Intestinal organoid as an in vitromodel in studying host-microbial interactions

Abstract

BACKGROUND: Organoid is an in vitro three-dimensional organ-bud that shows realistic microanatomy and physiological relevance. The progress in generating organoids that faithfully recapitulate humanin vivo tissue composition has extended organoid applications from being just a basic research tool to a translational platform with a wide range of uses. Study of host-microbial interactions relies on model systems to mimic thein vivo infection. Researchers have developed various experimental models in vitro and in vivo to examine the dynamic host-microbial interactions. For some infectious pathogens, model systems are lacking whereas some of the used systems are far from optimal.

OBJECTIVE: In the present work, we will review the brief history and recent findings using organoids for studying host-microbial interactions.

METHODS: A systematic literature search was performed using the PubMed search engine. We also shared our data and research contribution to the field.

RESULTS: we summarize the brief history of 3D organoids. We discuss the feasibility of using organoids in studying host-microbial interactions, focusing on the development of intestinal organoids and gastric organoids. We highlight the advantage and challenges of the new experimental models. Further, we discuss the future direction in using organoids in studying host-microbial interactions and its potential application in biomedical studies.

CONCLUSION: In combination with genetic, transcriptome and proteomic profiling, both murine- and human-derived organoids have revealed crucial aspects of development, homeostasis and diseases. Specifically, human organoids from susceptible host will be used to test their responses to pathogens, probiotics, and drugs. Organoid system is an exciting tool for studying infectious disease, microbiome, and therapy.

Key words： bacteria; colonoids; enteroids; gastric organoids; host-microbial interactions; H. pylori; inflammation; intestinal organoids; microbiome; organoids; tight junctions; Salmonella; stem-cell differentiation; ZO-1

Acknowledgements

This work was supported by the NIDDK 1R01DK105118-01 and the UIC Cancer Center to Jun Sun.

Compliance with ethics guidelines

No financial interests.

References

1 Aoki-Yoshida A, Saito  S, Fukiya S ,  Aoki R, Takayama  Y, Suzuki C ,  Sonoyama K  (2016). Lactobacillus rhamnosus GG increases Toll-like receptor 3 gene expression in murine small intestine ex vivo and in vivo. Benef Microbes, 7(3): 421–429

PMID

2 Arnold J W, Roach  J, Azcarate-Peril M A  (2016). Emerging technologies for gut microbiome research. Trends Microbiol, 24(11): 887–901

PMID

3 Barrandon Y, Green  H (1987). Three clonal types of keratinocyte with different capacities for multiplication. Proc Natl Acad Sci USA, 84(8): 2302–2306

PMID

4 Bartfeld S, Bayram  T, van de Wetering  M, Huch M ,  Begthel H ,  Kujala P ,  Vries R ,  Peters P J ,  Clevers H  (2015). In vitro expansion of human gastric epithelial stem cells and their responses to bacterial infection. Gastroenterology, 148(1): 126–136.e6

PMID

5 Bartfeld S, Clevers  H (2015). Organoids as model for infectious diseases: Culture of human and murine stomach organoids and microinjection of Helicobacter pylori. J Vis Exp, 43(105):816–818

6 Bertaux-Skeirik N, Feng  R, Schumacher M A ,  Li J, Mahe  M M, Engevik  A C, Javier  J E, Peek  R M Jr, Ottemann  K, Orian-Rousseau V ,  Boivin G P ,  Helmrath M A ,  Zavros Y  (2015). CD44 plays a functional role in Helicobacter pylori-induced epithelial cell proliferation. PLoS Pathog, 11(2): e1004663

PMID

7 Crosnier C, Stamataki  D, Lewis J  (2006). Organizing cell renewal in the intestine: stem cells, signals and combinatorial control. Nat Rev Genet, 7(5): 349–359

PMID

8 D’Aiuto L, Di Maio  R, Heath B ,  Raimondi G ,  Milosevic J ,  Watson A M ,  Bamne M ,  Parks W T ,  Yang L, Lin  B, Miki T ,  Mich-Basso J D ,  Arav-Boger R ,  Sibille E ,  Sabunciyan S ,  Yolken R ,  Nimgaonkar V  (2012). Human induced pluripotent stem cell-derived models to investigate human cytomegalovirus infection in neural cells. PLoS One, 7(11): e49700

PMID

9 Dedhia P H, Bertaux-Skeirik  N, Zavros Y ,  Spence J R  (2016). Organoid models of human gastrointestinal development and disease. Gastroenterology, 150(5): 1098–1112nbsp;PMID:26774180

10 Dingli D, Nowak  M A (2006). Cancer biology: infectious tumour cells. Nature, 443(7107): 35–36

PMID

11 Engevik M A, Aihara  E, Montrose M H ,  Shull G E ,  Hassett D J ,  Worrell R T  (2013). Loss of NHE3 alters gut microbiota composition and influences Bacteroides thetaiotaomicron growth. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 305(10): G697–G711

PMID

12 Ettayebi K, Crawford  S E, Murakami  K, Broughman J R ,  Karandikar U ,  Tenge V R ,  Neill F H ,  Blutt S E ,  Zeng X L ,  Qu L, Kou  B, Opekun A R ,  Burrin D ,  Graham D Y ,  Ramani S ,  Atmar R L ,  Estes M K  (2016). Replication of human noroviruses in stem cell-derived human enteroids. Science, 353(6306): 1387–1393

PMID

13 Fang S B, Schüller S, Phillips A D (2013). Human intestinal in vitro organ culture as a model for investigation of Bacteriae-host interactions. J Exp Clin Med, 5(2): 43–50

14 Fatehullah A, Tan  S H, Barker  N (2016). Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nat Cell Biol, 18(3): 246–254

PMID

15 Finkbeiner S R ,  Zeng X L ,  Utama B ,  Atmar R L ,  Shroyer N F ,  Estes M K  (2012). Stem cell-derived human intestinal organoids as an infection model for rotaviruses. MBio, 3(4): e00159–e12

PMID

16 Forbester J L ,  Goulding D ,  (2014). Intestinal organoids are a novel system to study Salmonella enterica Serovar Typhimurium interaction with the intestinal epithelial barrier. Immunology, 143: 111–112

17 Forbester J L ,  Goulding D ,  Vallier L ,  Hannan N ,  Hale C, Pickard  D, Mukhopadhyay S ,  Dougan G  (2015). Interaction of Salmonella enterica Serovar Typhimurium with intestinal organoids derived from human induced pluripotent stem cells. Infect Immun, 83(7): 2926–2934

PMID

18 Foulke-Abel J, In  J, Kovbasnjuk O ,  Zachos N C ,  Ettayebi K ,  Blutt S E ,  Hyser J M ,  Zeng X L ,  Crawford S E ,  Broughman J R ,  Estes M K ,  Donowitz M  (2014). Human enteroids as an ex-vivo model of host-pathogen interactions in the gastrointestinal tract. Exp Biol Med (Maywood), 239(9): 1124–1134

PMID

19 Garcez P P, Loiola  E C, Madeiro da Costa  R, Higa L M ,  Trindade P ,  Delvecchio R ,  Nascimento J M ,  Brindeiro R ,  Tanuri A ,  Rehen S K  (2016). Zika virus impairs growth in human neurospheres and brain organoids. Science, 352(6287): 816–818

PMID

20 Gjorevski N, Sachs  N, Manfrin A ,  Giger S ,  Bragina M E ,  Ordóñez-Morán P, Clevers H ,  Lutolf M P  (2016). Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture. Nature, 539(7630): 560–564

PMID

21 Harrison R G (1907). Observations on the living developing fiber. Proc Soc Exp Biol Med, 4(1): 140–143

22 Heuberger J, Kosel  F, Qi J ,  Grossmann K S ,  Rajewsky K ,  Birchmeier W  (2014). Shp2/MAPK signaling controls goblet/paneth cell fate decisions in the intestine. Proc Natl Acad Sci USA, 111(9): 3472–3477

PMID

23 Hilleman M R (1990). History, precedent, and progress in the development of mammalian cell culture systems for preparing vaccines: safety considerations revisited. J Med Virol, 31(1): 5–12

PMID

24 Huang G, Ye  S, Zhou X ,  Liu D, Ying  Q L (2015a). Molecular basis of embryonic stem cell self-renewal: from signaling pathways to pluripotency network. Cell Mol Life Sci, 72(9): 1741–1757

PMID

25 Huang J Y, Sweeney  E G, Sigal  M, Zhang H C ,  Remington S J ,  Cantrell M A ,  Kuo C J ,  Guillemin K ,  Amieva M R  (2015b). Chemodetection and destruction of host urea allows Helicobacter pylori to locate the epithelium. Cell Host Microbe, 18(2): 147–156

PMID

26 Huch M, Koo  B K (2015). Modeling mouse and human development using organoid cultures. Development, 142(18): 3113–3125

PMID

27 In J G, Foulke-Abel  J, Estes M K ,  Zachos N C ,  Kovbasnjuk O ,  Donowitz M  (2016). Human mini-guts: new insights into intestinal physiology and host-pathogen interactions. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 13(11): 633–642

PMID

28 Jung P, Sato  T, Merlos-Suárez A, Barriga F M ,  Iglesias M ,  Rossell D ,  Auer H, Gallardo  M, Blasco M A ,  Sancho E ,  Clevers H ,  Batlle E  (2011). Isolation and in vitro expansion of human colonic stem cells. Nat Med, 17(10): 1225–1227

PMID

29 Klotz C, Aebischer  T, Seeber F  (2012). Stem cell-derived cell cultures and organoids for protozoan parasite propagation and studying host-parasite interaction. Int J Med Microbiol, 302(4-5): 203–209

PMID

30 Kristin W, Weitz  J,  (2016). Organoids as model systems for gastrointestinal diseases: tissue engineering meets. Curr Pathobiol Rep, 4(1): 1–9

31 Leslie J L, Huang  S, Opp J S ,  Nagy M S ,  Kobayashi M ,  Young V B ,  Spence J R  (2015). Persistence and toxin production by Clostridium difficile within human intestinal organoids result in disruption of epithelial paracellular barrier function. Infect Immun, 83(1): 138–145

PMID

32 Mahe M M, Aihara  E, Schumacher M A ,  Zavros Y ,  Montrose M H ,  Helmrath M A ,  Sato T, Shroyer  N F (2013). Establishment of gastrointestinal epithelial organoids. Curr Protoc Mouse Biol, 3(4): 217–240

PMID

33 Mahe M M, Sundaram  N, Watson C L ,  Shroyer N F ,  Helmrath M A  (2015). Establishment of human epithelial enteroids and colonoids from whole tissue and biopsy. J Vis Exp, (97): e52483-e52483 

PMID

34 McCracken K W ,  Catá E M ,  Crawford C M ,  Sinagoga K L ,  Schumacher M ,  Rockich B E ,  Tsai Y H ,  Mayhew C N ,  Spence J R ,  Zavros Y ,  Wells J M  (2014). Modelling human development and disease in pluripotent stem-cell-derived gastric organoids. Nature, 516(7531): 400–404

PMID

35 Miyoshi H, Stappenbeck  T S (2013). In vitro expansion and genetic modification of gastrointestinal stem cells in spheroid culture. Nat Protoc, 8(12): 2471–2482

PMID

36 Ng S, Schwartz  R E, March  S, Galstian A ,  Gural N ,  Shan J, Prabhu  M, Mota M M ,  Bhatia S N  (2015). Human iPSC-derived hepatocyte-like cells support Plasmodium liver-stage infection in vitro. Stem Cell Rep, 4(3): 348–359

PMID

37 Ootani A, Li  X, Sangiorgi E ,  Ho Q T ,  Ueno H, Toda  S, Sugihara H ,  Fujimoto K ,  Weissman I L ,  Capecchi M R ,  Kuo C J  (2009). Sustained in vitro intestinal epithelial culture within a Wnt-dependent stem cell niche. Nat Med, 15(6): 701–706

PMID

38 Penkert R R, Kalejta  R F (2013). Human embryonic stem cell lines model experimental human cytomegalovirus latency. MBio, 4(3): e00298–e13

PMID

39 Roelandt P, Obeid  S, Paeshuyse J ,  Vanhove J ,  Van Lommel A ,  Nahmias Y ,  Nevens F ,  Neyts J ,  Verfaillie C M  (2012). Human pluripotent stem cell-derived hepatocytes support complete replication of hepatitis C virus. J Hepatol, 57(2): 246–251

PMID

40 Salama N R, Hartung  M L, Müller  A (2013). Life in the human stomach: persistence strategies of the bacterial pathogen Helicobacter pylori. Nat Rev Microbiol, 11(6): 385–399

PMID

41 Sato T, Stange  D E, Ferrante  M, Vries R G ,  Van Es J H ,  Van den Brink S ,  Van Houdt W J ,  Pronk A ,  Van Gorp J ,  Siersema P D ,  Clevers H  (2011a). Long-term expansion of epithelial organoids from human colon, adenoma, adenocarcinoma, and Barrett’s epithelium. Gastroenterology, 141(5): 1762–1772

PMID

42 Sato T, van Es  J H, Snippert  H J, Stange  D E, Vries  R G, van den Born  M, Barker N ,  Shroyer N F ,  van de Wetering M ,  Clevers H  (2011b). Paneth cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in intestinal crypts. Nature, 469(7330): 415–418

PMID

43 Sato T, Vries  R G, Snippert  H J, van de Wetering  M, Barker N ,  Stange D E ,  van Es J H ,  Abo A, Kujala  P, Peters P J ,  Clevers H  (2009). Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature, 459(7244): 262–265

PMID

44 Saxena K, Blutt  S E, Ettayebi  K, Zeng X L ,  Broughman J R ,  Crawford S E ,  Karandikar U C ,  Sastri N P ,  Conner M E ,  Opekun A R ,  Graham D Y ,  Qureshi W ,  Sherman V ,  Foulke-Abel J ,  In J, Kovbasnjuk  O, Zachos N C ,  Donowitz M ,  Estes M K  (2015). Human intestinal enteroids: a new model to study human rotavirus infection, host restriction, and pathophysiology. J Virol, 90(1): 43–56

PMID

45 Schlaermann P, Toelle  B, Berger H ,  Schmidt S C ,  Glanemann M ,  Ordemann J ,  Bartfeld S ,  Mollenkopf H J ,  Meyer T F  (2016). A novel human gastric primary cell culture system for modelling Helicobacter pylori infection in vitro. Gut, 65(2): 202–213

PMID

46 Schumacher M A ,  Feng R, Aihara  E, Engevik A C ,  Montrose M H ,  Ottemann K M ,  Zavros Y  (2015). Helicobacter pylori-induced Sonic Hedgehog expression is regulated by NFkB pathway activation: the use of a novel in vitro model to study epithelial response to infection. Helicobacter, 20(1): 19–28

PMID

47 Schwank G, Koo  B K, Sasselli  V, Dekkers J F ,  Heo I, Demircan  T, Sasaki N ,  Boymans S ,  Cuppen E ,  van der Ent C K ,  Nieuwenhuis E E ,  Beekman J M ,  Clevers H  (2013). Functional repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in intestinal stem cell organoids of cystic fibrosis patients. Cell Stem Cell, 13(6): 653–658

PMID

48 Schwartz R E, Trehan  K, Andrus L ,  Sheahan T P ,  Ploss A ,  Duncan S A ,  Rice C M ,  Bhatia S N  (2012). Modeling hepatitis C virus infection using human induced pluripotent stem cells. Proc Natl Acad Sci USA, 109(7): 2544–2548

PMID

49 Shlomai A, Schwartz  R E, Ramanan  V, Bhatta A ,  de Jong Y P ,  Bhatia S N ,  Rice C M  (2014). Modeling host interactions with hepatitis B virus using primary and induced pluripotent stem cell-derived hepatocellular systems. Proc Natl Acad Sci USA, 111(33): 12193–12198

PMID

50 Sigal M, Rothenberg  M E, Logan  C Y, Lee  J Y, Honaker  R W, Cooper  R L, Passarelli  B, Camorlinga M ,  Bouley D M ,  Alvarez G ,  Nusse R ,  Torres J ,  Amieva M R  (2015). Helicobacter pylori activates and expands Lgr5(+) stem cells through direct colonization of the gastric glands. Gastroenterology, 148(7): 1392–404.e21

PMID

51 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 ,  Wells J M  (2011). Directed differentiation of human pluripotent stem cells into intestinal tissue in vitro. Nature, 470(7332): 105–109

PMID

52 Unsworth B R, Lelkes  P I (1998). Growing tissues in microgravity. Nat Med, 4(8): 901–907

PMID

53 VanDussen K L ,  Marinshaw J M ,  Shaikh N ,  Miyoshi H ,  Moon C, Tarr  P I, Ciorba  M A, Stappenbeck  T S (2015). Development of an enhanced human gastrointestinal epithelial culture system to facilitate patient-based assays. Gut, 64(6): 911–920

PMID

54 Wang X, Yamamoto  Y, Wilson L H ,  Zhang T ,  Howitt B E ,  Farrow M A ,  Kern F, Ning  G, Hong Y ,  Khor C C ,  Chevalier B ,  Bertrand D ,  Wu L, Nagarajan  N, Sylvester F A ,  Hyams J S ,  Devers T ,  Bronson R ,  Lacy D B ,  Ho K Y ,  Crum C P ,  McKeon F ,  Xian W (2015). Cloning and variation of ground state intestinal stem cells. Nature, 522(7555): 173–178

PMID

55 Wilson S S, Tocchi  A, Holly M K ,  Parks W C ,  Smith J G  (2015). A small intestinal organoid model of non-invasive enteric pathogen-epithelial cell interactions. Mucosal Immunol, 8(2): 352–361

PMID

56 Wroblewski L E ,  Peek R M  Jr,  Wilson K T  (2010). Helicobacter pylori and gastric cancer: factors that modulate disease risk. Clin Microbiol Rev, 23(4): 713–739

PMID

57 Wu X, Robotham  J M, Lee  E, Dalton S ,  Kneteman N M ,  Gilbert D M ,  Tang H (2012). Productive hepatitis C virus infection of stem cell-derived hepatocytes reveals a critical transition to viral permissiveness during differentiation. PLoS Pathog, 8(4): e1002617

PMID

58 Yin Y, Bijvelds  M, Dang W ,  Xu L, van der Eijk  A A, Knipping  K, Tuysuz N ,  Dekkers J F ,  Wang Y, de Jonge  J, Sprengers D ,  van der Laan L J ,  Beekman J M ,  Ten Berge D ,  Metselaar H J ,  de Jonge H ,  Koopmans M P ,  Peppelenbosch M P ,  Pan Q (2015). Modeling rotavirus infection and antiviral therapy using primary intestinal organoids. Antiviral Res, 123: 120–131

PMID

59 Yoshida T, Takayama  K, Kondoh M ,  Sakurai F ,  Tani H, Sakamoto  N, Matsuura Y ,  Mizuguchi H ,  Yagi K (2011). Use of human hepatocyte-like cells derived from induced pluripotent stem cells as a model for hepatocytes in hepatitis C virus infection. Biochem Biophys Res Commun, 416(1-2): 119–124

PMID

60 Yui S, Nakamura  T, Sato T ,  Nemoto Y ,  Mizutani T ,  Zheng X ,  Ichinose S ,  Nagaishi T ,  Okamoto R ,  Tsuchiya K ,  Clevers H ,  Watanabe M  (2012). Functional engraftment of colon epithelium expanded in vitro from a single adult Lgr5⁺ stem cell. Nat Med, 18(4): 618–623

PMID

61 Zhang Y G, Wu  S, Xia Y ,  Sun J (2014). Salmonella-infected crypt-derived intestinal organoid culture system for host-bacterial interactions. Physiol Rep, 2(9): e12147

PMID