БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 3, с. 448–456

УДК 576.535

«Голь на выдумки хитра», или дешевый, надежный и воспроизводимый способ получения органоидов

© 2019 А.В. Еремеев *, Е.А. Воловиков, Л.Д. Шувалова, А.В. Давиденко, Е.А. Хомякова, М.Е. Богомякова, О.С. Лебедева, О.А. Зубкова, М.А. Лагарькова *

Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА России, 119435 Москва, Россия, электронная почта: lagar@rcpcm.org, art-eremeev@yandex.ru

Поступила в редакцию 05.11.2018
После доработки 07.12.2018
Принята к публикации 07.12.2018

DOI: 10.1134/S032097251903014X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: дифференцировка, культура клеток, эмбриональные стволовые клетки, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, органоиды, биореактор.

Аннотация

Органоиды представляют собой трехмерные (3D) культуры клеток, которые повторяют некоторые из ключевых особенностей морфологии, пространственной архитектуры и функций определенного органа. Органоиды можно получать и из региональных, и из плюрипотентных стволовых клеток (ПСК), а также создавать сложные органоиды, комбинируя разные типы клеток, в т.ч. дифференцированных. Способность производных ПСК к самоорганизации в органотипические структуры, содержащие несколько специфичных для того или иного органа клеточных подтипов, была использована для создания органоидов мозга, глаза, почки, кишечника и других органов. Несмотря на преимущества использования ПСК для получения органоидов, существенным недостатком, мешающим их широкому применению, до сих пор являлся низкий выход при их получении из монослойной культуры ПСК, большая вариация по размерам, что приводило к большой гетерогенности при дальнейшей дифференцировке. В этой статье мы описали собственный протокол получения стандартизованных органоидов с акцентом на метод получения органоидов мозга, который позволяет масштабировать и значительно удешевить и упростить их культивирование.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 14-15-00930).

Благодарности

Авторы благодарны н.с. Д.В. Басманову (ФГБУ ФНКЦ ФХМ ФМБА России) за обсуждение результатов при подготовке рукописи к печати.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с использованием людей и животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Lancaster, M.A., Renner, M., Martin, C.A., Wenzel, D., Bicknell, L.S., Hurles, M.E., Homfray, T., Penninger, J.M., Jackson, A.P., and Knoblich, J.A. (2013) Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, Nature, 501, 373–379, doi: 10.1038/nature12517.

2. Lancaster, M.A., and Knoblich, J.A. (2014) Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies, Science, 345, 124–125, doi: 10.1126/science.1247125.

3. Pasca, A.M., Sloan, S.A., Clarke, L.E., Tian, Y., Makinson, C.D., Huber, N., Kim, C.H., Park, J.Y., O’Rourke, N.A., Nguyen, K.D., Smith, S.J., Huguenard, J.R., Geschwind, D.H., Barres, B.A., and Pasca, S.P. (2015) Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture, Nat. Methods, 12, 671–678, doi: 10.1038/nmeth.3415.

4. Kadoshima, T., Sakaguchi, H., Nakano, T., Soen, M., Ando, S., Eiraku, M., and Sasai, Y. (2013) Self-organization of axial polarity, inside-out layer pattern, and species-specific progenitor dynamics in human ES cell-derived neocortex, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 20284–20289, doi: 10.1073/pnas.1315710110.

5. Renner, M., Lancaster, M.A., Bian, S., Choi, H., Ku, T., Peer, A., Chung, K., and Knoblich, J.A. (2017) Self-organized developmental patterning and differentiation in cerebral organoids, EMBO J., 36, 1316–1329, doi: 10.15252/embj.201694700.

6. Sato, T., Vries, R.G., Snippert, H.J., Wetering, M., Barker, N., Stange, D.E., Es, J.H., Abo, A., Kujala, P., Peters, P.J., and Clevers, H. (2009) Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche, Nature, 459, 262–265, doi: 10.1038/nature07935.

7. Wells, J.M., and Spence, J.R. (2014) How to make an intestine, Development, 141, 752–760, doi: 10.1242/dev.097386.

8. Spence, J.R., Mayhew, C.N., Rankin, S.A., Kuhar, M.F., Vallance, J.E., Tolle, K., Hoskins, E.E., Kalinichenko, V.V., Wells, S.I., Zorn, A.M., Shroyer, N.F., and Wells, J.M. (2011) Directed differentiation of human pluripotent stem cells into intestinal tissue in vitro, Nature, 470, 105–109, doi: 10.1038/nature09691.

9. Takasato, M., Er, P.X., Chiu, H.S., Maier, B., Baillie, G.J., Ferguson, C., Parton, R.G., Wolvetang, E.J., Roost, M.S., Chuva de Sousa Lopes, S.M., and Little, M.H. (2015) Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis, Nature, 526, 564–568, doi: 10.1038/nature15695.

10. Takasato, M., Er, P.X., Becroft, M., Vanslambrouck, J.M., Stanley, E.G., Elefanty, A.G., and Little M.H. (2014) Directing human embryonic stem cell differentiation towards a renal lineage generates a self-organizing kidney, Nat. Cell Biol., 16, 118–26, doi: 10.1038/ncb2894.

11. Nakano, T., Ando, S., Takata, N., Kawada, M., Muguruma, K., Sekiguchi, K., Saito, K., Yonemura, S., Eiraku, M., and Sasai, Y. (2012) Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs, Cell Stem Cell, 10, 771–785, doi: 10.1016/j.stem.2012.05.009.

12. Eiraku, M., Takata, N., Ishibashi, H., Kawada, M., Sakakura, E., Okuda, S., Sekiguchi, K., Adachi, T., and Sasai, Y. (2011) Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture, Nature, 472, 51–56, doi: 10.1038/nature09941.

13. Quadrato, G., Nguyen, T., Macosko, E.Z., Sherwood, J.L., Min Yang, S., Berger, D.R., Maria, N., Scholvin, J., Goldman, M., Kinney, J.P., Boyden, E.S., Lichtman, J.W., Williams, Z.M., McCarroll, S.A., and Arlotta, P. (2017) Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids, Nature, 545, 48–53, doi: 10.1038/nature22047.

14. Huch, M., Gehart, H., van Boxtel, R., Hamer, K., Blokzijl, F., Verstegen, M.M., Ellis, E., van Wenum, M., Fuchs, S.A., de Ligt, J., van de Wetering, M., Sasaki, N., Boers, S.J., Kemperman, H., de Jonge, J., Ijzermans, J.N., Nieuwenhuis, E.E., Hoekstra, R., Strom, S., Vries, R.R., van der Laan, L.J., Cuppen, E., and Clevers, H. (2015) Long-term culture of genome-stable bipotent stem cells from adult human liver, Cell, 160, 299–312, doi: 10.1016/j.cell.2014.11.050.

15. Takebe, T., Sekine, K., Enomura, M., Koike, H., Kimura, M., Ogaeri, T., Zhang, R.R., Ueno, Y., Zheng, Y.W., Koike, N., Aoyama, S., Adachi, Y., and Taniguchi, H. (2013) Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant, Nature, 499, 481–484, doi: 10.1038/nature12271.

16. Giandomenico, S.L., and Lancaster, M.A. (2017) Probing human brain evolution and development in organoids, Curr. Opin. Cell Biol., 44, 36–43, doi: 10.1016/j.ceb.2017.01.001.

17. Conforti, P., Besusso, D., Bocchi, V.D., Faedo, A., Cesana, E., Rossetti, G., Ranzani, V., Svendsen, C.N., Thompson, L.M., Toselli, M., Biella, G., Pagani, M., and Cattaneo, E. (2018) Faulty neuronal determination and cell polarization are reverted by modulating HD early phenotypes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115, E762–E771, doi: 10.1073/pnas.1715865115.

18. Lebedeva, O.S., and Lagarkova, M.A. (2018) Pluripotent stem cells for modelling and cell therapy of Parkinson’s disease, Biochemistry (Moscow), 83, 1046–1056, doi: 10.1134/S0006297918090067.

19. Clevers, H. (2016) Modeling development and disease with organoids, Cell, 165, 1586–97, doi: 10.1016/j.cell.2016.05.082.

20. Dang, J., Tiwari, S.K., Lichinchi, G., Qin, Y., Patil, V.S., Eroshkin, A.M., and Rana, T.M. (2016) Zika virus depletes neural progenitors in human cerebral organoids through activation of the innate immune receptor TLR3, Cell Stem Cell, 19, 258–265, doi: 10.1016/j.stem.2016.04.014.

21. Chen, K.G., Mallon, B.S., Park, K., Robey, P.G., McKay, R.D.G., Gottesman, M.M., and Zheng, W. (2018) Pluripotent stem cell platforms for drug discovery, Trends Mol. Med., 24, 805–820, doi: 10.1016/j.molmed.2018.06.009.

22. Qian, X., Nguyen, H.N., Jacob, F., Song, H., and Ming, G.L. (2017) Using brain organoids to understand Zika virus-induced microcephaly, Development, 144, 952–957, doi: 10.1242/dev.140707.

23. Kelava, I., and Lancaster, M.A. (2016) Stem cell models of human brain development, Cell Stem Cell, 18, 736–748, doi: 10.1016/j.stem.2016.05.022.

24. Di Lullo, E., and Kriegstein, A.R. (2017) The use of brain organoids to investigate neural development and disease, Nat. Rev. Neurosci., 18, 573–584, doi: 10.1038/nrn.2017.107.

25. Camp, J.G., Badsha, F., Florio, M., Kanton, S., Gerber, T., Wilsch-Brauninger, M., Lewitus, E., Sykes, A., Hevers, W., Lancaster, M., Knoblich, J.A., Lachmann, R., Paabo, S., Huttner, W.B., and Treutlein, B. (2015) Human cerebral organoids recapitulate gene expression programs of fetal neocortex development, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 15672–15677, doi: 10.1073/pnas.1520760112.

26. Xiang, Y., Tanaka, Y., Patterson, B., Kang, Y.J., Govindaiah, G., Roselaar, N., Cakir, B., Kim, K.Y., Lombroso, A.P., Hwang, S.M., Zhong, M., Stanley, E.G., Elefanty, A.G., Naegele, J.R., Lee, S.H., Weissman, S.M., hPSC-derived organoids models human brain development and interneuron migration, Cell Stem Cell, 21, 383–398, doi: 10.1016/j.stem.2017.07.007.

27. Muguruma, K., Nishiyama, A., Kawakami, H., Hashimoto, K., and Sasai, Y. (2015) Self-organization of polarized cerebellar tissue in 3D culture of human pluripotent stem cells, Cell Rep., 10, 537–550, doi: 10.1016/j.celrep.2014.12.051.

28. Jo, J., Xiao, Y., Sun, A.X., Cukuroglu, E., Tran, H.D., Goke, J., Tan, Z.Y., Saw, T.Y., Tan, C.P., Lokman, H., Lee, Y., Kim, D., Ko, H.S., Kim, S.O., Park, J.H., Cho, N.J., Hyde, T.M., Kleinman, J.E., Shin, J.H., Weinberger, D.R., Tan, E.K., Je, H.S., and Ng, H.H. (2016) Midbrain-like organoids from human pluripotent stem cells contain functional dopaminergic and neuromelanin-producing neurons, Cell Stem Cell, 19, 248–257, doi: 10.1016/j.stem.2016.07.005.

29. Qian, X., Nguyen, H.N., Song, M.M., Hadiono, C., Ogden, S.C., Hammack, C., Yao, B., Hamersky, G.R., Jacob, F., Zhong, C., Yoon, K.J., Jeang, W., Lin, L., Li, Y., Thakor, J., Berg, D.A., Zhang, C., Kang, E., Chickering, M., Nauen, D., Ho, C.Y., Wen, Z., Christian, K.M., Shi, P.Y., Maher, B.J., Wu, H., Jin, P., Tang, H., Song, H., and Ming, G.L. (2016) Brain-region-specific organoids using mini-bioreactors for modeling ZIKV exposure, Cell, 165, 1238–1254, doi: 10.1016/j.cell.2016.04.032.

30. Qian, X., Jacob, F., Song, M.M., Nguyen, H.N., Song, H., and Ming, G.L. (2018) Generation of human brain region-specific organoids using a miniaturized spinning bioreactor, Nat. Protoc., 13, 565–580, doi: 10.1038/nprot.2017.152.

31. Sakaguchi, H., Kadoshima, T., Soen, M., Narii, N., Ishida, Y., Ohgushi, M., Takahashi, J., Eiraku, M., and Sasai, Y. (2015) Generation of functional hippocampal neurons from self-organizing human embryonic stem cell-derived dorsomedial telencephalic tissue, Nat. Commun., 6, 8896, doi: 10.1038/ncomms9896.

32. Nasr, B., Chatterton, R., Yong, J.H.M., Jamshidi, P., D’Abaco, G.M., Bjorksten, A.R., Kavehei, O., Chana, G., Dottori, M., and Skafidas, E. (2018) Self-organized nanostructure modified microelectrode for sensitive electrochemical glutamate detection in stem cells-derived brain organoids, Biosensors (Basel), 8, E14, doi: 10.3390/bios8010014.

33. Yakoub, A.M., and Sadek, M. (2018) Development and characterization of human cerebral organoids: an optimized protocol, Cell Transplant., 27, 393–406, doi: 10.1177/0963689717752946.

34. Krefft, O., Jabali, A., Iefremova, V., Koch, P., and Ladewig, J. (2018) Generation of standardized and reproducible forebrain-type cerebral organoids from human induced pluripotent stem cells, J. Vis. Exp., 131, 56768–56776, doi: 10.3791/56768.

35. Zweigerdt, R., Olmer, R., Singh, H., Haverich, A., and Martin, U. (2011) Scalable expansion of human pluripotent stem cells in suspension culture, Nat. Protoc., 6, 689–700, doi: 10.1038/nprot.2011.318.

36. Eldred, M.K., Charlton-Perkins, M., Muresan, L., and Harris, W.A. (2017) Self-organising aggregates of zebrafish retinal cells for investigating mechanisms of neural lamination, Development, 144, 1097–1106, doi: 10.1242/dev.142760.

37. Raja, W.K., Mungenast, A.E., Lin, Y.T., Ko, T., Abdurrob, F., Seo, J., and Tsai, L.H. (2016) Self-organizing 3D human neural tissue derived from induced pluripotent stem cells recapitulate Alzheimer’s disease phenotypes, PLoS One, 11, e0161969, doi: 10.1371/journal.pone.0161969.

38. Eiraku, M., and Sasai, Y. (2012) Self-formation of layered neural structures in three-dimensional culture of ES cells, Curr. Opin. Neurobiol., 22, 768–777, doi: 10.1016/j.conb.2012.02.005.

39. Belair, D.G., Wolf, C.J., Moorefield, S.D., Wood, C., Becker, C., and Abbott, B.D. (2018) A three-dimensional organoid culture model to assess the influence of chemicals on morphogenetic fusion, Toxicol. Sci., 166, 394–408, doi: 10.1093/toxsci/kfy207.

40. Liu, S., Xie, B., Song, X., Zheng, D., He, L., Li, G., Gao, G., Peng, F., Yu, M., Ge, J., and Zhong, X. (2018) Self-formation of RPE spheroids facilitates enrichment and expansion of hiPSC-derived RPE generated on retinal organoid induction platform, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 59, 5659–5669, doi: 10.1167/iovs.17-23613.

41. Linxweiler, J., Hammer, M., Muhs, S., Kohn, M., Pryalukhin, A., Veith, C., Bohle, R.M., Stockle, M., Junker, K., and Saar, M. (2018) Patient-derived, three-dimensional spheroid cultures provide a versatile translational model for the study of organ-confined prostate cancer, J. Cancer Res. Clin. Oncol., doi: 10.1007/s00432-018-2803-5.

42. Flint, J.J., Menon, K., Hansen, B., Forder, J., and Blackband, S.J. (2015) A microperfusion and in-bore oxygenator system designed for magnetic resonance microscopy studies on living tissue explants, Sci. Rep., 5, 18095, doi: 10.1038/srep18095.

43. Salek, M.M., Sattari, P., and Martinuzzi, R.J. (2012) Analysis of fluid flow and wall shear stress patterns inside partially filled agitated culture well plates, Ann. Biomed. Eng., 40, 707–728, doi: 10.1007/s10439-011-0444-9.