利用啮齿类动物泌尿生殖窦间质与人类干细胞的组织重组形成人类前列腺上皮

摘要

为了揭示前列腺癌发生早期的分子机制，迫切需要新颖且创新的人类模型系统和研究方法。前前列腺尿生殖窦间充质（UGSM）具有诱导多能干细胞群体形成人类前列腺上皮的潜力，是前列腺研究中一种强大的实验工具。

摘要

前列腺癌研究的进展严重受限于人源性且激素初治模型系统的缺乏，这限制了我们对前列腺疾病发生过程中遗传和分子事件的理解。为了开发更优的模型系统以研究人类前列腺癌变，我们及其他研究者利用了胚胎啮齿类动物前列腺间质所特有的促前列腺诱导潜能，即尿生殖窦间充质（UGSM）。当UGSM与某些多能细胞群体（如胚胎干细胞）重新组合时，可在依赖睾酮的条件下诱导形成正常的人类前列腺上皮。这种人类模型系统可用于加速研究和实验验证候选前列腺癌易感基因的功能，其研究速度较传统的转基因啮齿类动物研究显著加快。由于人类胚胎干细胞（hESCs）在组织重组前可在体外培养中通过可诱导基因表达或siRNA敲低载体进行遗传修饰，该模型有助于检测被认为促进或抑制癌变的单个基因或基因组合的功能后果。

然而，分离出纯的UGSM细胞群体的技术具有挑战性，学习该技术通常需要有前期经验的专业人员亲自指导。此外，在免疫缺陷宿主的肾包膜下接种细胞混合物在技术上也较为困难。本文概述并图示了从啮齿类动物胚胎中正确分离UGSM以及将组织混合物植入肾包膜以形成人类前列腺上皮的方法。目前阶段，该方法需要胚胎干细胞的in vivo异种移植；未来应用可能包括in vitro腺体形成或诱导性多能干细胞群体（iPSCs）的使用。

引言

迫切需要建立更优的人类前列腺癌模型系统。特别是，能够通过遗传操作来直接阐明特定基因在前列腺癌发生中作用的正常、非恶性人类前列腺组织模型系统，将具有极高的研究价值。基因组时代的到来已识别出大量可能参与癌症形成的基因。然而，由于缺乏可用的实验性人类模型系统，我们对候选前列腺癌易感基因进行功能验证和表征的能力受到严重限制。理想的模型系统应能促进癌症易感基因的快速乃至更快速的功能分析，并与适当的转基因啮齿类动物模型系统相结合。此外，此类人类模型系统还将有助于解析前列腺癌发生过程中信号转导机制的分子特征，从而推动预防前列腺癌发生的新疗法的发现与验证。

人类胚胎干细胞（hESCs）能够作为异种移植物形成人类前列腺组织。2006年，Taylor 等 报道称，人胚胎干细胞（hESCs）可被诱导形成前列腺上皮 在体 在8至12周的时间范围内，与啮齿类动物尿生殖窦间充质（UGSM）重新结合后。¹ 这些研究基于 Cunha 实验室此前的工作，该工作表明啮齿类动物胚胎期尿生殖窦间充质（UGSM）可促进干细胞及胚胎上皮细胞群体向前列腺方向分化。 体内.^2,3 前列腺起源于称为尿生殖窦（UGS）的胚胎原基，在胚胎第17天之前（小鼠E17；大鼠E18），可将UGS取出并物理分离为上皮（UGSE）和间质（UGSM）。⁴ 这种组织重组方法显著加深了我们对前列腺发育及癌变过程的理解，特别是生长因子和激素信号通路，以及前列腺间质与上皮之间的分子关系。^5-8 该方法涉及 离体 将UGSM与相同或不同物种的干细胞或上皮细胞组合，形成细胞/组织重组体，并将其移植到小鼠宿主体内进行生长，形成异种移植模型。^4,9 经过一段时间后 在体 生长后，移植物包含嵌于间质组织中的前列腺上皮腺样结构。可进一步进行染色以确定这些结构是否确实为前列腺来源且起源于人类。^10,11

方案

本研究严格遵循美国国立卫生研究院（NIH）《实验动物护理与使用指南》中的建议进行。实验方案经芝加哥大学机构动物护理与使用委员会（IACUC，方案编号 72066 和 72231）批准。所有手术均在麻醉条件下进行，并尽一切努力最大限度减少动物痛苦。人类胚胎干细胞系 WA01（H1；NIH 注册号 #0043）购自 WiCell（美国威斯康星州麦迪逊市），采用无饲养层培养法，使用 mTeSR1 培养基（Stem Cell Technologies；加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华市）进行培养。胚胎干细胞在解冻后十代内使用。

1. 小鼠或大鼠胚胎尿生殖窦的分离

1. 通过吸入 CO₂ 5 分钟处死一只孕程明确的小鼠（第 17.5 天）或大鼠（第 18.5 天）。通过确认大鼠生命体征停止来验证死亡。随后以人道方式折断其颈部。此时大鼠已被安乐死。使用 70% 乙醇喷洒腹部皮肤及侧腹区域以进行消毒。切开腹部皮肤和肌肉层，然后切开子宫，将大鼠胚胎从羊膜囊中分离，并剪断脐带。将胚胎转移至含有冰上预冷的 Hank's 平衡盐溶液（HBSS）的 50 ml Falcon 管中，并保持在冰上。胎儿通过手术剪断头法实施安乐死。
2. 将胚胎置于 100 mm 培养皿中。用剪刀在脐部水平将胚胎纵向剖开（图 1A）。移除胃和小肠。暴露雌性胚胎的卵巢和雄性胚胎的睾丸（图 1B 和 1C）。（卵巢位于肾脏的尾极；睾丸大致位于膀胱水平。）在此发育阶段，无论来自雄性还是雌性胚胎的尿生殖窦间充质（UGSM）均能在宿主睾酮存在下诱导前列腺上皮谱系的形成。⁴ 然而，在此发育时间点之后，前列腺芽开始向 UGSM 内形成，从而使得纯 UGSM 的分离变得极为困难。⁴
3. 在解剖显微镜下，使用 Vannas 剪刀沿中线剪开腹壁，暴露膀胱及腹后壁。松解上生殖道的附着组织（在雄性胚胎中剪断输尿管、中肾管和苗勒管；在雌性胚胎中剪断输尿管和苗勒管）。将膀胱与脐带分离。剪断耻骨，并使用 Dumont 细尖镊子钝性分离尿生殖窦前壁。最后，将尿生殖窦后壁与直肠分离。在远端（从尿道处）连同膀胱一起剪下尿生殖窦，并将尿生殖窦整体（连同膀胱）保存于冰上预冷的 HBSS 中。

2. 泌尿生殖窦间充质的分离

1. 在解剖显微镜下将膀胱从尿生殖窦中分离（图1D）。
2. 将尿生殖窦转移至含有1%胰蛋白酶（无钙离子Ca²⁺和无镁离子Mg²⁺的HBSS配制）的离心管中，置于4 °C冰箱中消化75分钟。
3. 去除胰蛋白酶，并用含10%胎牛血清（FBS）的DMEM/F12培养基中和胰酶消化作用。
4. 使用针头或Dumont精细镊子小心地将黏附的间充质层从上皮管中剥离（保持上皮管完整可减少上皮细胞对间充质的污染；否则可能导致在干细胞来源的人类腺体上皮中混杂形成啮齿类动物的腺体）（图1D）¹²。
5. 将尿生殖窦间充质（UGSM）转移至新的离心管中，加入含DMEM/F12培养基 + 10% FBS + 1%青霉素/链霉素（Pen/Strep；0.5 mg/ml）+ 1%非必需氨基酸（NEAA）以及1 nM R1881的培养液。将离心管置于37 °C、5% CO₂的培养箱中过夜培养。
6. 以200 × g离心，弃去上清液。用磷酸盐缓冲液（PBS）洗涤（勿扰动组织沉淀）。
7. 加入0.2%胶原酶（溶于DMEM/F12中）重悬组织，在37 °C轻轻摇动孵育1小时。
8. 剧烈涡旋消化后的组织三次，直至形成均一的单细胞悬液，然后加入含DMEM/F12 + 10% FBS + 1% P/S + 1% NEAA + 1 nM R1881的培养基以中和胶原酶活性。
9. 以200 × g离心，随后用HBSS重悬UGSM细胞进行洗涤，重复三次以彻底清洗UGSM。最后将间充质细胞重悬于DMEM/F12培养基中，使用血细胞计数板或细胞计数仪进行细胞计数。
10. 使用Accutase消化法（Millipore；Billerica, MA）将采用无饲养层体系、mTeSR1培养基（Stem Cell Technologies；Vancouver, B.C.）培养的人胚胎干细胞（hES细胞）进行解离。在细胞对数生长期，用预热的DMEM/F12培养基洗涤hES细胞，加入预热的1× Accutase溶液，在37 °C孵育15–20分钟，直至细胞集落均匀解离为单细胞。加入等体积的1×定义型胰蛋白酶抑制剂（Invitrogen；Grand Island, NY）以中和Accutase，轻柔吹打混匀以打散细胞团块。将细胞转移至离心管中，以200 × g离心3分钟，弃上清后用DMEM/F12培养基重悬细胞沉淀。再次以200 × g离心3分钟，弃去上清液，最后用冷HBSS或DMEM/F12按所需体积重悬细胞。
11. 按hES细胞与间充质细胞1:2.5的比例加入hES细胞³。每10 ml注射液中含1×10⁵个UGSM细胞和4×10⁴个hESCs（单只大鼠尿生殖窦通常可获得约2×10⁶个间充质细胞）。以200 × g离心5分钟，弃去上清液。用75% Matrigel（BD Biosciences, San Jose, CA；与25%冷HBSS混合以方便操作）重悬细胞，将离心管置于冰上，准备进行肾包膜下注射。

3. 肾包膜下组织重组移植

1. 准备无菌手术区域。
2. 通过腹腔注射（i.p.）使用新鲜配制的氯胺酮/赛拉嗪混合液（氯胺酮:赛拉嗪:生理盐水 = 1:1:8）对雄性裸鼠进行麻醉；剂量为每千克体重100 mg氯胺酮和每千克体重2.5 mg赛拉嗪。若小鼠对脚趾夹捏无反应，则表明已进入充分麻醉状态，可持续维持20–30分钟。
3. 对手术部位进行剃毛（若非使用裸鼠），并用70%酒精和聚维酮碘溶液交替擦拭三次进行消毒，随后覆盖手术巾。
4. 在小鼠眼部涂抹眼用保湿软膏（Altalube眼膏），以防止麻醉期间角膜干燥。
5. 术中需持续监测小鼠的呼吸频率和核心体温。呼吸频率应保持稳定，维持在每分钟40–90次之间。通过观察黏膜颜色及足底是否呈粉红色来评估核心体温。
6. 在背部做一条长1.0 cm的纵向皮肤切口，随后在腹壁做一条长0.5 cm的纵向切口。
7. 轻柔地将肾脏挤出腹腔，并使用无菌生理盐水滴加保持肾表面湿润。
8. 使用一支空的27号针头轻轻穿刺肾包膜，穿刺深度宜极浅。此穿刺点将用于插入钝针以注射细胞混合物。
9. 用28号钝针吸取10 μl细胞混合物，缓慢插入穿刺点并穿透肾实质，到达肾包膜下方区域。注射10 μl细胞混合物，在肾包膜下形成一团药液。随后撤出针头。
10. 将肾脏复位至腹腔内，使用4-0尼龙缝线缝合腹膜肌层。
11. 使用缝线或皮肤钉合器关闭皮肤切口。
12. 用无菌生理盐水清除皮肤表面的血液。

4. 术后镇痛与监测

1. 注射布托啡诺（0.1 mg/kg，每12小时一次）或酮洛芬（3-5 mg/kg生理盐水溶液，每12小时一次）以控制术后疼痛，并腹腔注射1 ml 37 °C生理盐水，以保持动物体温并防止脱水。
2. 将动物置于清洁的笼子中，并放置在温和的加热垫上。
3. 当动物恢复意识并在笼内活动后，将其送回动物房。
4. 术后连续三天每日观察动物是否出现意外的疾病或感染迹象。术后1天开始通过观察小鼠在笼内的活动情况（包括接近食物和饮水的行为）进行监测。若小鼠活动减少，需每日再次腹腔注射酮洛芬。
5. 术后2周拆除皮肤钉合钉或缝线。
6. 异种移植组织最早可在术后8周收获。可使用小动物超声进行移植组织的活体成像（in vivo）（图2A），固定后的组织可切片，并通过免疫组织化学染色检测多种蛋白表达（图3）。

结果

在泰勒（Taylor）令人振奋的报告基础上， 等本实验室已开发出一种移植方案，采用常用的人类胚胎干细胞系H1（NIH指定编号WA01，遗传学为雄性）。¹ 该细胞系已通过严格的质量控制检测，核型正常。¹³ 在适当培养条件下，人类胚胎干细胞（hES细胞）可通过无饲养层培养方法（无饲养层系统由加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华市Stem Cell Technologies公司商业化提供）进行维持、扩增和冷冻保存，同时保持其未分化和多能状态。¹⁴ 本方案采用人胚胎干细胞（hESCs）的单细胞悬液与E18大鼠尿生殖窦间质细胞（UGSM）的单细胞悬液混合，注射至成年雄性免疫缺陷小鼠的肾包膜下。作为重要的对照，单独植入UGSM不产生可辨别的生长，而将hESCs在无UGSM的情况下植入则形成大的畸胎瘤。图2B).¹⁵ 根据我们的经验，单独移植未被大鼠上皮细胞污染的尿道生殖窦间质（UGSM）从不会导致组织生长，而将UGSM与人胚胎干细胞（hESCs）重组后，超过80%的情况下可产生显著的组织生长（8周后组织大小范围为1 m...

讨论

利用泌尿生殖窦间质（UGSM）进行组织重组是一种极为有用的技术，可用于研究前列腺的发育过程以及导致前列腺癌起始的分子事件。UGSM 的诱导潜能已在前列腺研究的多个方面得到应用，包括提高前列腺细胞系和肿瘤的成瘤率、研究间质-上皮相互作用，以及构建跨物种的前列腺重组体^7,17-20。然而，UGSM 的正确制备对于实验成功至关重要，因为残留的啮齿类上皮组织可能导致腺体形成，从而干扰实验结果。因此，将 UGSM 与泌尿生殖窦上皮（UGSE）分离（步骤 2.4）是整个实验方案中最关键且最具挑战性的步骤。为控制此类污染，强烈建议采用能够区分物种来源的技术，同时增设仅使用 UGSM 的对照组，以证实无细胞污染物引发的腺体形成¹²。

近期开发的无饲养层hES细胞培养试剂与方法使得纯化的hES细胞群体能够被培养、扩增并冷冻保存。¹⁴ 此外，慢病毒基因递送技术的广泛应用实现了目的基因的稳定基因组整合与表达。^21,22 这些技术进步相结合，使得对纯化的hES细胞进行遗传操作成为可能；当与前列腺胚胎尿生殖窦间质（UGS...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Hank’s 平衡盐溶液（HBSS）	GIBCO	14170
DMEM/F12	GIBCO	11330
R1881	Sigma	965-93-5	用乙醇配制成 1 µg/mL（1,000 倍储存液）
非必需氨基酸（NEAA）	GIBCO	11140
青霉素-链霉素溶液（Pen-Strep Solution）	GIBCO	15070	100 倍储存液
Matrigel	BD Biosciences	354230
KETASET（盐酸氯胺酮）	Fort Dodge Animal Health	NDC 0856-2013-01	100 mg/mL；用无菌生理盐水稀释 1:10
AnaSed（赛拉嗪）	VET-A-MIX, Inc.	NADA 139-236	20 mg/mL；用无菌生理盐水稀释 1:10
胰蛋白酶（Trypsin）	BD Biosciences	215240
胶原酶（Collagenase）	Sigma	C2014
酮洛芬（Ketoprofen）	Fort Dodge	NDC 0856-4396-01	100 mg/mL；用无菌生理盐水稀释 1:1,000
Altalube 眼药膏	Altaire Pharmaceuticals, Inc.	NLC 56641-19850
Leica MZ16 F 体视显微镜	Leica		任何性能良好的解剖显微镜均可使用。
Vannas 弹簧剪	Fine Science Tools	15001-08
注射器	Hamilton	84855
Hamilton 针头，小型 RN，28 号，0.5 英寸，尖端类型 #3（钝头）	Hamilton	7803-02	定制针头
乙醇消毒垫	Fisher Scientific	06-669-62
无菌纱布垫	Fisher Scientific	22-415-469
强生 Vicryl 缝线（4-0 FS-2）	MedVet International	J392H	带针，可吸收缝线
Autoclip 9 mm 伤口夹	Becton Dickenson	427631
聚维酮碘消毒垫	Fisher Scientific	06-669-98
钝头解剖剪	Fine Science Tools	14072-10
Dumont 精细尖头镊	Fine Science Tools	11252-50
带剪线器的持针钳	Fine Science Tools	12002-14