Le tractus gastro-intestinal est l’un des organes les plus sensibles aux blessures lors des traitements radiothérapeutiques contre le cancer. C’est à la fois un système d’organes avec l’une des capacités de régénération les plus élevées à la suite de telles insultes. Le protocole présenté décrit une méthode efficace pour étudier la capacité de régénération de l’épithélium intestinal.
L’épithélium intestinal est constitué d’une seule couche de cellules, mais contient plusieurs types de cellules différenciées en phase terminale, qui sont générées par la prolifération active de cellules souches intestinales situées au fond des cryptes intestinales. Cependant, lors d’événements de lésions intestinales aiguës, ces cellules souches intestinales actives subissent la mort cellulaire. L’irradiation gamma est un traitement du cancer colorectal largement utilisé qui, bien qu’efficace sur le plan thérapeutique, a pour effet secondaire d’épuiser le pool de cellules souches actives. En effet, les patients souffrent fréquemment d’un syndrome de radiation gastro-intestinale pendant la radiothérapie, en partie en raison de l’épuisement actif des cellules souches. La perte de cellules souches intestinales actives dans les cryptes intestinales active un pool de cellules souches intestinales de réserve typiquement quiescentes et induit une dédifférenciation des cellules précurseurs sécrétoires et entérocytaires. Sans ces cellules, l’épithélium intestinal n’aurait pas la capacité de se remettre de la radiothérapie et d’autres agressions tissulaires majeures. De nouvelles avancées dans les technologies de traçage de lignée permettent de suivre l’activation, la différenciation et la migration des cellules pendant la régénération et ont été utilisées avec succès pour étudier cela dans l’intestin. Cette étude vise à décrire une méthode d’analyse des cellules de l’épithélium intestinal de la souris à la suite d’une lésion radiologique.
L’épithélium intestinal humain couvrirait approximativement la surface d’un demi-terrain de badminton s’il était placé complètement à plat1. Au lieu de cela, cette couche cellulaire unique séparant les humains du contenu de leurs intestins est compactée en une série de projections, de villosités et d’indentations en forme de doigts, des cryptes qui maximisent la surface des intestins. Les cellules de l’épithélium se différencient le long d’un axe crypte-villosités. Les villosités sont principalement constituées d’entérocytes absorbant les nutriments, de cellules caliciformes sécrétrices de mucus et de cellules entéroendocrines productrices d’hormones, tandis que les cryptes sont principalement constituées de cellules de Paneth productrices de défensine, de cellules souches actives et de réserve et de cellules progénitrices 2,3,4,5. De plus, la communication bidirectionnelle de ces cellules avec les cellules stromales et immunitaires du compartiment mésenchymateux sous-jacent et le microbiote de la lumière génère un réseau complexe d’interactions qui maintient l’homéostasie intestinale et est essentiel à la récupération après une blessure 6,7,8.
L’épithélium intestinal est le tissu qui s’auto-renouvelle le plus rapidement dans le corps humain, avec un taux de renouvellement de 2-6 jours 9,10,11. Au cours de l’homéostasie, les cellules souches actives à la base des cryptes intestinales (cellules cylindriques de la base cryptique), marquées par l’expression du récepteur couplé à la protéine G 5 (LGR5) riche en protéines répétées et riche en leucine, se divisent rapidement et fournissent des cellules progénitrices qui se différencient en toutes les autres lignées épithéliales intestinales. Cependant, en raison de leur taux mitotique élevé, les cellules souches actives et leurs progéniteurs immédiats sont particulièrement sensibles aux lésions par rayonnement gamma et subissent une apoptose après irradiation 5,12,13,14. Lors de leur perte, les cellules souches de réserve et les cellules non souches (sous-population de progéniteurs et certaines cellules différenciées en phase terminale) au sein des cryptes intestinales subissent une activation et reconstituent le compartiment de la crypte basale, qui peut alors reconstituer les populations cellulaires des villosités et, ainsi, régénérer l’épithéliumintestinal 15. En utilisant des techniques de traçage de la lignée, plusieurs groupes de recherche ont démontré que les cellules souches de réserve (quiescentes) sont capables de soutenir la régénération lors de la perte de cellules souches actives 13,16,17,18,19,20,21,22. Ces cellules sont caractérisées par la présence de l’oncogène de la protéine 1 du complexe polycomb (Bmi1), du gène de la transcriptase inverse de la télomérase de souris (mTert), de l’homéobox du houblon (Hopx) et du gène de la protéine 1 répétitive riche en leucine (Lrig1). En outre, il a été démontré que les cellules non souches sont capables de reconstituer les cryptes intestinales en cas de lésion 23,24,25,26,27,28,29,30,31. En particulier, il a été démontré que les progéniteurs des cellules sécrétoires et des entérocytes subissent une dédifférenciation lors d’une blessure, redeviennent des cellules souches et favorisent la régénération de l’épithélium intestinal. Des études récentes ont identifié des cellules exprimant plusieurs marqueurs qui possèdent la capacité d’acquérir des caractéristiques de type souche en cas de blessure (telles que DLL+, ATOH1+, PROX1+, MIST1+, DCLK1+)32,33,34,35,36. Étonnamment, Yu et al. ont montré que même les cellules de Paneth matures (LYZ +) peuvent contribuer à la régénération intestinale37. De plus, en plus de provoquer l’apoptose des cellules épithéliales intestinales et de perturber la fonction de barrière épithéliale, l’irradiation entraîne une dysbiose de la flore intestinale, l’activation des cellules immunitaires et l’initiation d’une réponse pro-inflammatoire, ainsi que l’activation des cellules mésenchymateuses et stromales38,39.
Le rayonnement gamma est un outil thérapeutique précieux dans le traitement du cancer, en particulier pour les tumeurs colorectales40. Cependant, l’irradiation affecte de manière significative l’homéostasie intestinale en induisant des dommages aux cellules, ce qui conduit à l’apoptose. L’exposition aux rayonnements provoque de multiples perturbations qui ralentissent le rétablissement d’un patient et est marquée par des lésions muqueuses et une inflammation dans la phase aiguë et de la diarrhée, de l’incontinence, des saignements et des douleurs abdominales à long terme. Cette panoplie de manifestations est appelée toxicité des rayonnements gastro-intestinaux. De plus, la progression radio-induite de la fibrose transmurale et/ou de la sclérose vasculaire peut ne se manifester que des années après le traitement38,41. Simultanément à la blessure elle-même, le rayonnement induit une réponse de réparation dans les cellules intestinales qui active les voies de signalisation responsables de l’initiation et de l’orchestration de la régénération42. La maladie de l’intestin grêle radio-induite peut provenir d’une radiothérapie pelvienne ou abdominale administrée à d’autres organes (comme le col de l’utérus, la prostate, le pancréas, le rectum)41,43,44,45,46. Les lésions par irradiation intestinale constituent donc un problème clinique important, et une meilleure compréhension de la physiopathologie qui en résulte est susceptible de faire progresser le développement d’interventions visant à atténuer les complications gastro-intestinales associées à la radiothérapie. Il existe d’autres techniques qui permettent d’étudier le but régénérateur de l’épithélium intestinal en dehors de la radiation. Des modèles murins transgéniques et chimiques pour étudier l’inflammation et la régénération par la suite ont été développés47. Le sulfate de sodium de dextrane (DSS) induit une inflammation dans l’intestin et conduit au développement de caractéristiques similaires à celles de la maladie inflammatoire de l’intestin48. Une combinaison de traitement DSS avec le composé pro-cancérogène azoxyméthane (OMA) peut entraîner le développement d’un cancer associé à la colite48,49. Les lésions induites par la reperfusion ischémique sont une autre méthode utilisée pour étudier le potentiel de régénération de l’épithélium intestinal. Cette technique nécessite de l’expérience et des connaissances chirurgicales50. En outre, les techniques susmentionnées causent différents types de lésions que les rayonnements et peuvent entraîner l’implication de différents mécanismes de régénération. De plus, ces modèles prennent beaucoup de temps, alors que la technique de rayonnement est assez brève. Récemment, des méthodes in vitro utilisant des entéroïdes et des colonoïdes générés par l’intestin et le côlon ont été utilisées en combinaison avec des lésions radiologiques pour étudier les mécanismes de la régénération intestinale51,52. Cependant, ces techniques ne récapitulent pas complètement l’organe qu’elles modélisent53,54.
Le protocole présenté comprend la description d’un modèle murin de lésion par rayonnement gamma en combinaison avec un modèle génétique qui, après un traitement au tamoxifène, permet de retracer les lignées provenant de la population de cellules souches de réserve (Bmi1-CreER; Rosa26eYFP). Ce modèle utilise une irradiation totale du corps de 12 Gy, qui induit des lésions intestinales suffisamment importantes pour activer les cellules souches de réserve tout en permettant l’étude ultérieure de la capacité de régénération intestinale dans les 7 jours suivant la lésion55.
Ce protocole décrit un modèle robuste et reproductible de lésions radioactives. Il permet l’analyse précise des changements dans l’épithélium intestinal au cours des 7 jours suivant la blessure. Il est important de noter que les points temporels sélectionnés reflètent les étapes cruciales de la lésion et sont caractérisés par des altérations distinctes de l’intestin (phases de lésion, d’apoptose, de régénération et de normalisation)60. Ce modèle d’irradiation a été ?…
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier le Stony Brook Cancer Center Histology Research Core pour son expertise dans la préparation des échantillons de tissus et la Division of Laboratory Animal Resources de l’Université Stony Brook pour son aide en matière de soins et de manipulation des animaux. Ce travail a été soutenu par des subventions des National Institutes of Health DK124342 accordées à Agnieszka B. Bialkowska et DK052230 au Dr Vincent W. Yang.
1 mL syringe | BD | 309659 | – |
16G Reusable Small Animal Feeding Needles: Straight | VWR | 20068-630 | – |
27G x 1/2" needle | BD | 305109 | – |
28G x 1/2" Monoject 1mL insulin syringe | Covidien | 1188128012 | – |
5-Ethynyl-2′-deoxyuridine (EdU) | Santa Cruz Biotechnology | sc284628A | 10 mg/mL in sterile DMSO:water (1:4 v/v), aliquot and store in -20°C |
Azer Scientific 10% Neutral Buffered Formalin | Fisher Scientific | 22-026-213 | – |
B6.129X1-Gt(ROSA)26Sortm1(EYFP)Cos/J | The Jackson Laboratory | Strain #:006148 | |
B6;129-Bmi1tm1(cre/ERT)Mrc/J | The Jackson Laboratory | Strain #:010531 | |
Bovine Serum Albumin Fraction V, heat shock | Millipore-Sigma | 3116956001 | |
Chicken anti-GFP | Aves | GFP-1020 | |
Click-IT plus EdU Alexa Fluor 555 imaging kit, Invitrogen | Thermo Fisher Scientific | C10638 | – |
Corn oil | Millipore-Sigma | C8267 | – |
Decloaking Chamber | Biocare Medical | DC2012 | – |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher BioReagents | BP231-100 | light sensitive |
DNase-free proteinase K | Invitrogen | C10618H | diluted 25x in DPBS |
Donkey anti-chicken AF647 | Jackson ImmunoResearch | 703-605-155 | |
DPBS | Fisher Scientific | 21-031-CV | – |
Eosin | Fisher Scientific | S176 | |
Fluorescence Microscope Nikon Eclipse 90i Bright and fluoerescent light, with objectives: 10X, 20X | Nikon | ||
Fluoromount Aqueous Mounting Medium | Millipore-Sigma | F4680-25ML | |
Gamma Cell 40 Exactor | Best Theratronics Ltd. | – | 0.759 Gy min-1 |
Goat anti-rabbit AF488 | Jackson ImmunoResearch | 111-545-144 | |
Hematoxylin Solution, Gill No. 3 | Millipore-Sigma | GHS332 | |
HM 325 Rotary Microtome from Thermo Scientific | Fisher Scientific | 23-900-668 | |
Hoechst 33258, Pentahydrate (bis-Benzimide) | Thermo Fisher Scientific | H3569 | dilution 1:1000 |
Hydrogen Peroxide Solution, ACS, 29-32%, Spectrum Chemical | Fisher Scientific | 18-603-252 | – |
In Situ Cell Death Detection Kit, Fluorescein (Roche) | Millipore-Sigma | 11684795910 | |
Liquid Blocker Super PAP PEN, Mini | Fisher Scientific | DAI-PAP-S-M | |
Lithium Carbonate (Powder/Certified ACS), Fisher Chemical | Fisher Scientific | L119-500 | 0.5g/1L dH2O |
Luer-Lok Syringe sterile, single use, 10 mL | VWR | 89215-218 | – |
Methanol | VWR | BDH1135-4LP | |
Pharmco Products Ethyl alcohol, 200 PROOF | Fisher Scientific | NC1675398 | – |
Pharmco-Aaper 281000ACSCSLT Acetic Acid ACS Grade | Capitol Scientific | AAP-281000ACSCSLT | – |
Rabbit anti-Ki67 | BioCare Medical | CRM325 | |
Richard-Allan Scientific Cytoseal XYL Mounting Medium | Fisher Scientific | 22-050-262 | |
Scientific Industries Incubator-Genie for baking slides at 65 degree | Fisher Scientific | 50-728-103 | |
Sodium Citrate Dihydrate | Fisher Scientific | S279-500 | |
Stainless Steel Dissecting Kit | VWR | 25640-002 | |
Superfrost Plus micro slides [size: 25 x 75 x 1 mm] | VWR | 48311-703 | |
Tamoxifen | Millipore-Sigma | T5648 | 30 mg/mL in sterile corn oil, preferably fresh or short-sterm storage in -20°C, light sensitive |
Tissue-Tek 24-Slide Holders with Detachable Handle | Sakura | 4465 | |
Tissue-Tek Accu-Edge Low Profile Blades | Sakura | 4689 | |
Tissue-Tek Manual Slide Staining Set | Sakura | 4451 | |
Tissue-Tek Staining Dish, Green with Lid | Sakura | 4456 | |
Tissue-Tek Staining Dish, White with Lid | Sakura | 4457 | |
Tween 20 | Millipore-Sigma | P7949 | |
Unisette Processing Cassettes | VWR | 87002-292 | – |
VWR Micro Cover Glasses | VWR | 48393-081 | |
Xylene | Fisher Scientific | X5P-1GAL |