Method Article
Studying medullary thymic epithelial cells in vitro has been largely unsuccessful, as current 2D culture systems do not mimic the in vivo scenario. The 3D culture system described herein - a modified skin organotypic culture model - has proven superior in recapitulating mTEC proliferation, differentiation and maintenance of promiscuous gene expression.
Lo sviluppo delle cellule T Intra-timico richiede un reticolo tridimensionale complessa composta da varie cellule stromali, cioè cellule non-T. Timociti attraversano questo patibolo in un ordine temporale e spaziale altamente coordinato, mentre in sequenza passa punti di controllo obbligatori, cioè, l'impegno linea cellulare T, seguita da generazione repertorio recettore delle cellule T e la selezione prima della loro esportazione nella periferia. I due principali tipi di cellule che formano residente questa impalcatura sono cellule epiteliali del timo corticali (CTEC) e midollari (mTECs). Una caratteristica fondamentale di mTECs è la cosiddetta espressione promiscua di numerosi antigeni tissutali limitato. Questi antigeni tissutali con restrizioni vengono presentati immaturi timociti direttamente o indirettamente da mTECs o cellule dendritiche del timo, causando rispettivamente in self-tolleranza.
Adatto in vitro modelli che emulano i percorsi di sviluppo e le funzioni di CTEC e mTECs sono attualmente lacre. Questa mancanza di adeguati modelli sperimentali è per esempio ostacolato l'analisi dell'espressione genica promiscua, che è ancora poco conosciuta a livello cellulare e molecolare. Abbiamo adattato una organotipica modello di co-coltura 3D per la cultura ex vivo mTECs isolati. Questo modello è stato originariamente concepita per coltivare cheratinociti in modo tale da generare un equivalente pelle in vitro. Il modello 3D conservato caratteristiche funzionali chiave di MTEC biologia: (i) la proliferazione e la differenziazione terminale di CD80 ecco, Aire-negativo in CD80 hi, Aire-positivi mTECs, (ii) la risposta a RANKL, e (iii) espressione sostenuta di FoxN1, Aire e geni tessuto-limitato a CD80 mTECs hi.
Timociti sviluppo costituiscono circa il 98% del timo, mentre il restante 2% è costituito da una varietà di cellule che compongono collettivamente stroma timico (cioè, cellule epiteliali, cellule dendritiche, macrofagi, cellule B, fibroblasti, cellule endoteliali). Le cellule epiteliali esterni corticali (CTEC) procurano immigrazione di cellule pro-T dal midollo osseo, induzione linea cellulare T in multipotenti cellule pre-T e selezione positiva di auto-MHC limitati timociti immaturi. Le cellule interne midollari timiche epiteliali (mTECs) sono coinvolti nella induzione della tolleranza di questi timociti con un alta affinità TCR per complessi auto-peptide / MHC da uno inducendo selezione negativa o loro deviazione nella linea cellulare T normativo. Nel contesto di induzione della tolleranza centrale, mTECs sono unici in quanto esprimono un ampio spettro di auto-antigeni tissutali-limitato (Tras) rispecchiando così il sé periferica. Questo fenomeno è chiamato espressione genica promiscua (PGE)1,2.
La maggior parte degli studi in corso su questo tipo di cellule affascinante si basano su cellule isolate ex vivo, come i vari sistemi di coltura 2D a breve termine invariabilmente portato alla perdita di PGE e molecole regolatore chiave come MHC di classe II, FoxN1 e Aire entro i primi 2 giorni 3-6 . Rimase tuttavia poco chiaro, che particolari componenti e le caratteristiche del reticolo 3D intatto del timo mancavano in modelli 2D. La riaggregazione coltura dell'organo timica (RTOC) è stato finora l'unico sistema 3D che permette lo studio dello sviluppo delle cellule T, da una parte, e la biologia cellule stromali, d'altra parte, in un microambiente timico intatta 7. Tuttavia, RTOCs hanno alcune limitazioni, cioè, essi contengono già una miscela complessa di cellule, richiederà il contributo delle cellule stromali fetali e sopportare un periodo di coltura massima di 5 a 10 giorni.
La mancanza di riduzionista nei sistemi di coltura in vitro ha ostacolato lo studio didiversi aspetti di sviluppo delle cellule T e thymic organogenesi non ultima la regolazione molecolare di PGE e il suo rapporto con la biologia dello sviluppo di mTECs.
A causa del primo relazionalità dell'organizzazione strutturata delle cellule epiteliali della pelle e del timo, abbiamo optato per un sistema 3D cultura organotipica (OTC), che era stato sviluppato originariamente per emulare la differenziazione dei cheratinociti in vitro e creare un equivalente cutanea così. Il sistema OTC costituito da una matrice inerte scaffold sovrapposti con fibroblasti dermici che sono intrappolati in un gel di fibrina, su cui cheratinociti vengono seminate 8,9. Qui, abbiamo sostituito con cheratinociti mTECs purificati. Pur mantenendo le caratteristiche di base di questo modello, abbiamo ottimizzato alcuni parametri.
Nel modello OTC adottato mTECs proliferato, ha subito la differenziazione terminale e mantenuto l'identità MTEC e PGE, quindi mimando in vivo sviluppo mTECs 10. Questa nota tecnica fornisce un protocollo dettagliato che permette la graduale messa a punto di OTC timo.
Questo studio è stato approvato dal comitato etico del Regierungspräsidium Karlsruhe. Tutti gli animali sono stati alloggiati in condizioni esenti da organismi patogeni specifici presso il Cancer Research Center tedesco (DKFZ). Per tutti i cuccioli di esperimenti di coltura del mouse che vanno da 1 a 7 giorni di età sono stati utilizzati.
1. Isolamento di mTECs da Timo
NOTA: Le seguenti operazioni di digestione sono state eseguite come descritto in precedenza 1 in condizioni sterili con alcune modifiche come segue.
2. 3D organotipiche co-culture (OTC)
NOTA: I costrutti 3D-cutanea per la coltivazione organotipica di keratinocytes state preparate come descritto in precedenza 9,13. In tutte le fasi cellule sono state incubate a 37 ° C e 5% CO 2. I farmaci da banco che utilizzano mTECs sono stati preparati con lievi modifiche nel modo seguente.
Abbiamo adottato un organotipica co-coltura modello 3D (3D OTC) che era stato originariamente sviluppato per la cultura a lungo termine in vitro dei cheratinociti 9. MTECs MACS-arricchiti (vedi MACS arricchimento schema Figura 1) sono state seminate su un ponteggio composto da un gel di fibrina e fibroblasti intrappolati. I fibroblasti forniscono la matrice extracellulare essenziale (ECM) sostegno mTECs in vitro. MTECs sono state coltivate in OTC per 4-14 giorni, in presenza di RANKL nelle culture sommerse differenza cheratinociti, che sono dotate di aria esposte simulando il loro ambiente in vivo (vedi OTC set-up schema Figura 2).
Entrambi i sottoinsiemi MTEC analizzate qui (cioè, CD80 e CD80 lo mTECs hi) sono sopravvissuti durante l'intero periodo di coltura di fino a 14 giorni. MTECs sono stati identificati da cheratina 14 espressione e erano facilmente distinguibili da fibroblasti vimentina-positivi (Figura 3A, 3B). È interessante notare che, mTECs immature e mature cresciute in diversi modelli in coltura. Il CD80 lo mTECs tipicamente formata bi-strati (in stretto contatto con fibroblasti), mentre CD80 mTECs hi tendono a formare aggregati cellulari compatti delimitate da fibroblasti. Questi modelli sono altamente riproducibili.
I sottoinsiemi MTEC sopravvissuto non solo, ma anche proliferavano in condizioni 3D OTC come valutato dal EdU incorporazione (Figura 3C, 3D). È interessante notare che il CD80 lo mTECs proliferato a un tasso più elevato in presenza di RANKL, mentre il contrario è vero per CD80 mTECs hi 10.
Inoltre, CD80 lo mTECs differenziato in CD80 mTECs hi in presenza di RANKL entro 4 giorni di cultura, come indicato dal forte up-regolazione di CD80. I mTECs differenziati anche mantenuto l'espressione di Aire, FoxN1 (gene e protein) e promiscuamente espresso Aire-indipendente-dipendente ARM 10.
Figura 1. MACS arricchimento della TEC. Dopo il filtraggio, mTECs sono stati arricchiti dalla sospensione del timo singola cella utilizzando cellule magnetico ordinamento (MACS). In primo luogo, le linee cellulari ematopoietiche sono state esaurite con anti-CD45 Microbeads. Le CD45 - cellule sono state poi incubate con l'anticorpo anti-CD80 PE, seguita da anti-PE microsfere. L'eluato contenente CD80 + -mature mTECs era direttamente colta sul OTC, mentre il flusso continuo conteneva CD80 - mTECs immaturi e di altre cellule stromali. MTECs sono stati ulteriormente arricchiti utilizzando anticorpi e streptavidina Microbeads anti-EpCAM-bio. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Schema per la messa a punto graduale del OTC 3D. Una matrice scaffold è stata posta in un inserto filtro 12 pozzetti. I fibroblasti dermici dalla pelle espiantato (270.000 cellule / OTC pozzetto) sono stati inoculati in un gel di fibrina (comprensivo di 1: 1 tra fibrinogeno e trombina). Questi equivalenti dermici sono stati sostenuti per 4-5 giorni con DMEM + nutrienti fino mTECs (250.000 cellule / OTC bene) sono state seminate in alto e in coltura con terreno arricchito con diversi nutrienti (RFAD + sostanze nutritive).
Figura 3. modelli di crescita e proliferazione di mTECs all'interno del OTC. La arricchito CD80 lo mTECs tendono a crescere come bi-layer in stretto contatto con i fibroblasti (A), wh ereas le CD80 mTECs hi differenziate crescere come aggregati di cellule o gruppi ristretti (B). OTC sono stati etichettati il giorno 4 di cultura anti-cheratina 14 (rosso) e gli anticorpi anti-vimentina (verde) insieme con colorazione nucleare (Hoechst, blu). Per valutare la proliferazione di mTECs, i farmaci da banco sono stati impulsiva con EdU (6.7 mM / ml, cioè 10 micron / pozzetto) per 4 ore prima della cessazione delle culture. Cryo-sezioni OTC sono stati poi colorati con anti-cheratina 14 (verde), e la miscela di reazione EdU-Click-iT (magenta) con colorazione nucleare (Hoechst, blu). Immagini rappresentative raffigurante proliferanti EdU + CD80 lo mTECs (C) e EdU + CD80 mTECs hi (D) sono mostrati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Tabella 1. Confronto tra due sistemi di coltura timo 3D.
Accanto RTOCs, l'OTC 3D sono stati di gran lunga superiore in termini di differenziazione TEC e PGE manutenzione / induzione (Tabella 1) rispetto ad altri (i) 'culture 3D semplificati' utilizzando - fibroblasti da solo senza il patibolo; (Ii) i sistemi 2D utilizzando - cellule fibroblasti / alimentatore co-coltura con TEC 10, (iii) le cellule 3T3-J2 cui cloni TEC sviluppano, ma PGE è perso, (iv) matrigel o (v) componenti ECM (dati non pubblicati). PGE è stato mantenuto fino a 7 giorni nel OTC 3D, quattro giorni è il tempo-punto ottimale, successivamente, PGE comincia a declinare. Altre caratteristiche morfologiche TEC sono stati mantenuti per un massimo di 14 giorni. Curiosamente, l'OTC ha sostenuto la stadio terminale di MTEC differenziazione vista dagli Hassall-come le strutture di tanto in tanto formate 10.
Il thymi utilizzato per OTC sono stati ottenuti da topi giovani post-natale in quanto hanno una maggiore propensione a sopravvivere in coltura rispetto al thymi adulto. TEC derivato from embrionale thymi non sono ancora stati testati in OTC. Più così, dopo il periodo di digestione lunga (se non utilizzano tripsina causa della scissione di alcuni epitopi) le cellule apparivano più praticabile con MACS piuttosto che le cellule di ordinamento FACS. Utilizzando un protocollo arricchimento positiva in due fasi su colonne MACS (sfere anti-PE) di CD80 + mTECs ulteriormente migliorata TEC purezza.
Per la configurazione OTC, è essenziale fare in modo che la viscosa, materiale fibroso non tessuto viene tagliato in nitide, circoli ben delimitate senza frammenti sciolti o seghettato estremità come sopra indicato che proprio adattarsi in 12 inserti ben cultura-. In alternativa, possono essere utilizzati anche come scaffold BEMCOT- viscosa spazzola M-3 (http://www.bemliese.com). La dimensione bene per la OTC è anche fondamentale e dovrebbe essere testato, se devono essere utilizzati formati lastra diversi formati 6 pozzetti e 12 pozzetti.
Il gel di fibrina dovrebbe essere preparato in modo tale che i componenti fibrinogeno e trombina non entrino in contatt con l'altro prima di essere messo sul OTC, assicuratevi di scambiare la punta della pipetta. Miscelare accuratamente i due componenti nella piastra sul ponteggio per formare una superficie superiore liscia. Sempre preparare un gel di prova a fianco in un bene senza scaffold per verificare la corretta formazione di coaguli e di avere una buona stima del tempo necessario per la coagulazione. Assicurarsi che il gel di fibrina nella OTC ha completamente rappreso prima di fornire le culture con i media.
Alla cessazione delle culture i mTECs seminati possono essere facilmente recuperate mediante digestione enzimatica (collagenasi / dispasi) del gel di fibrina, che può essere utilizzato per la caratterizzazione di mTECs coltivate ad esempio, mediante citometria di flusso o PCR.
I farmaci da banco 3D qui descritte ha il potenziale per studiare o manipolare diversi parametri TEC cioè: 1) per studiare e / o manipolare (via siRNA, oligo morfolino) percorsi di sviluppo e le funzioni di mTECs; 2) per studiare il ruolo di mTECs a cellule T svilupparemento; 3) CTEC cultura; 4) per testare le potenzialità delle cellule staminali progenitrici timiche derivati; 5) alla cultura TEC umani e cellule staminali; 6) per eseguire singole TEC saggi clonali. L'OTC 3D rappresentano una tecnica cultura elaborata emulando parte in vivo del timo microambiente. Va sottolineato che eventuali test supplementari applicate alla TEC nella configurazione attuale OTC dovranno essere accuratamente testati e ottimizzati separatamente.
Gli autori dichiarano assenza di conflitto finanziaria o commerciale di interesse.
This work has been supported by the German Cancer Research Center (DKFZ), the EU-consortium “Tolerage”, the Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 938) and the Landesstiftung Baden-Württemberg.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Pregnant C57BL/6 mice | Charles River WIGA | ||
LS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
MS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
CD45 Microbeads, mouse | Miltenyi Biotec | 130-052-301 | |
Anti-PE Microbeads | Miltenyi Biotec | 130-048-801 | |
Streptavidin Microbeads | Miltenyi Biotec | 130-048-101 | |
EpCAM (G8.8 -Alexa 647 and -biotin) | Ref. 12 | ||
CD80-PE antibody | BD Pharmingen | 553769 | |
CD45-PerCP antibody | BD Pharmingen | 557235 | |
Ly51-FITC antibody | BD Pharmingen | 553160 | |
CDR1-Pacific Blue | Ref. 15 | ||
Keratin 14 antibody | Covance | PRB-155P | |
Vimentin antibody | Progen | GP58 | |
Cy3-conjugated AffiniPure Goat anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 111-165-003 | |
Alexa 488-conjugated AffiniPure F(ab')2 Fragment Goat anti-Guinea Pig IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 106-546-003 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Molecular Probes (Invitrogen GmbH) | A-11008 | |
Click-iT EdU Alexa Fluor 594 Imaging Kit | Invitrogen | C10339 | |
Click-iT EdU Alexa Fluor 488 Flow Cytometry Assay Kit | Invitrogen | C10425 | |
12-well filter inserts (thincerts) | Greiner bio-one | 657631 | |
12-well plate | Greiner | 665180-01 | |
Jettex 2005/45 | ORSA, Giorla Minore, Italy | ||
Fibrinogen TISSUECOL-Kit Immuno | Baxter | ||
Thrombin TISSUECOL-Kit Immuno | Baxter | ||
PBS | Serva | 47302.03 | |
DMEM | Lonza | BE12-604F | |
DMEM/F12 | Lonza | BE12-719F | |
HEPES | Gibco | 15630-049 | |
FBS Gold | GE Healthcare | A11-151 | |
Aprotinin (Trasylol) | Bayer | 4032037 | |
Cholera toxin | Biomol | G117 | |
Hydrocortisone | Seromed (Biochrom) | K3520 | |
L-ascorbic acid | Sigma | A4034 | |
TGF-ß1 | Invitrogen | PHG9214 | |
RANKL | R&D systems | 462-TR-010 | |
Thermolysin | Sigma Aldrich | T-7902 | |
OCT Compound | TissueTek | 4583 | |
Trizol (aka. Denaturing solution - Acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction) | Invitrogen | 10296028 | |
FastPrep FP120 | Thermo Scientific | ||
Collagenase Type IV | CellSystems | LS004189 | 0.2 mg/ml and 57U/ml final conc. |
Neutrale Protease (Dispase) | CellSystems | LS002104 | 0.2 mg/ml and 1.2U/ml final conc. |
DNase I | Roche | 11 284 932 001 | 25 µg/ml final conc. |
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