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Dieses Protokoll erklärt primären Lgr5-positve Organoid Kultur und die anschließende Leistung der retroviralen Transduktion. Dies ermöglicht Cre-induzierbare Überexpression oder Knockdown der gelieferten Transgen und ermöglicht funktionelle Studien im organotypischen neues in vitro durchgeführt werden Modellsystem.
Lgr5-positiven Stammzellen können mit der wesentlichen Wachstumsfaktoren ergänzt werden EGF Noggin, und R-Spondin, die uns die Kultur ständig wachsende primäre epitheliale Strukturen 3D in vitro ermöglicht. Sowohl die Architektur und physiologischen Eigenschaften dieser "Mini-Mumm", auch genannt Organoide, ähneln ihre in-vivo-Pendants. Dies macht sie zu einem attraktiven Modellsystem für die Dünndarm-Epithel. Verwendung von retroviralen Transduktion können funktionelle Genetik jetzt bedingten Gen-Überexpression oder Knockdown durchgeführt werden. Dieses Video zeigt den Vorgang des organoiden Kultur, die Erzeugung von Retroviren und den retroviralen Transduktion von Organoiden phänotypische Analyse Dünndarmepithels in vitro zu unterstützen. Diese neuartige organotypischen Modellsystem in Kombination mit retroviralen vermittelte Genexpression bietet ein wertvolles Werkzeug für die schnelle Analyse von Genfunktionen in vitro ohne die Notwendigkeit costly und zeitaufwendige Erzeugung transgener Tiere.
Hochdurchsatz-Genetik ist notwendig, um unsere biologische Verständnis des Körpers zu erhöhen, die Verbesserung des derzeitigen Grundlagenforschung und Medizin. Mausgenetik der Goldstandard für die Untersuchung von Gen-Funktion in vivo, obwohl es sowohl zeitaufwendig und kostspielig ist. Zelllinien, wobei die andere gemeinsame Wahl, eine höhere Durchsatzleistung, während sie weniger teuer. Sie werden jedoch durch ihre Unfähigkeit, die richtige Mikro und dadurch die physiologischen Reaktionen in vivo gesehen reproduzieren behindert. Daher besteht ein eindeutiger Bedarf an einem einfach zu handhabenden Modellsystem, das Kosten / zeiteffiziente Hochdurchsatzanalyse, während ermöglicht Nachahmung der in vivo in transgenen (tg) Mausexperimenten beobachtet physiologischen Reaktionen.
Für die endodermalen Epithel erschien eine solche Modellsystem im Jahr 2009 1. Unter die Erkenntnisse aus der Entdeckung der Lgr5-positiven Darm Stammzellen wurdeInformationen über die Nische, die den extrazellulären Matrix und Wachstumsfaktoren für die Stammzell Wartung notwendig. Unter Verwendung dieser Informationen es möglich, "Mini-Mumm 'auch als Organoide 2 bekannt zu etablieren wurde. Vor kurzem wurde ein Konsens Nomenklatur für in vitro-Kulturen, in denen Organoide werden als "enteroids" genannt, wurde 3 vorgeschlagen. Wie Zelllinien sind die Organoide ständig wachsenden und leicht, mit Liganden und Inhibitoren zu behandeln. Jedoch anstatt zweidimensional sind dreidimensionale selbstorganisierenden Strukturen, die Krypta-Zotten Organisation beizubehalten sowie Stammzellen und differenzierten Zelllinien des Dünndarms (SI). Organoide bestehen aus einer einzigen Schicht von Epithelzellen, die eine luminale Fläche umgeben. Vorstehende angehende Strukturen entsprechen Dünndarm Krypten, die die Stammzellraum. Ausgehend von der Spitze des angehenden Struktur Vorläuferzellen differenzieren, wie sie miRost in Richtung des Epithels, wo terminal differenzierten Zellen in das Lumen zu vergießen. Im Vergleich zu Zelllinien, diese ex vivo-System näher rekapituliert die normale Physiologie und ist daher ein vielversprechendes Modellsystem für die Dünndarm-Epithel.
In diesem Video-Protokoll von retroviralen Transduktion, präsentieren wir eine Methode, die Ex-vivo-Studien Genfunktion in diesem Roman Organoid Kultursystem ermöglicht. Wir beginnen mit der Beschreibung organoiden Kultur in einer Schritt-für-Schritt-Weise, und weiter durch den Nachweis der Erzeugung von Retroviren, gefolgt von der Übertragungsprozedur. Schließlich gibt es einen Abschnitt für zusätzliche Hinweise für die Fehlersuche. Ein Vorteil dieser Technik ist, dass sie mit Echtzeit-Bildgebung oder Drogenscreening kombiniert, um die Homöostase, Zellschicksal Entscheidungen und Zell-Zell-Interaktionen im Darmepithel zu untersuchen. Aufgrund ihrer einfachen Architektur und schnelle Fluktuation, Organoide stellen eine ideale Model System für das Studium der Biologie mit adulten Stammzellen. Darüber hinaus können retrovirale Transduktion zu Organoide von vorher festgelegten transgene Mäuse sowie menschliche Patientenproben abgeleitet angewendet werden. Als Knock-in-und Knock-out-Ansätze können nicht auf den Menschen ausgeweitet werden, die menschlichen SI Organoide bilden eine attraktive Alternative.
Zusammenfassend Genmanipulation durch retrovirale Transduktion ermöglicht phänotypische Analyse im Dünndarm von Mäusen Organoide oder menschliche Gewebeproben stammen, ergänzt somit Mausgenetik und Zelllinien, während die Eröffnung neuer Wege für die Studien in menschlichen Geweben abgeleitet. Retrovirale Transduktion ermöglicht GAIN- und Verlust-Funktions-Studien in der organoiden Kultursystem 4 durchgeführt werden. Damit ist es eine wertvolle Ressource für die Untersuchung von Gen-Funktion, mit adulten Stammzellen Biologie und Krankheit, während sie in Übereinstimmung mit den drei Rs (Reduzierung, Verfeinerung und Ersatz).
Alle Mäuse in dem folgenden Protokoll verwendet, wurden in spezifischen Pathogen-freien Bedingungen gehalten und alle Verfahren wurden nach den United Kingdom Home Office Bestimmungen durchgeführt.
1. Vorbereitung
2. Die Züchtung des Dünndarms (SI) Organoide
Hinweis: Soweit nicht anders angegeben, sind alle Inkubationen bei 37 ° C, 5% CO 2 in einem befeuchteten Inkubator durchgeführt. Geräte und Reagenzien in Kontakt mit lebenden Zellen müssen steril sein.
Vorwärmen der Gewebekulturplatte ist wichtig, da es verhindert, dass der Keller Matrix (Matrigel oder BME) fällt von Ausbreitung, wenn der Aussaat. Auch sollte die Keller Matrix auf Eis aufbewahrt werden. Lagerung bei -20 ° C und Auftauenauf Eis vor dem Gebrauch.
3. Pre-Infektion Behandlung von SI Organoide
ANMERKUNG: Abbildung 1 veranschaulicht die Übertragungsprozedur.
4. Virusproduktion
5. Organoide Fragment Vorbereitung
6. retrovirale Transduktion
8. Setzen von Infizierte Organoide Fragmente
9. Auswahl
10. Post-Infektion Behandlung von SI Organoide
11. Bestätigung der Infektion und Expression / Unterdrückung der Gen von Interesse
Organoide bereit zu spalten, wenn die zentrale Lumen durch das Vorhandensein von toten Zellen (Figur 2) verdunkelt werden. Nach 2-3 Tagen der Vorbehandlung Organoide sollte eine runde zystische Morphologie (Abbildung 3) erlassen. Dies erhöht die Anzahl von Stammzellen, die Verbesserung der Aussichten auf stabile Integration. Die Größe des viralen Pellet nach Zentrifugation des viralen Überstand aufgrund der unterschiedlichen Beitrag der Zelltrümmer auf die Pelletgröße zu variieren, wahrscheinlich. Keine klare Korrelation zu Transduktionseffizienz wurde beobachtet. Während des Auswahlverfahrens nicht-transduzierten Organoide sterben wird, während die, die mit einem stabilen Integration wird bleiben. Das fluoreszierende Protein von MSCV-eGFP-Retrovirus kann in Zellen überleben Organoiden, die eine cystische Morphologie innerhalb von 2-3 Tagen nach der Transduktion (Abbildung 4) Ursprung beobachtet werden.
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Abbildung 1 ist eine schematische Zeichnung der retroviralen Transduktion Verfahren. Vor der Infektion Organoide werden vorbehandelt mit ENRWntNic bis sie eine zystische Struktur (Schritt 1) anzunehmen. Platin-E-Zellen werden als Verpackungszelllinie verwendet werden, und kultiviert, bis sie 70-80% Konfluenz erreichen. Danach werden sie mit dem retroviralen Konstrukt mit PEI transfiziert. Viren gibt 2 Tage später (Schritt 2) geerntet. Organoide werden trypsiniert, um Fragmente mit 1-10 Zellen (Schritt 3) zu erhalten, und dann infiziert sind (Schritt 4). Nach spinoculation die Infektionseffizienz (Schritt 5) zu erhöhen, werden die infizierten Organoid Fragmente für positive Klone ausgesät (Schritt 6) und 2-3 Tage später die Auswahl mit stabilen Integration kann (Schritt 7) durchgeführt werden.
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Abbildung 2. Repräsentatives Bild Organoide nach 4-6 Tagen Kultur. Das Lumen ist mit toten Zellen gefüllt, so dass es zu dunkel erscheinen. Organoide in diesem Stadium sind bereit, agiert werden.
Abbildung 3. Repräsentative Bild der kleinen Darm Organoide in ENRWntNic Medien für 3-4 Tage kultiviert. Die Organoide nehmen eine zystische Morphologie.
Abbildung 4. Repräsentative Bild der kleinen Darm Organoide (a), die virale Transgen-Expression (b, eGFP) zu zeigen.
Advanced DMEM / F12 +++ | |
Lagerung bei 4 ° C für 4 Wochen | |
Erweiterte DMEM / F12 | 500 ml |
Glutamax 100x | 5 ml |
Hepes 1 M | 5 ml |
Antibiotika 100x | 5 ml |
ENRWntNic Medium (20 ml) | |
Lagerung bei 4 ° C für 2 Wochen | |
Erweiterte DMEM / F12 +++ | 7,2 ml |
B27 Supplement (50x) | 400 ul |
N2 Zuschlag (100x) | 200 ul |
N-Acetylcystein (500 mM) | 50 ul |
Maus EGF (500 ug / ml) | 2 ul |
Mäuse-Noggin (100 ug / ml) | 20 ul |
R-Spondin Conditioned Medium | 2 ml |
Wnt3a konditionierte Medium | 10 ml |
Nicotinamid (1 M) | 200 ul |
Übertragungsmedium (20 ml) | |
Frisch zubereiten | |
ENRWntNic Medium | 20 ml |
Y-27632 (10 uM) | 20 ul |
Polybren (8 ug / ml) | 20 ul |
ENR-Medium (20 ml) | |
Lagerung bei 4 ° C für 4 Wochen | |
Erweiterte DMEM / F12 +++ | 17,4 ml |
B27 Supplement (50x) | 400 ul |
N2 Zuschlag (100x) | 200 ul |
N-Acetylcystein (500 mM) | 50 ul |
Maus EGF (500 ug / ml) | 2 ul |
Mäuse-Noggin (100 ug / ml) | 20 ul |
R-Spondin konditionierte Medium | 2 ml |
Medien für Platinum-E-Zellen (für 500 ml) | |
Lagerung bei 4 ° C für 12 Wochen | |
DMEM | 449.45 ml |
Fötalem Rinderserum (FBS) | 50 ml |
Puromycin (1 ug / ml) | 50 ul |
Blasticidin (10 ug / ml) | 500 ul |
Tabelle 1. Medien Zusammensetzung für Advanced DMEM / F12 +++, ENRWntNic Medium, Transduktion Medium, ENR Medium und Medium für Platinum-E-Zellen.
Um das zu erreichen hohe Transduktionseffizienz bestimmte Aspekte sind kritisch. Eine davon ist die Vorbehandlung von Organoide mit ENRWntNic Medien, bis sie eine runde Form zystischer erlassen. Dies erhöht die Anzahl von Stammzellen, und dadurch die Möglichkeit zu erhalten, die eine stabile Integration des Transgens, sowie die Erhöhung der Überlebensrate der SI Organoiden gesamten Übertragungsverfahren. Ein weiterer Parameter ist die Inkubationszeit folgenden spinoculation. Zu kurz oder zu lange Inkubationszeit führt zu einer schlechten Transduktionseffizienz und schlechte Überleben der Organoide sind. Die spinoculation Schritt ist nicht wesentlich, obwohl es den Prozentsatz der transduzierten Organoiden deutlich erhöht. Schließlich ist mit hohem Titer Virus Schlüssel für eine erfolgreiche Transduktion. Dies ist abhängig von der Art der Verpackungszelllinie und Viren. Die Kombination von Platin-E-Zellinie murinen Stammzellvirus (MSCV), zeigte einen Titer hoch genug für die Transduktion von Organoiden zu erzeugen.
ve_content "> Hier finden Sie Tipps für die Fehlersuche, die helfen können, erfolgreich Übertragung zu erreichen. Erstens, wenn die Transfektion der Verpackungszelllinie ist schlecht, stellen Sie sicher, dass die Konfluenz der Zellen liegt zwischen 70-80%, und dass die Inkubationszeit der gepoolten PEI-DNA Gemisch wird 20-30 min. Das Überleben der Organoide während Übertragung hängt stark von der Fragmentgröße. Zu lange Trypsinbehandlung bewirkt, dass die Mehrzahl der Fragmente von weniger als 3 Zellen bestehen, und verringert dadurch die Überlebens organoiden. Ein weiterer Faktor ist die Aktivität des Wnt-konditionierten Medium, wenn die Tätigkeit zu gering steigern sie durch Zugabe von CHIR99021 in einer Arbeitskonzentration von 5 um das Überleben zu erhöhen. CHIR99021 hemmt GSK3, was zu erhöhten Wnt-Signal. Außerdem Y-27362, die verhindert, Anoikis an die Übertragungsmedien hinzugefügt, um die Überlebensfähigkeit Organoid zu verbessern, da die Organoide sind Fragmente (mit 1-10 Zellen) vor der Weiterleitung gestört. Als60, oben erwähnt, sollte die Inkubationszeit nach spinoculation 6 Stunden nicht überschreiten. Schließlich, wenn schlechte Übertragungs beobachtet die oben genannten Faktoren, die die virale Titer und die Größenbeschränkung des Einsatzes für den retroviralen Vektor in Betracht gezogen werden. Die Effizienz des Zuschlags ist stark abhängig von der miRNA. Da der Wirkungsgrad variiert mit der Kombination des Zielgens und miRNA es lohnt Führen einer Effizienz Bildschirm zu denen, die am besten zu erkennen.Die Technik basiert auf der epithelialen Phänomene des organoiden System beschränkt. In der Zukunft kann es möglich sein, infektiösen oder Autoimmunerkrankungen, durch Co-Kultivierung von Pathogenen oder Rekonstitution mit Komponenten des Immunsystems abgeleitet untersuchen sind. Darüber hinaus kann nur Retroviren tragen Einsätze aus einem relativ kleinen Größe. Folglich natürlich vorkommende regulatorische Regionen ausgeschlossen werden und somit die Expression des Transgens nicht zu imitieren, dass derdas endogene Gen. Wie oben erwähnt, ist der Zuschlags Effizienz abhängig von der Ziel-Gen und miRNA. Wenn keine miRNA mit geeigneten Zuschlags Effizienz gefunden werden kann es die Verwendung der Technik für diese spezielle Zielgens zu begrenzen.
Theoretisch sind mit allen standardisierten Organoide manipulative Techniken zur Zelllinien verwendet werden, kompatibel. Retrovirale Transduktion war die erste Methode gemeldet werden 4, und vor kurzem BAC (Bacterial Artificial Chromosome) -transgenesis verfügbar geworden 5. Mit insgesamt Generationszeit von 2-3 Wochen nach der Transfektion der viralen Plasmid in die Verpackungszelllinie, es ist deutlich schneller als die Erzeugung einer transgenen (tg) der Maus. Durch die Aufrechterhaltung der in-vivo-Krypta-Zotten Architektur, während Stammzellen enthält, sowie alle differenzierten Zelllinien des Darmepithels überbrückt die Organoid Kultursystem die Lücke zwischen Tier tg und frühere Zellkultur.
Das hier beschriebene Protokoll bietet eine Methode, um phänotypische Analyse von endodermalen Epithel in vitro durch GAIN- durchführen und Verluste von Funktionsprüfungen. Dies macht es möglich, physiologisch relevanten Fragen in adulten Stammzellen Biologie anzugehen, mit einem minimalen Bedarf an tg Mäusen. Zum Beispiel könnte die Erzeugung von Knockout-Mäusen unter Verwendung von Organoiden Neugeborenen Mutanten mit perinatale Letalität 6 abgeleitet vermieden werden. Darüber hinaus kann das Verfahren auf Organoide von vorher fest Knockout-Mäusen, die Rolle Paraloge durch Ausführen einer zusätzlichen Zuschlags 7,8 studieren angewendet werden.Nach der Gründung der kleinen Darm Organoide, hat die Anpassung der ursprünglichen Kultur Protokoll Kultivierung von Bauchspeicheldrüsen, Leber, Dickdarm-und Magen Epithelien 9-11 erlaubt. Darüber hinaus haben menschlichen Darm-und Tumor Organoide Organoide aus normalen menschlichen Biopsien abgeleitet, primäre adenoma und Darmkrebs Biopsien 10. Die virale Infektion Protokoll kann leicht auf diese Art von Organoiden verlängert und bietet eine beispiellose Möglichkeit zum Durchführen funktioneller Studien in menschlichen Geweben stammen.
Zusammengenommen ist retroviralen Transduktion von Dünndarm Organoide eine wertvolle Ressource für die Untersuchung von Stammzellen Wartung, Differenzierung und Zellschicksal Entscheidung, sowie Zellsignalisierung und Zell-Zell-Interaktionen.
The authors have nothing to disclose. The authors have no conflict of interest declared.
Koo BK und Mustata RC werden von der Sir Henry Dale-Stipendium der Wellcome Trust und Andersson-Rolf A unterstützt wird von der Medical Research Council (MRC) unterstützt. Fink J wird von der Wellcome Trust 4-Jahres-PhD-Programm unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Advanced DMEM/F12 | Invitrogen | 12634-034 | |
Glutamax 100x | Invitrogen | 35050-068 | |
Hepes 1M | Invitrogen | 15630-056 | |
Penicillin- Streptomycin 100x | Invitrogen | 15140-122 | |
B27 supplement 50x | Invitrogen | 17504-044 | |
N2 supplement 100x | Invitrogen | 17502-048 | |
n-Acetylcysteine 500 mM | Sigma-Aldrich | A9165-5G | |
mouse EGF 500 µg/ml | Invitrogen Biosource | PMG8043 | |
mouse Noggin 100 µg/ml | Peprotech | 250-38 | |
R-Spondin conditioned medium | The conditioned media is generated from HEK293 cells, for details see Sato and Clevers 2013 | ||
Wnt conditioned medium | The conditioned media is generated from L cells, for details see Sato and Clevers 2013 | ||
Nicotinamide 1 M | Sigma | N0636 | |
Y-27632 10 µM | Sigma | Y0503-1MG | |
Polybrene 8 µg/ml) | Sigma | H9268-5G | |
Standard BD Matrigel matrix | BD Biosciences | 356231 | Basement Matrix Extract (Cultrex PathClear BME Reduced Growth Factor Type 2, 3533-005-02 ) supplied by AMSBIO can be used as an alterntive. |
24 well plate | Greiner Bio One | 662960 | |
48 well plate | Greiner Bio One | 677980 | |
CHIR99021 | Sigma | A3734-1MG | |
Platinum- E cells | Cell biolabs | RV-102 | |
Puromycin | Invitrogen | A1113802 | |
Blasticidin | Invitrogen | A1113902 | |
Polyethyleneimine (PEI) | Polysciences | 23966 | |
opti-MEM | Life Technologies | 51985-034 | |
TrypLE | Invitrogen | 12605-010 | |
Parafilm | Sigma | P7793-1EA | |
4-OHT | Sigma | H7904 |
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