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Le protocole présente un nouveau modèle expérimental in vitro capable de récapituler la biologie de deux types de lignées cellulaires adhérentes avec un échafaudage imprimé en trois dimensions (3D). La construction de ce modèle et les procédures opératoires, de la préparation et de la culture cellulaires à l’analyse et à l’évaluation, sont décrites.
L’implantation de l’embryon est affectée par les interactions entre les différents types de cellules dans l’interface mère-embryon. Les communications directes et indirectes entre les différents types de cellules au sein de la décidue sont cruciales pour réguler la réceptivité de l’endomètre ; Cependant, les mécanismes moléculaires qui interviennent dans cette interaction ne sont pas encore clairs. À cet égard, un modèle d’étude du processus d’implantation est nécessaire pour établir un modèle in vitro complet capable de récapituler la biologie de l’interaction épithélium-stroma de l’endomètre. Ce modèle est composé de plaques de culture cellulaire régulières et d’un échafaudage correspondant, qui est généré par impression tridimensionnelle (3D) à partir de matériaux à faible coût. Ici, nous détaillons un ensemble de protocoles pour la construction de modèles, la préparation cellulaire, l’ensemencement cellulaire, la culture cellulaire, l’observation et l’évaluation. De plus, nous avons inclus des résultats représentatifs avec des cellules présentant de bonnes conditions de croissance au microscope. Cette étude visait à développer des modèles in vitro qui imiteraient l’interaction entre les cellules stromales de l’endomètre et les cellules épithéliales, ainsi qu’entre les cellules trophoblastiques et les cellules endométriales.
Malgré des recherches approfondies sur la grossesse humaine, les mécanismes moléculaires à l’interface mère-fœtus lors de l’implantation et au début de la grossesse restent mal compris1. L’endomètre humain est principalement composé de deux types de cellules : les cellules épithéliales de l’endomètre (EEC) et les cellules stromales de l’endomètre (ESC). L’implantation progresse en trois étapes : l’apposition, l’attachement et l’invasion, qui conduisent au développement d’un embryon compétent et d’un endomètreréceptif 2. Compte tenu des contraintes éthiques des études in vivo sur des sujets humains, ainsi que des difficultés à simuler complètement la condition humaine chez l’animal, la construction de modèles de culture d’endomètre humain in vitro est devenue un moyen efficace de reproduire les processus d’implantation et de grossesseprécoce 3. Ces modèles sont précieux pour l’étude des grossesses normales et pathologiques et fournissent une plate-forme fondamentale pour les essais préliminaires et la validation des interventions thérapeutiques en médecine translationnelle.
Les chambres commerciales ont été largement utilisées dans la recherche en biologie cellulaire. Ces chambres offrent des informations précieuses sur la migration cellulaire et l’interaction entre les différents types de cellules. Cependant, les chambres commerciales sont généralement à usage unique et peuvent être coûteuses4.
Un grand nombre de modèles de culture humaine in vitro composés d’endomètre et de blastocyste, ou de substituts de blastocyste, ont été développés pour mieux comprendre le processus détaillé d’implantation. Ces modèles, cependant, en sont encore à leur stade initial d’application car la structure 3D est un dispositif expérimental très compliqué, et certains supports de différenciation spécifiques sont coûteux 5,6,7.
L’utilisation de matériel d’impression 3D abordable et une période de fabrication relativement courte permettent d’ajuster les structures pour cibler différentes fins expérimentales. Les techniques d’impression 3D permettent de réduire les coûts de temps et de créer des structures complexes et personnalisées. Cette technologie accélère considérablement la conception et l’itération des prototypes, ce qui en fait un outil précieux pour les chercheurs de divers domaines, leur permettant de mener à bien leur travail plus efficacement 8,9,10.
Ici, nous présentons un protocole expérimental réalisable et économique pour la construction de la structure 3D et son utilisation comme système de culture cellulaire, qui peut simuler l’interaction entre les cellules stromales et épithéliales de l’endomètre pour l’étude de la réceptivité de l’endomètre lors de l’implantation de l’embryon. Il s’agit d’une alternative personnalisable et peu coûteuse aux matériaux jetables commerciaux.
REMARQUE : Tous les réactifs utilisés dans ce protocole se trouvent dans la Table des matériaux. Sauf indication contraire, tous les fluides ont été pré-équilibrés à 37 °C avant utilisation.
1. 3D’impression de l’échafaudage et de la construction du modèle
REMARQUE : Les étapes ici ont été effectuées conformément au manuel de la machine d’impression 3D métal commerciale. Les étapes sont brièvement décrites ci-dessous (Fichier supplémentaire 1).
2. Préparation à la co-culture cellulaire dans le modèle 3D
REMARQUE : Il est recommandé d’utiliser des matériaux résistants aux hautes températures comme consommables pour l’impression 3D, des supports d’échafaudage de lamelles de cellule afin de faciliter la stérilisation en autoclave avant chaque utilisation dans des expériences de culture cellulaire. Des cellules stromales de l’endomètre humain immortalisées (HESC) et des cellules épithéliales de l’endomètre humain (Ishikawa) ont été utilisées dans cette étude. La caractérisation de ces lignées cellulaires a déjà été rapportée 5,6.
3. Montage du modèle de co-culture
4. Acquisition d’images
5. Traitement d’image
6. Prélèvement cellulaire
La figure 1 montre l’échafaudage fait maison pour les lames de cellules utilisé dans ce processus, qui comprend un anneau de support supérieur conçu pour être fixé à des plaques de culture cellulaire standard à 12 puits, complété par un support de lame de cellule basale doté de quatre structures en forme de tige en forme de L.
Selon la figure 2, la densité des deux types de cellules dans les conditions de co-culture (Figure 2A,B) est restée faible après 72 h de co-culture ; cependant, la densité des deux types de cellules cultivées indépendamment a augmenté de manière significative (Figure 2C,D). De plus, la durée des CSEh co-cultivées était plus courte que celle des CSEh cultivées indépendamment (Figure 2E-G).
Le profil des cellules d’Ishikawa et des cellules hESC indique l’existence d’interactions entre les deux types de cellules. En même temps, le système nous permet de continuer à effectuer des expériences de suivi sur les lignées cellulaires distinctes, y compris la coloration immunochimique et le western blot.
Figure 1 : Échafaudage à lamelles imprimé en 3D utilisé dans le protocole expérimental. (A) Échafaudage en monoforme. (B) Échafaudage sous forme binaire. (C) Illustration montrant l’emplacement de la lamelle sur l’échafaudage. (D) Illustration montrant l’emplacement d’un échafaudage dans une plaque standard à 12 puits. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Profil des lignées cellulaires hESC et Ishikawa traitées pendant 3 jours avec différentes conditions. (A) La graine d’Ishikawa sur la lamelle co-cultivée avec l’hESC par échafaudage (Bar = 200 μm). (B) La graine de CSEh sur la lamelle de couverture co-cultivée avec Ishikawa à l’aide d’un échafaudage. (C) Les cellules d’Ishikawa ont été cultivées dans un milieu complémentaire avec 10 % de FBS. (D) Les cellules hESC ont été cultivées dans un milieu complémentaire avec 10 % de FBS. (E) La densité cellulaire des CSEh dans des conditions de co-culture est significativement inférieure à celle dans des conditions de culture indépendante. (F) La densité cellulaire des cellules ISHIKAWA dans des conditions de co-culture est significativement inférieure à celle dans des conditions de culture indépendante. (G) La durée des CSEh dans des conditions de co-culture est nettement plus courte. N = 3 ; , p<0.05, la barre d’erreur indique l’erreur type. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Fichier supplémentaire 1 : Fichier de codage d’impression 3D. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Un protocole simplifié et rentable est décrit pour la co-culture indirecte de cellules stromales et épithéliales de l’endomètre. Cette méthode utilise un échafaudage fait maison pour les lames de cellules, qui comprend un anneau de support supérieur conçu pour la fixation à des plaques de culture cellulaire standard à 12 puits, complété par un support de lame de cellule basale doté de quatre structures en forme de tige en forme de L. Cette configuration facilite la séparation des cellules stromales et épithéliales de l’endomètre tout en permettant leur interaction par l’échange de molécules de signalisation dans le milieu de culture. L’un des principaux avantages de cette approche est la réduction substantielle du temps et des dépenses par rapport aux systèmes de coculture disponibles dans le commerce11. L’échafaudage fait maison est construit à partir de matériaux facilement disponibles, ce qui réduit considérablement le coût de l’installation. De plus, sa conception est simple, ce qui permet aux chercheurs d’assembler et de démonter facilement l’échafaudage, ce qui permet d’économiser du temps et des efforts en laboratoire. De plus, l’échafaudage fait maison peut être nettoyé et stérilisé pour de multiples utilisations, ce qui en fait une option durable et économique pour la recherche en cours. Cette caractéristique est particulièrement bénéfique pour les études à long terme, où des résultats cohérents et fiables sont cruciaux.
Les cellules stromales de l’endomètre et les cellules épithéliales jouent un rôle central dans la réussite de l’implantation de l’embryon. Dans des conditions physiologiques, les cellules épithéliales de l’endomètre et les cellules stromales de l’endomètre n’ont généralement pas de contact direct. La recherche sur la décidualisation des cellules stromales de l’endomètre humain a prouvé que les cellules épithéliales influencent le processus décidual par la paracrine. La proximité des cellules épithéliales et stromales permet une communication efficace par le biais de la signalisation paracrine12. Cette interaction est essentielle pour coordonner les changements cycliques de l’endomètre, y compris la préparation à l’implantation et l’élimination ultérieure des tissus si l’implantation ne se produit pas11. Les cellules épithéliales et stromales expriment des récepteurs pour l’œstrogène et la progestérone, qui régulent leur prolifération, leur différenciation et leurs activités sécrétoires. La diaphonie épithéliale-stromale garantit que ces réponses sont bien coordonnées13. Ainsi, la diaphonie complexe entre ces cellules reste un domaine d’investigation critique, car il est essentiel de comprendre les processus complexes qui sous-tendent la réceptivité endométriale et l’implantation de l’embryon14. Malgré des progrès significatifs en biologie de la reproduction, les mécanismes détaillés de communication entre ces types de cellules lors de l’implantation ne sont pas encore entièrement élucidés15.
L’échafaudage offre un moyen pratique de réaliser la co-culture de deux types de cellules adhérentes. Cependant, dans le processus de co-culture à long terme, les cellules de lamelle continuent de croître et de se renouveler au fil du temps, et les cellules mortes tomberont et entreront en contact avec les cellules de la couche inférieure, ce qui peut avoir un impact sur les cellules de la couche inférieure. De plus, les cellules ensemencées sur la lamelle sont placées face vers le bas sur l’échafaudage. On ne sait pas si la gravité a un effet sur l’état des cellules. Dans cette recherche, deux lignées cellulaires, hESC et Ishikawa, ont été utilisées pour la démonstration. L’échafaudage peut être largement utilisé dans la co-culture de deux types différents de lignées cellulaires adhérentes. En outre, l’échafaudage peut également être utilisé comme plate-forme pour d’autres composés ou milieux de libération de médicaments et comme plate-forme de montage pour divers dispositifs tels que les dispositifs de luminescence, de chauffage et d’électrodes.
Ici, nous présentons un système de culture cellulaire in vitro fiable et robuste utilisant l’échafaudage spécifique, qui est un outil utile et pratique pour étudier davantage le mécanisme moléculaire des interactions entre les cellules utérines embryonnaires et maternelles. De plus, nous avons caractérisé la faisabilité de l’échafaudage établi comme modèle pour les études de blastocyste/trophoblaste. Ce protocole permet la construction d’échafaudages appropriés par impression 3D et leur fonction de structure 3D pour les plates-formes de migration ou d’invasion en petits volumes (plaques de 12 puits), où différents facteurs peuvent être évalués à l’aide de systèmes de quantification par imagerie.
L’utilisation de lignées cellulaires permet de standardiser le modèle pour comparer différentes conditions, ce qui n’est pas applicable avec des tissus primaires de villosités frais. Cependant, n’importe lequel des composants de la lignée cellulaire peut être remplacé par une culture primaire pour validation. En incorporant les cellules et les tissus dérivés de patients d’intérêt, le modèle proposé peut faciliter la démonstration et la modélisation de différentes maladies connues pour contribuer à l’infertilité et à l’échec de la grossesse.
Étapes critiques
Tout d’abord, la densité de cellules d’Ishikawa pour la co-culture devrait être limitée, environ 60 % à 70 % de confluence. Deuxièmement, le couvercle de lamelle avec les cellules doit être maintenu vers le bas. Troisièmement, la concentration de l’ECM doit être inférieure à 3 mg/mL pour éviter la formation d’un gel. Quatrièmement, le niveau de liquide du milieu dans le système de co-culture doit couvrir la lamelle.
Limitations
Le modèle mentionné ci-dessus comprend les cellules épithéliales de l’endomètre et les cellules stromales ; l’une des limites de l’étude était l’utilisation de cellules d’Ishikawa d’adénocarcinome comme substituts de cellules épithéliales au lieu de cellules primaires. L’intégration de cellules épithéliales et stromales primaires d’un même patient reproduirait les conditions physiologiques de l’endomètre humain. Pour certaines applications expérimentales, une limitation possible concerne l’absence d’autres types de cellules, telles que les cellules endothéliales et les cellules immunitaires, et il n’y a pas de caractérisation de la structure glandulaire dans ce modèle pour évaluer l’impact interactif des glandes endométriales sur d’autres types de cellules endométriales. Cependant, dans des conditions physiologiques, les cellules épithéliales révèlent la polarité, et ce caractère simule à peine des conditions in vitro sans un environnement luminal utérin. Les cellules stromales de l’endomètre sont sous le processus décidual dans le cycle menstruel 16,17. Cependant, le mécanisme moléculaire de la décidualisation reste incertain. Plusieurs facteurs, dont les immunocytes et les cellules endothéliales, pourraient jouer un rôle dans la décidualisation. Ce modèle fournit un moyen limité d’examiner la diaphonie indirecte entre les cellules stromales et épithéliales au cours du processus décidual. De plus, les niveaux et les rôles des marqueurs biologiques au cours de la décidualisation ne sont pas encore clairs, ce qui justifie une exploration plus approfondie
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun conflit d’intérêts.
Nous tenons à remercier tous les sujets impliqués dans cette étude. Nous apprécions également l’aide à l’imagerie de Light Innovation Technology Ltd, Shenzhen. Cette étude a été financée par Natural Science Funding of China (subvention n° 82201851), le programme de science et de technologie de Shenzhen (subvention n° . JCYJ20210324141403009, RCYX20210609104608036), Fonds de construction de la discipline médicale clé de Shenzhen (subvention n°. SZXK028) et l’hôpital pour femmes et enfants de Shenzhen Baoan (subvention n°. BAFY 2023003).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10x Hanks′ Balanced Salt solution | Solarbio | H1046 | 1/10 |
12-well Clear TC-treated Plates | Corning | 3513 | - |
25 cm² Cell Culture Flask | Corning | 430639 | - |
Aluminum | Markforged | 6061-T6 | - |
DMEM/F12 | Sigma-aldrich | D2906 | - |
Dulbecco’s Modified Eagle Medium | Gibco | C11995500BT | |
FBS | Gibco | 10099141C | 1/10 |
Fetal bovine serum | Gibco | 10099141C | |
ITS Premix | Biocoat | 354350 | 1/100 |
Matrigel Matrix | Corning | 354248 | ECM |
Metal X | Markforged | M F-PR-5000 | - |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | 1/100 |
Round Coverslip | Biosharp | BS-18-RC | - |
TrypLE Select (10X) | Gibco | A1217701 | dissociation enzyme |
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