Method Article
Aqui descrevemos um protocolo para gerar organoides renais a partir de células-tronco pluripotentes humanas (hPSCs). Este protocolo gera organoides renais dentro de duas semanas. Os organoides renais resultantes podem ser cultivados em frascos rotadores em larga escala ou placas de agitação magnética multi-bem para abordagens paralelas de teste de drogas.
Organoides renais gerados a partir de hPSCs forneceram uma fonte ilimitada de tecido renal. Os organoides renais humanos são uma ferramenta inestimável para estudar doenças e lesões renais, desenvolver terapias baseadas em células e testar novas terapêuticas. Para tais aplicações, um grande número de organoides uniformes e ensaios altamente reprodutíveis são necessários. Nós construímos nosso protocolo organoide renal publicado anteriormente para melhorar a saúde geral dos organoides. Este protocolo 3D simples e robusto envolve a formação de corpos embrióides uniformes em meio de componente mínimo contendo lipídios, suplemento de insulina-transferrina-selênio-etanolamina e álcool polivinyl com inibidor GSK3 (CHIR99021) por 3 dias, seguido pela cultura em meio contendo soro de reposição de soro de knock-out (KOSR). Além disso, ensaios agitados permitem a redução da aglomeração dos corpos embrionários e a manutenção de um tamanho uniforme, importante para reduzir a variabilidade entre organoides. No geral, o protocolo fornece um método rápido, eficiente e econômico para gerar grandes quantidades de organoides renais.
Nos últimos anos, uma série de protocolos para diferenciar células-tronco pluripotentes humanas em organoides renais foram desenvolvidos 1,2,3,4,5. Os organoides renais forneceram uma importante ferramenta para auxiliar a pesquisa em novas abordagens de medicina regenerativa, doenças relacionadas ao rim, realizar estudos de toxicidade e desenvolvimento de medicamentos terapêuticos. Apesar de sua ampla aplicabilidade, os organoides renais têm limitações como falta de maturação, capacidade de cultura limitada a longo prazo in vitro e uma escassez de vários tipos de células encontrados no rim humano 6,7,8. Trabalhos recentes têm focado na melhoria do nível de maturação organoide, ampliando os períodos culturais e ampliando a complexidade das populações de células renais, modificando os protocolos existentes 9,10,11,12. Nesta atual iteração do nosso protocolo estabelecido 5,13, modificamos os componentes médios na primeira etapa do protocolo para uma base sem soro complementada com insulina-transferrina-selênio-etanolamina (ITSE), lipídios, álcool polivinyl (E5-ILP) e CHIR99021 (Figura 1). Essas mudanças fornecem um meio de baixa proteína totalmente definido, sem soro, com menos componentes do que a nossa composição média anterior 5,13 e sem fatores adicionais de crescimento. Como resultado, o meio da primeira etapa é menos trabalhoso para preparar do que a nossa versão anteriormente publicada, e pode reduzir a variabilidade em lote paralote 5. Estudos anteriores mostraram que tanto a insulina quanto a transferrina são importantes na cultura livre de soro14,15, no entanto, altos níveis de insulina podem ser inibidores para a diferenciação de mesoderm16. Mantivemos os baixos níveis de insulina conforme previsto no protocolo original, e reduzimos ainda mais os níveis de KOSR (contendo insulina) no segundo estágio do ensaio. De acordo com outros protocolos para formação organoide renal, níveis mais baixos de KOSR são benéficos para manter um equilíbrio entre a proliferação e a diferenciação do tecido renal17. Além disso, reduzimos a concentração de glicose em nosso estágio II médio13.
Nosso método descreve uma configuração para ensaio de suspensão de organoides renais, produzindo até ~1.000 organoides de uma placa de cultura hPSC 100 mm confluente inicial de ~60% conforme descrito na publicação original 5,13. Este protocolo pode ser facilmente dimensionado até começar com várias placas de 100 mm ou 150 mm para aumentar ainda mais o número de organoides.
Todos os experimentos utilizando hPSCs foram realizados em conformidade com as diretrizes institucionais, e foram realizados em uma capa de biossegurança classe II com equipamentos de proteção individual adequados. Todos os reagentes são de grau de cultura celular, a menos que seja dito o contrário. Todas as culturas são incubadas a 37 °C, 5% de atmosfera de ar CO2 . Em todas as etapas do ensaio, corpos embrionários ou organoides renais podem ser coletados e fixados ou preparados para análise. As linhas hPSC utilizadas para gerar esses dados foram totalmente caracterizadas e publicadas18.
1. Preparando placas de cultura
NOTA: Aproximadamente 1 h antes de dividir hPSCs, casaco 2 x 100 mm placas de cultura tecidual com um extrato de matriz de membrana de porão qualificado por célula-tronco (BME). Pode-se pré-revestir as placas, selá-las com um filme de parafina e armazenar a 4 °C de acordo com as instruções dos fabricantes.
2. Passaging hPSCs
NOTA: Para a cultura de rotina do HPSC, as linhas de células de passagem a 70-80% de confluência.
3. Dia 0 - Configuração do ensaio organoide renal
4. Dia 2 - Alimentação por meio-médio
NOTA: Dentro das 48 horas, aglomerados de colônias formarão corpos embrionários.
5. Dia 3 - Transferência de corpos embrionários para o estágio II médio
6. Transferir para frasco de rotador e alimentação
NOTA: Um frasco rotador pode ser usado a qualquer momento a partir do dia 3 para experimentos que requerem um grande número de organoides. A transferência de rotina de organoides acontece em nosso laboratório entre os dias 6 e 8. Consulte a seção Discussão para obter alternativas se o equipamento não estiver disponível.
7. Configuração de placa de agitação magnética de 6 poços (6MSP)
NOTA: O formato 6MSP pode ser usado no lugar de frascos rotadores se várias condições precisarem ser testadas. Use o 6MSP para tratamentos compostos ou nefrotoxinas. Isso economiza a quantidade de meio utilizado no segundo estágio, mantendo a disponibilidade de nutrientes através da difusão.
Nesta versão mais recente do nosso protocolo, a diferenciação organoide renal é iniciada em um meio de proteína definido e baixo. Os ensaios são realizados inteiramente em suspensão e contam com a capacidade inata de diferenciação e organização dos HPSCs para o início da tubulogênese. Um único ensaio originário de uma placa de cultura hPSC de 100 mm ~60% confluente produz rotineiramente 500-1.000 organoides renais, como mostrado em nossa publicação anterior5. Devido a um número tão alto de organoides gerados, este protocolo é adequado para testes compostos. Nós usamos rotineiramente um formato de 6 poços para testes compostos, no entanto, este protocolo pode ser facilmente dimensionado no segundo estágio (dia 3 em diante) para outros formatos multi-poço para testes compostos de maior rendimento. A imunofluorescência das seções de parafina mostra presença de segmentos de nefrão nos organoides, ou seja, túbulos renais expressando Hepatocitos Nuclear Factor-1 beta (HNF1B) e Lotus Tetragonolobus Lectin (LTL) (Figura 3A - HNF1B, LTL), e aglomerados podocyte expressando V-maf Musculoaponeurotic Fibrosarcoma oncogene homólogo B (MAFB) e nephrin (NPHS1) (Figura 3A - MAFB, Figura 3B - NPHS1). Além disso, as modificações neste protocolo podem apoiar a expansão das células endoteliais, como visto na Figura 3B mostrando coloração com plaqueta e molécula de adesão celular endotelial 1 (PECAM1) no dia 26 da cultura.
Reagente | Conc estoque. | Trabalhando conc. | Quantidade por 250 mL |
TeSR-E5 | n/a | n/a | 238,48 mL |
PVA | 10% | 0.25% | 6,25 mL |
Pen-Strep | 100x | 1x | 2,5 mL |
ITSE | 100x | 0,1x | 250 μL |
Lipídios quimicamente definidos | 100x | 1x | 2,5 mL |
Plasmocina | 25 mg/mL | 2,5 μg/mL | 25 μL |
Tabela 1: Composição média E5-ILP. Pipeta todos os reagentes, exceto os lipídios quimicamente definidos e reagente anti-mycoplasma diretamente na câmara superior de uma unidade de filtragem Stericup de 0,22 μm. Após a filtragem, adicione os lipídios e o reagente anti-mycoplasma. Armazene a 4 °C por até duas semanas.
Reagente | Conc estoque. | Trabalhando conc. | Quantidade por 500 mL |
DMEM (Baixa Glicose) | n/a | n/a | 417,5 mL |
RIO KOSR | n/a | 10% | 50 mL |
PVA | 10% | 0.25% | 12,5 mL |
Pen-Strep | 100x | 1x | 5 mL |
MEM-NEAA | 100x | 1x | 5 mL |
GlutaMAX | 100x | 1x | 5 mL |
HEPES | 100x | 1x | 5 mL |
Plasmocina | 25 mg/mL | 2,5 μg/mL | 50 μL |
Tabela 2: Composição média do estágio II. Pipeta todos os reagentes exceto e reagente anti-mycoplasma diretamente na câmara superior de uma unidade de filtragem stericup de 0,22 μm. Uma vez filtrado, adicione reagente anti-mycoplasma. Armazene a 4 °C por até duas semanas.
Figura 1: Visão geral do protocolo. Visão geral esquemática do protocolo mostrando o tempo dos dois estágios e o uso de frascos rotadores e 6MSP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Etapas do protocolo. (A) Imagem de campo brilhante da colônia hPSC tratada com GCDR. (B) Confluência ideal e tamanho da colônia para iniciar um ensaio organoide renal. (C) hPSCs tratados com despase por 6 minutos. Flechas vermelhas apontam para bordas das colônias enroladas. (D) Ensaios organoides em um agitador orbital. (E) Uso de coador de células de 200 μm para peneirar grandes corpos embrionários. (F) Corpos embrionários no dia 3 (D3) antes de transferir para o estágio II médio. (G) O surgimento da formação de túbulos pode ser observado no dia 8 (D8) e (H) ponto de tempo ideal para colheita e tratamento organoide no dia 14 (D14). (I) Frasco rotador usado para cultura a granel em uma placa magnética de várias posições. (J) Ensaio em uma placa de mexida magnética multi-bem. Barras de escala, 200 μm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Resultados esperados. (A) Imagens confocal representativas de seções de parafina do dia 14 organoides renais mostrando coloração positiva para epitélia de túbulo (HNF1B e LTL) e aglomerados de podocyte (MAFB). (B) Dia 26 seções organoides renais rotuladas para aglomerados de podocito (NPHS1) e células endoteliais (PECAM1). Barras de escala, 100 μm (A); 200 μm (B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Estudos anteriores mostraram que as etapas iniciais do protocolo são fundamentais para a diferenciação intermediária do mesoderm 5,19,20 e, portanto, é essencial implementar uma rigorosa composição média nesta fase. Remover componentes indefinidos como soro, albumina, híbridomoico livre de proteínas II do primeiro estágio do protocolo pode ajudar a melhorar a eficiência de diferenciação consistente entre os ensaios21.
O estado metabólico das células renais é fundamental para sua função, e alterações de glicose podem levar ao estado metabólico alterado22. Estudos anteriores descreveram que altos níveis de glicose (até 25 mM) podem induzir disfunção celular endotelial e alterar o crescimento e a capacidade oxidante das células renais 22,23,24. Altos níveis de glicose também foram descritos para alterar a função mitocondrial24, que pode ser desfavorável ao investigar doenças renais e nefrotoxicidade ou realizar a descoberta de medicamentos usando organoides renais. Reduzimos, portanto, o nível de glicose em nosso protocolo para promover um estado metabólico mais in vivo das células renais organoides. Como resultado, as modificações no ensaio organoide renal fornecem um protocolo consistente e robusto, mantendo sua simplicidade.
Os organoides renais são imaturos, e a cultura estendida (>20 dias) pode levar à incidência de tipos de células pró-fibrosas e não renais como descrito anteriormente 5,25, deixando os organoides menos representativos do tecido renal humano saudável. Com base em nossa experiência, a janela de tratamento ideal, onde os organoides renais estão mais saudáveis é entre os dias 14 e 18. O uso de frascos rotadores e agitadores magnéticos multi-poços como descrito acima aumentará a disponibilidade uniforme de nutrientes em oposição à cultura estática21,26. Se o equipamento para cultura de suspensão, como o agitador ou os agitadores magnéticos, este protocolo ainda pode ser realizado completamente nas placas de fixação ultra-baixas na cultura estática. Pode, no entanto, aumentar a incidência de corpos embrióides/fusão organoide, levando a grandes espécimes com núcleos necrosados devido à hipóxia. Quaisquer organoides maiores que 500 μm podem ser removidos usando os filtros celulares descritos. Para reduzir a chance de fusão dos organoides nesses casos, sugerimos não semear mais de 100 organoides por 6-well. Além disso, após a alimentação, os organoides devem ser distribuídos uniformemente realizando a figura oito movimentos com a placa.
Pode-se observar baixa eficiência (<50%) da formação organoide. Isso geralmente ocorre quando as culturas hPSC atingiram alta confluência (>80%) durante a passagem padrão. É fundamental que a manutenção do HPSC seja consistente e as células não sejam deixadas para se tornarem super-confluentes. A alta confluência e a técnica de passagem inconsistente também podem levar à diferenciação espontânea e ao aumento da morte celular. Se a diferenciação estiver presente na cultura hPSC, recomendamos a remoção das áreas diferenciadas aspirando com uma ponta de pipeta fina se não exceder 5% da população celular, antes de iniciar o ensaio. Se as áreas de diferenciação excederem 5%, recomendamos que um novo lote de hPSCs seja descongelado e dividido pelo menos uma vez antes de iniciar um novo ensaio.
Observamos que algumas linhas de hPSC são mais propensas a formar tipos de células não renais, como tecido cardíaco ou neural. Se isso ocorrer, a filtragem de tamanho usando os filtros celulares pode ajudar a remover os organoides que contêm crescimentos não-renais. Alternativamente, a alteração do meio e/ou matriz do HPSC pode ajudar a reduzir os crescimentos não renais. A partir de nossa experiência, as mídias alternativas hPSC contendo componentes mínimos, e BME, como a vitronectina, fornecem um nicho pluripotente mais rigoroso e, assim, ajudam a gerar culturas hPSC mais homogêneas.
Os autores não têm nada a revelar.
Esta pesquisa foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde R01 DK069403, UC2 DK126122 e P30-DK079307 e asan Foundation for Kidney Research Ben J. Lipps Research Fellowship Program to AP.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-Mercaptoethanol | Thermo Fisher | 21-985-023 | |
Anti-adherence rinsing solution | STEMCELL Technologies | 7010 | |
CHIR99021 | STEMCELL Technologies | 72054 | 10 mM stock in DMSO |
Corning disposable spinner flasks | Fisher Scientific | 07-201-152 | |
Corning Ultra-Low Attachment 6-well plates | Fisher Scientific | 07-200-601 | |
Corning Slow-Speed Stirrers | Fisher Scientific | 11-495-03 | Multi plate magnetic stirrer for spinner flask culture |
Dispase | STEMCELL Technologies | 7923 | Aliquot and freeze |
DMEM, low glucose, pyruvate, no glutamine, no phenol red | Thermo Fisher | 11054020 | |
DPBS 1x, no calcium, no magnesium | Thermo Fisher | 14-190-250 | |
Egg / Oval Stirring Bars | 2mag | PI20106 | |
Excelta General-Purpose Tweezers | Fisher Scientific | 17-456-103 | Keep sterile in the cell culture hood |
EZBio Single Use Media Bottle, 250mL | Foxx Life Sciences | 138-3211-FLS | Used to make PVA 10% |
Falcon Standard Tissue Culture Dishes (100 mm) | Thermo Fisher | 08-772E | |
Fisherbrand Sterile Aspirating Pipet 2mL | Fisher Scientific | 14-955-135 | |
Fisherbrand Cell Lifters - Cell lifter | Fisher Scientific | 08-100-240 | |
Fisherbrand Multi Function 3D Rotators | Fisher Scientific | 88-861-047 | Orbital shaker |
Geltrex LDEV-Free Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Thermo Fisher | A1413302 | BME. Aliquot on ice and freeze. Another suitable matrix alternative is Matrigel or Cultrex. |
Gentle Cell Dissociation Reagent | STEMCELL Technologies | 7174 | GCDR |
GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher | 35-050-061 | L-glutamine supplement. |
HEPES (1M) | Thermo Fisher | 15-630-080 | |
Insulin-Transferrin-Selenium-Ethanolamine | Thermo Fisher | 51-500-056 | ITSE |
KnockOut Serum Replacement - Multi-Species | Thermo Fisher | A3181502 | KOSR. Aliquot and freeze |
Lipid Mixture 1, Chemically Defined | Millipore-Sigma | L0288-100ML | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution | Thermo Fisher | 11140-050 | |
MilliporeSigma Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration System 500mL | Fisher Scientific | S2GPU05RE | |
MilliporeSigma Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration System 250mL | Fisher Scientific | S2GPU02RE | |
MIXcontrol MTP / Variomag TELEcontrol MTP Control Unit | 2mag | VMF 90250 U | |
MIXdrive 6 MTP / Variomag TELEdrive 6 MTP Microplate Stirring Drive | 2mag | VMF 40600 | 6MSP |
MP Biomedicals 7X Cleaning Solution | Fisher Scientific | MP0976670A4 | Tissue culture suitable detergent. Make a 5% solution in water |
mTeSR1 | STEMCELL Technologies | 85850 | hPSC medium.TeSR-E8, NutriStem XF, and mTeSR Plus medium have also been tested and are suitable alternatives. |
Nunc 50 mL Conical, Sterile Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 12-565-270 | |
Nunc 15mL Conical Sterile Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 12-565-268 | |
Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15-140-122 | Aliquot and freeze |
Plasmocin | Invivogen | ant-mpt | Anti-mycoplasma reagent. Aliquot and freeze |
pluriStrainer® 200 µm | Fisher Scientific | NC0776417 | Cell strainer |
pluriStrainer® 500 µm | Fisher Scientific | NC0822591 | Cell strainer |
Poly(vinyl alcohol) 87-90% hydrolyzed (PVA) | Millipore-Sigma | P8136-250G | 10% in DPBS stirring at 98 degrees C until disolves, make in 138-3211-FLS |
ROCK inhibitor Y-27632 (ROCKi) | STEMCELL Technologies | 72304 | 10 mM stock in DPBS |
Sterile Disposable Serological Pipets - 10mL | Fisher Scientific | 13-678-11E | |
Sterile Disposable Serological Pipets - 25mL | Fisher Scientific | 13-678-11 | |
Sterile Disposable Serological pipette - 5 mL | Fisher Scientific | 13-678-12D | |
TeSR-E5 | STEMCELL Technologies | 5916 | Serum-free, low protein base medium for E5-ILP |
Variomag distriBOX 2 Distributor | 2mag | VMF 90512 | If you use more than one MIXdrive |
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE
Solicitar PermissãoThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados