove possibilità per far progredire la ricerca di base e l'ingegneria tissutale senza scaffold di vari tipi di tessuto 7,8,9,10,11,12,13. Ad esempio, per studiare la giunzione miotendinea, Larkin et al. 2006 hanno sviluppato costrutti muscolari scheletrici 3D insieme a segmenti tendinei auto-organizzati derivati dal tendine della coda di ratto10. Inoltre, Schiele et al. 2013, utilizzando canali di crescita rivestiti di fibronectina microlavorati, ha diretto l'autoassemblaggio dei fibroblasti dermici umani per formare fibre cellulari senza l'assistenza di scaffold 3D, un approccio che può catturare i tratti chiave dello sviluppo del tendine embrionale11. Nello studio di Florida et al. 2016, le cellule stromali del midollo osseo sono state prima espanse in linee ossee e legamentose, successivamente utilizzate per generare fogli cellulari monostrato autoassemblati, che sono stati poi implementati per creare un costrutto osseo-legamento-osso multifasico che imita il legamento crociato anteriore nativo, un modello che mira a migliorare la comprensione della rigenerazione dei legamenti12. Per chiarire i processi di meccanotrasduzione tendinea, Mubyana et al. 2018 hanno utilizzato una metodologia senza scaffold mediante la quale sono state create singole fibre tendinee e sottoposte al protocollo di carico meccanico13. Gli organoidi sono strutture 3D auto-organizzate che imitano l'architettura nativa, il microambiente e la funzionalità dei tessuti. Le colture di organoidi 3D forniscono un modello fisiologicamente più rilevante per lo studio della biologia dei tessuti e degli organi, nonché della fisiopatologia. Tali modelli possono anche essere utilizzati per indurre la differenziazione tessuto-specifica di diversi tipi di cellule staminali/progenitrici14,15. Pertanto, l'implementazione di modelli 3D di organoidi nel campo della biologia T/L e dell'ingegneria tissutale diventa un approccio molto interessante 9,16. Fonti cellulari alternative possono essere implementate per l'assemblaggio degli organoidi e stimolate verso la differenziazione tenogenica. Un tipo di cellula rilevante utilizzato per la dimostrazione in questo studio sono i fibroblasti dermici 7,17,18. Queste cellule sono facilmente accessibili attraverso una procedura di biopsia cutanea, che è meno invasiva rispetto alla puntura del midollo osseo o alla liposuzione e può essere moltiplicata abbastanza rapidamente in grandi numeri grazie alla loro buona capacità proliferativa. Al contrario, i tipi di cellule più specializzati, come i fibroblasti residenti in T/L, sono più difficili da isolare ed espandere. Pertanto, i fibroblasti dermici sono stati utilizzati anche come punto di partenza per le tecnologie di riprogrammazione cellulare verso cellule staminali embrionali pluripotenti indotte19. Sottoporre i fibroblasti dermici a specifiche condizioni di coltura 3D e segnali di segnalazione, come il fattore di crescita trasformante-beta 3 (TGFß3), che è stato riportato agire come regolatore chiave di vari processi cellulari, tra cui la formazione e il mantenimento di T/L, può potenziare la loro differenziazione tenogenica in vitro portando all'espressione di geni tendinei specifici e alla deposizione di ECM20 T/L-tipica, 21.
Qui, descriviamo e dimostriamo un protocollo di organoidi in 3 fasi (espansione 2D, stimolazione 2D e maturazione 3D) precedentemente stabilito e implementato utilizzando fibroblasti dermici umani adulti normali (NHDF) disponibili in commercio come fonte cellulare, offrendo un modello prezioso per lo studio della tenogenesi in vitro 7. Nonostante il fatto che questo modello non sia equivalente al tessuto T/L in vivo, fornisce comunque un sistema fisiologicamente più rilevante che può essere utilizzato per studiare i meccanismi di differenziazione cellulare, imitare la fisiopatologia T/L in vitro e stabilire piattaforme di medicina personalizzata T/L e screening farmacologico. Inoltre, in futuro, gli studi potranno valutare se gli organoidi 3D sono adatti per l'ingegneria T/L senza scaffold mediante un'ulteriore ottimizzazione e utilizzabili per lo sviluppo di costrutti meccanicamente robusti su larga scala che assomigliano molto alle dimensioni e alle proprietà strutturali e biofisiche dei tessuti T/L nativi.
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Protocol
NOTA: Tutte le fasi devono essere eseguite utilizzando tecniche asettiche.
1. Coltura e pre-espansione dei NHDF
- Scongelare rapidamente la crio-fiala contenente fibroblasti dermici umani normali adulti crioconservati (NHDF, 1 x 106 cellule) a 37 °C fino a quando non si scongelano quasi.
- Aggiungere lentamente 1 mL di terreno di crescita dei fibroblasti preriscaldato 2 (kit pronto all'uso che include terreno basale, siero fetale di vitello al 2% (FCS), fattore di crescita dei fibroblasti basici (bFGF) e insulina) integrato con penicillina/streptomicina all'1% (penna/streptococco) (terreno NHDF), preriscaldato a 37 °C alle cellule.
- Trasferire le cellule in una provetta da centrifuga da 15 ml. Centrifugare le celle a 300 x g per 5 minuti a temperatura ambiente (RT).
- Rimuovere il surnatante. Risospendere il pellet cellulare in 12 mL di terreno NHDF preriscaldato.
- Trasferire le cellule in un matraccio T-75 e agitare brevemente in senso trasversale. Collocare il matraccio T-75 a 37 °C in un'incubatrice umidificata al 5% di CO2 .
- Cambia il mezzo ogni 2 giorni. Osservare gli NHDF al microscopio fino a raggiungere la confluenza del 70% - 80%.
2. Espansione 2D
- Estrarre il pallone T-75 dell'incubatrice e rimuovere il mezzo NHDF. Lavare le cellule con soluzione salina tampone fosfato preriscaldata (PBS).
- Aggiungere 3 ml di tripsina-EDTA allo 0,05% alle cellule. Incubare le cellule a 37 °C in un incubatore umidificato al 5% di CO2 fino a quando le cellule non si staccano dal matraccio (circa 3 minuti).
- Aggiungere 6 ml di terreno NHDF preriscaldato per neutralizzare l'azione della tripsina. Trasferire le cellule in una provetta da centrifuga da 15 ml.
- Centrifugare le cellule a 300 x g per 5 minuti a RT e rimuovere il surnatante.
- Risospendere il pellet cellulare in Dulbecco's Modified Eagles Medium (DMEM) a basso contenuto di glucosio integrato con il 10% di siero fetale bovino (FBS), 1x aminoacidi MEM, 1% penna/streptococco, preriscaldato a 37 °C.
- Piastra gli NHDF in una piastra di coltura cellulare aderente da 10 cm a una densità di 8 x 103 NHDF/cm2 (in totale, 4,4 x 105 NHDF per piastra da 10 cm). Oscilla delicatamente in modo trasversale.
- Posizionare la piastra di coltura cellulare da 10 cm a 37 °C in un incubatore umidificato al 5% di CO2 . Cambia il mezzo ogni 2 giorni
- Monitorare le cellule al microscopio fino a raggiungere la confluenza del 100% (ca. 5 giorni).
3. Stimolazione 2D
- Estrarre dall'incubatore le piastre per colture cellulari da 10 cm contenenti gli NHDF (dai passaggi 2.6 e 2.7). Rimuovere il terreno di coltura e lavare le cellule con PBS preriscaldato.
- Aggiungere 10 mL di terreno ad alto contenuto di glucosio DMEM integrato con il 10% di FBS, 50 μg/mL di acido ascorbico e l'1% di penna/streptococco, preriscaldato a 37 °C.
- Porre la capsula di Petri a 37 °C in atmosfera umidificata al 5% di CO2 . Cambia il mezzo ogni 2 giorni.
- Monitorare gli NHDF al microscopio per 14 giorni.
4. 3D maturazione
- Estrarre la piastra di coltura cellulare da 10 cm dall'incubatore e rimuovere il terreno ad alto contenuto di glucosio DMEM.
- Staccare delicatamente e rapidamente il foglio cellulare formato dal piatto con un raschietto cellulare. Durante il distacco, arrotolare contemporaneamente il foglio cellulare in un organoide 3D simile a un bastoncino.
- Prelevare e posizionare gli organoidi NHDF in una piastra di Petri non aderente (per cellule) di 10 cm. Questo tipo di piatto viene utilizzato per evitare l'emigrazione cellulare dall'organoide alla plastica.
- A questo punto o un giorno dopo (giorno 0 o giorno 1 di maturazione 3D), raccogliere alcuni degli organoidi per ulteriori analisi come il peso umido, la valutazione istologica (gli organoidi del giorno 1 sono preferibili in quanto diventano più compatti), l'isolamento dell'RNA e delle proteine.
- Fissare i bordi dell'organoide con perni metallici come segue:
- Tenere con cura un lato dell'organoide con una pinzetta e con un'altra pinzetta applicare delicatamente uno stiramento manuale di circa il 10% di allungamento assiale. Per stimare l'allungamento assiale del 10%, utilizzare carta millimetrata o righello.
- Quindi, prendi uno spillo di metallo con la pinzetta e premi manualmente attraverso il bordo dell'organoide nel piatto di plastica per fissarlo. Ripetere questa procedura con il secondo perno sul secondo bordo dell'organoide.
- Aggiungere 10 ml di terreno ad alto contenuto di glucosio DMEM integrato con il 10% di FBS, 1x aminoacidi MEM, 50 μg/mL di acido ascorbico, 10 ng/mL di TGFß3 e l'1% di penna/streptococco, preriscaldato a 37 °C.
- Posizionare la pirofila da 10 cm a 37 °C in atmosfera umidificata al 5% di CO2 . Cambia il mezzo ogni 2 giorni.
- Monitorare regolarmente gli organoidi per 14 giorni.
NOTA: i perni potrebbero allentarsi, quindi rifissarli utilizzando la stessa tecnica descritta nel passaggio 4.5. - Dopo 14 giorni, rimuovere il mezzo ad alto contenuto di glucosio DMEM dagli organoidi. Lavare gli organoidi con PBS preriscaldato.
- Misurare gli organoidi per il peso umido al giorno 0 e al giorno 14 utilizzando una bilancia di precisione.
- Posizionare un piatto vuoto di 10 cm sulla bilancia e tarare il peso a zero per assicurarsi che venga misurato solo il peso degli organoidi. Rimuovere completamente il terreno di coltura dal piatto da 10 cm e misurare il peso umido dell'organoide uno per uno.
NOTA: In questo studio, al giorno 0, sono stati pesati tre organoidi per donatore e al giorno 14 due organoidi per donatore.
- Posizionare un piatto vuoto di 10 cm sulla bilancia e tarare il peso a zero per assicurarsi che venga misurato solo il peso degli organoidi. Rimuovere completamente il terreno di coltura dal piatto da 10 cm e misurare il peso umido dell'organoide uno per uno.
- Secondo gli scopi dello studio, implementare alcuni degli organoidi NHDF in ulteriori analisi istologiche o congelarli immediatamente in azoto liquido utilizzando provette sterili prive di DNA/RNA per il successivo isolamento di DNA, RNA e proteine e quindi conservarle a -80 °C.
- Per l'indagine istologica, fissare ciascun organoide in 5 mL di paraformaldeide al 4% preraffreddata (4 °C) in PBS (regolata a pH neutro) per 45 minuti su ghiaccio, seguita da un lavaggio PBS a RT (2 x 5 min ciascuno).
- Crioproteggere gli organoidi fissati utilizzando un gradiente di saccarosio mettendo gli organoidi in barattoli di vetro per l'istologia. Incubare gli organoidi in saccarosio al 10% in soluzione di PBS per 2 ore a 4 °C, successivamente saccarosio al 20%/PBS per 2 ore a 4 °C e infine incubazione notturna al 30% di saccarosio/PBS a 4 °C. Modificare le soluzioni di saccarosio prima pipettando e poi riempiendo con la nuova soluzione.
- Incorporare gli organoidi nel crio-mezzo.
- Metti una piastra di rame sul ghiaccio secco in una scatola di polistirolo e lascia raffreddare per 10 minuti.
- Quindi, posizionare un criostampo di plastica, preriempito con crio-mezzo, sulla piastra di rame e premere delicatamente l'organoide sul fondo del criomedio usando una pinzetta. Attendere che il criomezzo sia completamente congelato.
- Per gli organoidi lunghi, prima tagliare a metà con un bisturi e mettere le due metà parallele tra loro nel criostampo. Ripetere la procedura per ciascun organoide destinato ad essere sottoposto ad analisi istologica.
- Conservare i campioni a -20 °C fino alla criosezione.
- Utilizzando un criotomo, tagliare longitudinalmente gli organoidi in sezioni spesse 10 μm e sottoporli a colorazione istologica come ematossilina ed eosina (H&E) utilizzando il protocollo standard8.
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Representative Results
Il modello di organoide 3D T/L è stato precedentemente stabilito e dimostrato qui implementando NHDF acquistato commercialmente (n=3, 3 organoidi per donatore, NHDF sono stati utilizzati nei passaggi 5-8). Il flusso di lavoro del modello è riepilogato nella Figura 1. La Figura 2 mostra immagini rappresentative a contrasto di fase della coltura NHDF durante la pre-espansione in fiasche T-75 (Figura 2A) e all'inizio e dopo 5 giorni di coltura nella fase di espansione 2D in piastre di coltura cellulare da 10 cm (Figura 2B). La Figura 2C (immagini rappresentative a contrasto di fase) mostra la confluenza di NHDF durante la stimolazione 2D dopo 14 giorni di coltura nelle piastre di coltura cellulare da 10 cm. Successivamente, i fogli cellulari sono stati staccati manualmente e contemporaneamente arrotolati in organoidi 3D a forma di bastoncino (al giorno 0, la lunghezza dell'organoide è di circa 6 cm, la larghezza di circa 0,4 cm), che sono stati coltivati sotto tensione statica del 10% per 14 giorni (Figura 3, giorno 0 e giorno 14, immagini macroscopiche rappresentative). Entro il giorno 14 del processo di maturazione 3D, gli organoidi hanno mostrato un aspetto bianco scintillante, si sono contratti e sono apparsi più densi degli organoidi iniziali. Il peso umido degli organoidi è stato misurato al momento della formazione (giorno 0) e di nuovo il giorno 14 della fase di maturazione 3D (Figura 4). È stata osservata una significativa riduzione del peso umido, indicando la contrazione e la riorganizzazione strutturale della ECM all'interno degli organoidi durante l'intervallo di tempo di questa fase del protocollo. Oltre alla variazione di peso, a causa della contrazione, si è ridotta anche la lunghezza dell'organoide (al giorno 14, la lunghezza dell'organoide è di circa 3,5 cm e la larghezza è di circa 0,3 cm). In questo processo, i perni metallici si sono allentati e hanno dovuto essere rifissati; quindi, durante i 14 giorni di maturazione 3D, si consiglia di monitorare frequentemente gli organoidi. Per valutare la morfologia degli organoidi, sono state ottenute sezioni longitudinali da organoidi NHDF raccolti il giorno 1 e il giorno 14 della fase di maturazione 3D e sottoposti a colorazione H&E (Figura 5). Il primo giorno, gli organoidi hanno mostrato strati disconnessi, composti principalmente da cellule circondate da basse quantità di ECM. Inoltre, le celle all'interno degli strati dell'organoide non erano allineate lungo l'asse longitudinale dell'organoide utilizzato come direzione per il carico di trazione statico applicato. I nuclei NHDF mostravano una forma rotonda con dimensioni e forme variabili. L'analisi H&E degli organoidi del giorno 14 ha rivelato un notevole aumento del segnale dell'eosina, indicando la deposizione di ECM durante il processo di maturazione 3D. A questo punto, gli organoidi mostravano strati fusi, con aree contenenti cellule allineate. Le cellule erano spesso in gruppi; tuttavia, in alcune località erano anche organizzati in file di celle. La maggior parte dei nuclei aveva dimensioni simili e occasionalmente erano allungati.
Figura 1: Cartone animato del modello 3D di organoide T/L composto da 3 fasi: espansione 2D, stimolazione 2D e maturazione 3D. Inizialmente, gli NHDF sono stati pre-espansi in un pallone T-75 fino a raggiungere il 70%-80% di confluenza. Successivamente, gli NHDF sono stati coltivati utilizzando il terreno a basso contenuto di glucosio Modified Eagles Medium (DMEM) di Dulbecco in un piatto di coltura cellulare di 10 cm per 5 giorni (espansione 2D). Le cellule sono state quindi stimolate con DMEM ad alto contenuto di glucosio integrato con acido ascorbico per 14 giorni di coltura (stimolazione 2D). Successivamente, gli NHDF sono stati staccati dalla piastra aderente di 10 cm, arrotolati in un organoide 3D a forma di bastoncino, trasferiti e fissati in una piastra di coltura cellulare non aderente di 10 cm riempita con terreno ad alto contenuto di glucosio DMEM integrato con acido ascorbico e fattore di crescita trasformante beta 3 (TGFß3) per 14 giorni (maturazione 3D). Gli organoidi 3D formati possono essere sottoposti a una valutazione del peso umido, a una valutazione istologica, all'isolamento di RNA e proteine e ad altre analisi (ad esempio, microscopia elettronica a trasmissione, misurazioni biomeccaniche) in diversi momenti come i giorni 0, 1 e 14. Il cartone animato è stato generato nel software BioRender. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immagini rappresentative a contrasto di fase di NHDF durante le fasi di pre-espansione, espansione 2D e stimolazione 2D. (A) NHDF durante la pre-espansione nel pallone T-75. (B) NHDF ai giorni 1 e 5 della fase di espansione 2D in una piastra di coltura cellulare di 10 cm. (C) NHDF ai giorni 1 e 14 della fase di stimolazione 2D in una piastra di coltura cellulare di 10 cm. Barre di scala: 200 μm. Le immagini sono state scattate con un microscopio invertito dotato di una fotocamera ad alta risoluzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Morfologia macroscopica degli organoidi 3D NHDF. Immagini macroscopiche rappresentative di organoidi NHDF ai giorni 0 e 14 della fase di maturazione 3D. Barra della scala: 1 cm. Le immagini sono state scattate con la fotocamera di un telefono cellulare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Analisi del peso umido di organoidi 3D NHDF. La misurazione del peso umido degli organoidi era al giorno 0 e al giorno 14, la fine del processo di maturazione 3D. Il grafico mostra i valori medi e le deviazioni standard (NHDF n = 3, 3 organoidi/donatore al giorno 0 e 2 organoidi/donatore al giorno 14 a causa di 1 organoide/donatore prelevato per l'istologia al giorno 1), ogni punto rappresenta i singoli organoidi mentre ogni forma colorata rappresenta un diverso donatore individuale. I dati sono presentati come media ± deviazione standard ed è stato utilizzato un test t parametrico non accoppiato. Differenze statistiche: **p ≤0,01. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Analisi istologica di organoidi 3D NHDF. Immagini rappresentative di sezioni colorate con ematossilina ed eosina (H&E) di organoidi NHDF durante il processo di maturazione 3D ai giorni 1 e 14. Immagine a destra - immagini a basso ingrandimento, immagine a sinistra - vista ingrandita con indicatori come segue: frecce gialle - livelli disconnessi; punte di freccia gialle - nuclei di varie dimensioni e forme; frecce nere - strati fusi e deposizione ECM; punte di freccia nere - file di cellule, nuclei con dimensioni e allungamento simili; stelle nere - cellule in gruppi. Barre di scala: 100 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
I risultati dimostrati in questo studio forniscono preziose informazioni sulla creazione e la caratterizzazione del modello di organoide 3D NHDF per lo studio dei tessuti T/L. Il protocollo in 3 fasi ha portato alla formazione di organoidi 3D simili a bastoncelli che presentano caratteristiche tipiche della nicchia T/L. Questo modello è stato precedentemente riportato in Kroner-Weigl et al. 20237 e dimostrato in modo molto dettagliato qui.
Le immagini a contrasto di fase presentate nella Figura 2 hanno mostrato la progressione della confluenza NHDF e la formazione del foglio durante le fasi di espansione e stimolazione. Il processo di maturazione 3D è stato eseguito arrotolando manualmente i fogli cellulari in organoidi 3D a forma di bastoncello, che sono stati poi coltivati sotto tensione statica per 14 giorni. Gli organoidi hanno mostrato un aspetto bianco scintillante e una maggiore densità entro il giorno 14, suggerendo una contrazione e una riorganizzazione strutturale all'interno degli organoidi. Ciò indica che il periodo di maturazione è fondamentale per ottenere una struttura più organizzata e che imita i tessuti T/L.
Inoltre, l'analisi del peso ha rivelato una significativa diminuzione del peso umido degli organoidi tra i giorni 0 e 14, indicando ancora una volta una significativa contrazione e riorganizzazione dell'ECM all'interno degli organoidi durante il processo di maturazione. È importante sottolineare che le misurazioni del peso umido possono variare tra gli esperimenti a causa della manipolazione e del mezzo residuo all'interno dell'organoide o nei piatti. Inoltre, l'organoide potrebbe contenere più terreno all'inizio perché, come discusso di seguito, al giorno 0, gli strati formati dalla laminazione del foglio cellulare sono segregati e non fusi. Con il tempo, gli strati si sono uniti e sono diventati più compatti, e quindi il mezzo potrebbe essere estruso.
La valutazione morfologica mediante colorazione H&E ha fornito ulteriori informazioni sulle caratteristiche strutturali dell'organoide. Il giorno 1, gli organoidi hanno mostrato strati disconnessi, composti principalmente da cellule con nuclei rotondi circondati da una sottile ECM pericellulare. La mancanza di allineamento cellulare parallelo all'asse del carico di trazione ha suggerito che è necessaria un'ulteriore maturazione per ottenere un'architettura cellulare e ECM più organizzata degli organoidi. Nonostante la contrazione e la riduzione del peso e delle dimensioni degli organoidi tra i giorni 1 e 14, la colorazione H&E ha mostrato un aumento delle aree positive all'eosina, suggerendo un aumento della deposizione di ECM. Inoltre, non c'erano più strati visibili e, occasionalmente, le cellule avevano nuclei allungati ed erano posizionate in file di cellule parallele. Ciò ha sottolineato che le cellule all'interno degli organoidi subiscono un'auto-organizzazione modificando la propria disposizione, nonché la deposizione, la struttura e l'allineamento della ECM, imitando così il comportamento della formazione del tessuto T/L nativo.
Nel complesso, questi risultati evidenziano il potenziale del modello di organoide NHDF come strumento prezioso per lo studio della biologia T/L, della tenogenesi in vitro e persino per l'ulteriore sviluppo dell'ingegneria T/L senza scaffold. Tuttavia, ci sono tre passaggi critici per la corretta gestione del modello di organoide 3D: 1) La formazione di un foglio cellulare stretto durante la fase di stimolazione 2D del protocollo. Quando si utilizzano cellule primarie, ciò dipende principalmente dalle proprietà della cellula del donatore; pertanto, è importante valutare più donatori in parallelo; 2) L'arrotolamento manuale del foglio cellulare. Ciò richiede un rotolamento rapido, ma allo stesso tempo delicato, del foglio cellulare utilizzando un raschietto cellulare. Pertanto, è consigliabile pianificare gli organoidi iniziali per addestrare prima questa procedura; e 3) La fissazione stabile dei perni ai bordi dell'organoide. Questa fissazione assicura l'allungamento assiale dell'organoide e previene le deformità e il collasso in una struttura simile a un grumo. Inoltre, durante la fase di maturazione 3D, poiché gli organoidi subiscono un rimodellamento dell'ECM, i perni possono staccarsi improvvisamente, quindi è importante monitorare frequentemente ogni organoide e rifissare i perni.
Il modello attuale non ha ancora raggiunto il livello di mimetismo in vivo con il tessuto T/L e presenta una serie di limitazioni. Ad esempio, richiede un gran numero di cellule per organoide e 35 giorni per il completamento della procedura, mentre la maggior parte dei protocolli di differenziazione, come il modello 3D di pellet condrogenico, sono impostati su 21 giorni22. Le fasi di lavaggio della procedura del protocollo devono essere eseguite preferibilmente con tampone di lavaggio fisiologicamente bilanciato, ad esempio la soluzione salina bilanciata di Hanks (HBSS) o la soluzione salina bilanciata di Earles (EBSS), piuttosto che la PBS che potrebbe avere conseguenze metaboliche per le cellule umane primarie coltivate in vitro. Per quanto riguarda il terreno di coltura utilizzato nelle fasi di stimolazione 2D e maturazione 3D nell'organoide, è stata scelta la formulazione DMEM plus 10% FBS perché è alla base di protocolli di differenziazione ampiamente accettati e con l'intenzione di standardizzare e confrontare diversi tipi di cellule per le loro proprietà organoidogene23. La riproduzione del protocollo organoide in 3 fasi in diversi ambienti di laboratorio potrebbe essere influenzata dal tipo di cellula utilizzata, dalla qualità e dal passaggio delle cellule, nonché dalle proprietà cellulari dipendenti dal donatore. Le variazioni nell'apparecchiatura, in particolare nella qualità delle piastre di coltura cellulare da 10 cm utilizzate durante la fase di stimolazione2D , potrebbero potenzialmente influire sulla robustezza della formazione del foglio cellulare. Inoltre, a causa della contrazione della MEC durante la maturazione 3D, la fissazione assiale degli organoidi tramite perni potrebbe allentarsi; pertanto, come accennato in precedenza, si raccomanda un monitoraggio frequente. Anche il test e la selezione di perni diversi in termini di diametro e resistenza possono ridurre il rischio di distacco del perno25. Tuttavia, l'uso di perni per lo stretching manuale non è robusto ed è soggetto a gestire la variabilità; Quindi, è molto importante sviluppare nella ricerca di follow-up un meccanismo di bloccaggio per trattenere i bordi degli organoidi, che può portare non solo alla standardizzazione di questo passaggio, ma può anche consentire l'allungamento dinamico degli organoidi. In generale, sarà interessante studiare due modi di modificare il modello di organoide, uno in downscaling - per ridurre il numero di cellule per organoide e il tempo della procedura, rendendolo così più facile da usare, specialmente per gli studi in vitro ; e il secondo upscaling - per aumentare le dimensioni degli organoidi al fine di testare il loro comportamento in modelli animali di grandi dimensioni come potenziale strategia di sostituzione dei tendini.
Il modello qui dimostrato può fornire una piattaforma per studiare i meccanismi alla base dello sviluppo dei tendini, della fisiopatologia e forse della riparazione e rigenerazione se gli organoidi sono combinati con diversi tipi di cellule e sottoposti a micro-rotture. È importante ricordare che lo studio di Kroner-Weigl et al. 20237 ha identificato diverse limitazioni relative al tipo di cellula NHDF, vale a dire che gli organoidi formati da NHDF sono più grandi e più cellulari di quelli derivati dalle cellule T/L, rendendo difficile il controllo della proliferazione e del comportamento cellulare. Per quanto riguarda l'apoptosi cellulare, il test basato sull'etichettatura nick end (TUNEL) della deossinucleotidiltransferasi terminale dUTP (TUNEL) non ha mostrato evidenza di cellule morte in tutto l'organoide al giorno 147, suggerendo un'appropriata diffusione di nutrienti, rifiuti e ossigeno durante la fase di maturazione 3D. È interessante notare che, nonostante le differenze morfologiche, lo screening pilota mediante PCR quantitativa di un certo numero di geni correlati a T/L (inclusi diversi tipi di collagene, Scleraxis (SCX), Mohawk (MKX), ecc.) ha suggerito un'espressione genica comparabile tra NHDF e organoidi T/L7, un risultato che dovrebbe essere ulteriormente studiato e dovrebbe essere convalidato a livello proteico. Pertanto, per questo tipo di cellula, è necessaria un'ulteriore ottimizzazione per supportare la differenziazione T/L e può essere basata sulla regolazione del terreno utilizzato nella stimolazione 2D e nelle fasi di maturazione 3D (ad esempio, concentrazione sierica, fattori di crescita, vitamine), prolungando il tempo di maturazione o addirittura sottoponendo gli organoidi a un allungamento meccanico dinamico. L'evoluzione del protocollo potrebbe migliorare ulteriormente le proprietà compositive, strutturali e funzionali dell'organoide, consentendo così al modello di imitare meglio la nicchia del tessuto T/L complesso in vivo . Inoltre, le fonti cellulari alternative possono essere studiate per la loro capacità di formare organoidi T/L e se possono subire differenziazione T/L. Yan et al. 20209, hanno utilizzato il modello di organoide 3D utilizzando cellule staminali/progenitrici tendinee giovani/sane e invecchiate/degenerative (Y-TSPC e A-TSPC) per studiare il comportamento cellulare in 3D e se la capacità di formazione dei tendini cambia con l'invecchiamento T/L. Hanno riferito che gli organoidi 3D A-TSPC mostrano una scarsa morfologia dei tessuti e le cellule all'interno hanno un tasso di proliferazione inferiore ma un'apoptosi più elevata parallela a livelli elevati di marcatori correlati alla senescenza9. Pertanto, il modello di organoide 3D T/L è una piattaforma promettente per lo studio dei meccanismi molecolari e cellulari coinvolti nell'invecchiamento tendineo e inoltre può essere utilizzato per testare nuove terapie farmacologiche per la riparazione e la rigenerazione dei tendini. In un approccio diverso, Chu et al. 2021 hanno implementato le cellule follicolari dentali (DFC) nel modello 3D di organoide per valutare la loro differenziazione legamentogenica. Questo tipo di cellula ha formato organoidi molto ben organizzati, suggerendo così i DFC come una fonte cellulare attraente per differenziarsi nel tessuto del legamento parodontale (PDL), che potrebbe, a sua volta, sviluppare una promettente strategia terapeutica per la parodontite8.
In futuro, il modello potrebbe diventare ancora più complesso includendo diversi tipi di cellule (ad esempio, miofibroblasti, macrofagi), che potrebbero offrire nuove informazioni sui comportamenti specifici delle cellule e sul crosstalk cellulare all'interno degli organoidi e contribuire a una comprensione più completa della biologia, della fisiologia e della fisiopatologia dei T/L 8,9,16,26.
I modelli 3D di organoidi presentano diversi vantaggi per l'ingegneria tissutale e le applicazioni di medicina rigenerativa. Imitano da vicino la composizione e l'organizzazione cellulare, nonché le interazioni cellula-cellula e cellula-matrice dei tessuti umani, offrendo così una piattaforma fisiologicamente rilevante per lo studio dei meccanismi della malattia e delle risposte ai farmaci27. Gli organoidi possono essere utilizzati come piattaforma di screening ad alto rendimento per valutare l'efficacia ma anche i potenziali effetti collaterali di diversi farmaci e fornire un'alternativa affidabile e a basso costo ai test sugli animali. Inoltre, consentono confronti diretti tra condizioni sane e malate, consentendo la scoperta di cambiamenti molecolari e cellulari chiave associati a diverse patologie, l'identificazione di biomarcatori per la diagnosi precoce della malattia, nonché la facilitazione della comprensione ascendente dei meccanismi della malattia e lo sviluppo di terapie mirate28,29.
Nel complesso, abbiamo dimostrato in dettaglio le fasi del modello di organoide T/L 3D precedentemente stabilito che fornisce una piattaforma promettente per lo studio della biologia dei tessuti T/L e dei processi tenogenici in vitro di vari tipi cellulari. L'ulteriore implementazione, ottimizzazione e ricerca di questo modello sono fortemente incoraggiate in quanto possono portare all'avanzamento di strategie ingegneristiche T/L senza scaffold, che, a loro volta, possono contribuire a migliorare la terapia T/L.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Acknowledgments
D.D. e S.M.-D. riconoscere la sovvenzione BMBF "CellWiTaL: sistemi cellulari riproducibili per la ricerca farmacologica - stampa laser senza strato di trasferimento di singole cellule altamente specifiche in strutture cellulari tridimensionali" Proposta n. 13N15874. D.D. e V.R.A. riconoscono la sovvenzione EU MSCA-COFUND OSTASKILLS "Formazione olistica delle ricerche sull'osteoartrite di nuova generazione" GA Nr. 101034412. Tutti gli autori ringraziano la signora Beate Geyer per l'assistenza tecnica.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ascorbic acid | Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany | A8960 | |
| 10 cm adherent cell culture dish | Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany | CLS430167 | |
| 10 cm non-adherent petri dish | Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany | CLS430591 | |
| Cryo-medium | Tissue-Tek, Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Netherlands | 4583 | |
| Cryomold standard | Tissue-Tek, Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Netherlands | 4557 | |
| D(+)-Sucrose | AppliChem Avantor VWR International GmbH, Darmstadt, Germany | A2211 | |
| DMEM high glucose medium | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | DMEM-HA | |
| DMEM low glucose | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | DMEM-LPXA | |
| Fetal bovine serum | Anprotec, Bruckberg, Germany | AC-SM-0027 | |
| Fibroblast growth medium 2 | PromoCell, Heidelberg, Germany | C-23020 | |
| H&E staining kit | Abcam | ab245880 | |
| Inverted microscope with high resolution camera | Zeiss | NA | Zeiss Axio Observer with Axiocam 506 |
| MEM amino acids | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | NEAA-B | |
| Metal pins | EntoSphinx, Pardubice, Czech Republic | 04.31 | |
| Normal human dermal fibroblasts | PromoCell, Heidelberg, Germany | C-12302 | |
| Paraformaldehyde | AppliChem, Sigma-Aldrich, Taufkirchen, Germany | A3813 | |
| Penicillin/streptomycin | Gibco, Thermo Fisher Scientific, Darmstadt, Germany | 15140122 | |
| Phosphate buffer saline | Sigma-Aldrich, Taufkirchen, Germany | P4417 | |
| TGFß3 | R&D Systems, Wiesbaden, Germany | 8420-B3 | |
| Trypsin-EDTA 0,05% DPBS | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | TRY-1B |
References
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