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建立寨卡病毒感染脑类器官的体外模型

2025年7月8日

本文内容

摘要

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来源:Salick, M. R.,利用干细胞来源的脑类器官体外模拟寨卡病毒感染人脑发育过程J. Vis. Exp. (2017)。

本视频展示了在发育中的大脑中建立寨卡病毒感染体外模型的方法。利用包含干细胞、神经前体细胞(NPCs)和神经元的玫瑰花结样结构的人脑类器官,进行寨卡病毒感染。该病毒可感染神经前体细胞并诱发细胞凋亡,从而破坏类器官的正常发育。

方案

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 从iPSC/hESC二维培养物构建脑类器官(第0天)

注意:本方案假设干细胞(SC)的维持培养是在无异源成分的干细胞维持培养基(SCMM)中进行,并使用纤连蛋白或Geltrex基质。如果使用其他高蛋白干细胞培养基,建议在启动类器官形成前,先将干细胞培养物转换至SCMM中传代至少两次。本方案尚未在基于饲养层的干细胞培养方法中进行测试。

  1. 采用常规的干细胞(SC)培养方法,将细胞培养至50%–70%融合度。通常在传代后3–4天达到此状态,但具体时间可能因培养方法和细胞系而异。
    注意:约需6孔板中的2个孔的细胞,才能生成一个完整的96孔板类器官。
  2. 使用明场显微镜在10X–20X放大倍数下检查培养物,确保细胞集落形态健康,无明显分化迹象。
  3. 将干细胞培养基(SCMM)置于37 °C水浴中预热,并将一支50 µL的50 mM Y-27632(ROCK抑制剂)和2 mL酶法解离试剂解冻至室温。
  4. 准备一个超低吸附U型底96孔板、多通道P200移液器和一个25 mL试剂储液槽。
  5. 在50 mL锥形管中分装45 mL SCMM,并加入45 µL 50 mM Y-27632。通过吹打充分混匀。
  6. 用真空抽吸法吸除含干细胞的两个孔中的培养基,然后使用P1000移液器迅速向每个孔加入1 mL无酶解离试剂。将培养板置于37 °C培养箱中孵育4分钟。
  7. 用真空抽吸法吸除处理后的孔中试剂,再使用P1000移液器向每个孔加入1 mL酶法解离试剂。
    1. 将培养板置于37 °C培养箱中继续孵育5分钟。
    2. 取出培养板并检查处理后的孔。轻轻敲击培养板以打散聚集的细胞。若仍可见较大细胞团块,则在37 °C下额外孵育2分钟。重复此步骤,直至肉眼不可见细胞团块。
  8. 待细胞充分解离后,向每个孔加入1 mL SCMM以终止解离酶作用。将4 mL细胞悬液合并至一个50 mL锥形管中,并取少量用于细胞计数。
    1. 将维持培养板中其余未处理的孔放回37 °C培养箱继续培养。
  9. 在细胞计数的同时,以300 × g离心细胞悬液5分钟。
  10. 确定细胞总数,并计算为获得60,000个细胞/mL的悬液所需添加的SCMM + Y-27632溶液的体积。
  11. 小心地用真空抽吸法吸除上清液,加入计算好的SCMM + Y-27632溶液体积。用5 mL移液器吹打混匀5–10次,确保细胞悬液均匀。
  12. 立即将细胞悬液转移至试剂储液槽中,使用多通道P200移液器向ULA U型底96孔板的每孔加入150 µL。此操作可生成96个独立的类器官,每个初始含9,000个细胞。
  13. 以150 × g离心培养板1分钟。
  14. 将培养板放入37 °C培养箱中,48小时内勿扰动。

2. 脑类器官的维持(第2天)

  1. 在50 mL锥形管中配制17 mL SCMM,并加入17 µL的50 mM Y-27632。将SCMM + Y-27632溶液置于37 °C水浴中预热。
  2. 从培养箱中取出类器官培养板,使用多通道P200移液器(设定体积为75 µL),从第一行孔的边缘缓慢吸取培养基。吸液完成后,迅速将培养基重新排回孔中,以使松散的细胞和类器官悬浮。对每一行均重复此操作。
    注意:该技术在此后称为“分散”,可使细胞碎片和类器官进入悬浮状态。类器官会迅速沉降至孔底,而较小的碎片则保持悬浮,从而可在换液时被去除。这有助于防止类器官在培养过程中停留在细胞碎片中。
    1. 所有孔完成分散操作后,静置15秒,确保类器官已沉降至各孔底部。
  3. 使用多通道P200移液器缓慢而小心地从每个孔中吸出75 µL培养基,并排入废液容器。
    注意:多数使用者在常规换液时偶尔会吸出类器官,发生概率约为1%。请合理规划实验,确保有足够数量的类器官能够存活至实验终点。
  4. 将SCMM + Y-27632溶液转移至试剂储液槽中,使用多通道P200移液器向每个类器官培养孔中加入150 µL。
  5. 将培养板放回37 °C培养箱中继续培养。

3. 脑类器官的维持(第3天)

  1. 将17 mL SCMM预热至37 °C,此次不添加Y-27643。
  2. 将多通道P200移液器设定为100 µL,吹打类器官板的所有孔(参见步骤2.2)。等待15秒,确保类器官已沉降至孔底。
  3. 准备废液储液槽,并将预热的SCMM转移至供液储液槽中。
  4. 使用多通道P200移液器小心吸去每孔中的125 µL培养基,并加入150 µL新鲜SCMM进行替换。
  5. 将板放回37 °C培养箱中继续培养。

4. 脑类器官的维持(第4天及以后)

注意:每隔一天进行一次常规维护,直至感染发生。

  1. 在第4天开始换液前,配制神经诱导(NI)培养基。
    1. 解冻一份250 µL的2 mg/mL肝素溶液,以及一瓶5 mL的100倍N-2补充剂。将250 µL肝素、5 mL 100X N-2补充剂和5 mL 100X最低必需培养基-非必需氨基酸(MEM-NEAA)加入500 mL的杜氏改良伊格尔培养基/营养混合物F-12(DMEM/F12)+ GlutaMAX中。使用500 mL滤器对混合溶液进行无菌过滤。
      注意:不使用时将NI培养基保存在4 °C;NI培养基最多可保存两周,之后需配制新鲜培养基。
  2. 将17 mL NI培养基预热至37 °C。
  3. 将多通道P200移液器设定为100 µL,吹打分散类器官板的所有孔(参见步骤2.2)。静置15秒,确保类器官沉降至孔底。
  4. 准备废液储液槽,并将预热的NI培养基转移至供液储液槽中。
  5. 使用多通道P200移液器小心吸出每孔125 µL培养基,并替换为125 µL新鲜NI培养基。
  6. 将培养板放回37 °C培养箱中继续培养。

5. 类器官感染寨卡病毒(ZIKV)(约第24天)

注意:经过约3周的分化后,类器官内将出现较大的神经上皮结构和玫瑰花环样结构,这些结构对寨卡病毒(ZIKV)感染高度易感。

  1. 将 Earle's 1X 平衡盐溶液(EBSS)、1X 磷酸盐缓冲液(PBS)和 NI 置于水浴锅中加热至 37 °C。
  2. 将已知浓度的 ZIKV 用 1X EBSS 稀释至目标感染复数(MOI)。
    注意:建议进行不同 MOI 的滴定实验,以获得病毒剂量反应曲线。该数值可能因病毒株而异;对于 ATCC VR-1838 和 ATCC VR-1843,典型的 MOI 值范围为 0.1 至 10。
  3. 使用单通道 P200 移液器小心吸除类器官孔中的全部培养基。随后使用多通道 P200 移液器快速向每孔加入 200 µL 的 1X PBS,以洗涤类器官。
  4. 使用单通道 P200 移液器小心吸除类器官孔中的全部液体。迅速向每孔加入 50 µL 的仅含 1X EBSS(模拟感染)或含 ZIKV 病毒的溶液,并确保类器官完全浸没。对研究中所有需感染的类器官重复此步骤。
  5. 将培养板放回 37 °C 培养箱中孵育 2 小时。
    注意:模拟感染的类器官在此条件下孵育不应对其生长产生显著影响,与未受干扰的类器官相比无明显差异。
  6. 在病毒孵育结束前约 30 分钟,将 25 mL NI 分装至 50 mL 锥形管中,并置于水浴锅中加热至 37 °C。
  7. 完成病毒暴露后,用每孔 200 µL 的 1X PBS 洗涤类器官,静置 15 秒使类器官沉降,然后使用单通道 P200 移液器吸除 1X PBS。
  8. 向每孔加入 200 µL 新鲜 NI,并将培养板放回培养箱继续培养。
    1. 可选:若需设置第 0 天时间点,可在感染后 1 小时对类器官进行成像观察。
  9. 采用分散法每隔一天更换 125 µL NI 继续培养(参见步骤 4)。务必妥善处理废弃的培养基和移液枪头,因其可能含有传染性 ZIKV 病毒颗粒。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
无异源干细胞维持培养基(SCMM),TeSR-E8StemCell Technologies5940用于干细胞维持及类器官形成的早期阶段。由各组分配制后,于4 °C保存,最长可保存两周
无酶解离试剂,ReLeSRStemCell Technologies5873
酶解解离试剂,AccutaseGibcoA11105-01分装后于-20 °C保存,避免反复冻融或长时间处于解冻状态
Y-27632Selleck ChemS1049用DMSO重悬至50 mM,分装为50 µL,于-20 °C保存
二甲基亚砜(DMSO)Sigma-AldrichD2650-100ML
谷氨酸补充型DMEM/F12(1X)Gibco10565-018(+) 2.438 g/L 碳酸氢钠,(+) 丙酮酸钠
N-2补充剂(100X)Gibco17502-048
MEM非必需氨基酸(MEM-NEAA)Gibco11140-050
肝素Sigma-AldrichH4784-1G用无菌去离子水重悬至2 mg/mL,分装为250 µL,于-20 °C保存
Earle's平衡盐溶液(EBSS)GE Healthcare Life SciencesSH30029.02
Stericup滤器(500 mL)Millipore220009-140
Costar超低吸附96孔圆底培养板Corning7007
低残留体积试剂储液槽(25 mL)Integra4312
Pipet-Lite多通道移液器 L12-200XLS+Rainin17013810
大型离心机,兼容培养板Thermo Scientific75007210
培养板离心机转子Thermo Scientific75005706
Vero细胞ATCCCCL-81如需进行病毒扩增时使用
寨卡病毒(乌干达株)ATCCVR-1838也可使用其他毒株
寨卡病毒(波多黎各株)ATCCVR-1843也可使用其他毒株

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