通过人体志愿者浅表刮取活检获得的鼻上皮细胞,在组织培养插件中进行扩增和转移。当细胞达到汇合状态后,于气液界面培养,从而获得纤毛细胞和非纤毛细胞的培养物。分化的鼻上皮细胞培养物为研究呼吸道黏膜提供了可行的实验模型。
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通过人体志愿者浅表刮取活检获得的鼻上皮细胞,在组织培养插件中进行扩增和转移。当细胞达到汇合状态后,于气液界面培养,从而获得纤毛细胞和非纤毛细胞的培养物。分化的鼻上皮细胞培养物为研究呼吸道黏膜提供了可行的实验模型。
体外模型利用人原代上皮细胞,对于理解呼吸上皮在微生物感染或吸入性物质作用下的关键功能至关重要。通过对来自疾病人群的细胞进行直接比较,可帮助我们表征不同的表型,并解析介导上皮细胞功能变化的潜在机制。人支气管上皮细胞的培养已有充分文献记载,但受限于人肺组织的可获得性,或获取支气管刷检样本所伴随的侵入性操作。鼻上皮细胞则可通过创伤更小的浅表鼻腔刮取活检获得,且受试者可多次接受活检而无明显副作用。此外,鼻腔是呼吸系统的入口,因此也是暴露于各类空气传播应激源(如微生物因子、污染物或过敏原)的首要部位。
简而言之,从人类志愿者获取的鼻上皮细胞首先在包被的组织培养板上扩增,然后转移至细胞培养小室中。当细胞达到融合状态后,继续在气液界面(ALI)条件下培养数周,从而建立更接近生理状态的培养环境。ALI培养条件使用成分明确的培养基,可诱导形成分化的上皮层,其形态学和功能特征与人体鼻上皮相似,包含纤毛细胞和黏液分泌细胞。含有分化后鼻上皮细胞的培养小室可根据不同的研究问题进行多种操作(如药物处理、慢病毒载体转导、气体暴露或微生物感染),并可针对多种终点指标进行分析,包括细胞与分子通路、功能变化、形态学等等。
体外 分化的人类鼻上皮细胞模型将使研究人员能够利用在很大程度上模拟鼻上皮的器官型实验模型,回答新颖且重要的研究问题。 在体内.
技术目标
气道中的上皮细胞(ECs)是吸入性环境应激原(如病原体、过敏原或空气污染物)最先直接接触的部位之一。上皮细胞不仅是结构性屏障,还发挥类似交换站的作用,启动并调控呼吸道免疫反应。1-3 通过可溶性介质的释放4-6 及其表面配体/受体的表达 7-9. 虽然永生化细胞系可作为研究呼吸道上皮细胞的模型 体外,它们无法分化成由极化的纤毛细胞和产黏液细胞组成的异质性细胞群体,这与所观察到的情况相似 在体内. 为了重现呼吸上皮中观察到的重要特征 在体内,可使用原代气道ECs。因此,我们的目标是优化利用来自人类志愿者的鼻上皮细胞(NECs)的方法。NECs经扩增和培养 体外,从而获得一种分化鼻上皮细胞的培养模型,该模型模拟了鼻上皮的多种特征 在体内.
原理
使用 体外 模拟人原代ECs的模型 在体内 这种情况——如本研究所述——为研究内皮细胞(ECs)的疾病特异性差异、与气道上皮相关的生理参数,以及内皮细胞与其他细胞类型(如树突状细胞)之间的相互作用提供了独特的机会。 10自然杀伤细胞11 或巨噬细胞。现有的多种方法利用支气管上皮细胞(ECs),这些细胞可通过支气管镜检查期间的刷取活检侵入性获取,或来自其他情况下将被丢弃的肺组织12-17此外,已有商业来源可提供完全分化的人呼吸道上皮细胞培养模型(如 MatTek 公司(美国马萨诸塞州阿什兰)的 EpiAirway 模型、Lonza 公司(瑞士巴塞尔)的 Clonetics、Epithelix Sars 公司(瑞士日内瓦)的 MucilAir),研究者可从中选择不同供体的细胞。然而,由于 commercially available 上皮细胞来源有限、可选或预设的实验参数较少、获取原代人呼吸道上皮细胞的商业成本较高,以及难以获得废弃的肺组织或新鲜的人支气管活检组织,许多研究者无法开展基于完全分化的人呼吸道上皮细胞的研究。因此,我们致力于开发一种技术,该技术将:1)利用无创获取的人鼻上皮细胞(NECs);2)提供一种可获得分化人呼吸道上皮细胞培养物的实验方案;3)在大多数具备常规组织培养设施的实验室中均可重复实现。
相较于现有技术/模型的优势
与支气管或小气道上皮细胞相比,获取新鲜鼻上皮细胞(NECs)的侵入性显著更低,受试者可多次接受鼻部刮取活检而无明显副作用,且表浅鼻刮取活检可用于那些因病情原因无法接受研究相关支气管镜检查的患者群体。这种非侵入性的表浅刮取活检方法使研究者能够自主设定供体筛选标准。 先验地,包括年龄、性别、疾病状况, 等等。 根据拟实现的研究目标而定。因此,在设计研究方案时,研究者不受临床可获取的组织或上皮样本的限制,无需从商业供应商处购买昂贵的已分化细胞培养模型,也无需设计具有侵入性的支气管镜检查研究。此外,鼻上皮细胞(NECs)易于获取,使得研究者能够开展来自不同供体细胞的实验,从而增强所观察结果的统计学验证能力。最后,鼻腔是暴露于各类空气传播应激源的首要部位之一。因此,构建类器官型 体外 模拟鼻黏膜的培养系统可用于研究病毒颗粒、污染物、过敏原或气体的吸入,通过该细胞培养系统可轻松实现上述研究。
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1. 准备塑料器皿:包被培养板
2. 获取和预处理人鼻上皮细胞活检样本
3. 在塑料培养皿上接种细胞(第0天)
4. 在培养瓶中扩增细胞
5. 在细胞培养小室中接种细胞
6. 当细胞完全汇合后建立气液界面(当Transwell上的细胞完全汇合时)
注意:在不同培养板之间移液时需更换枪头,且从顶端表面移液至基底侧表面时也需更换枪头。在气液界面(ALI)培养约2周后,细胞开始分化并出现纤毛。细胞培养约4周后在气液界面达到完全分化。
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按照本方案培养的NECs会再分化为由纤毛细胞和非纤毛细胞组成的异质性内皮细胞层,代表了 体内 情况图1)。部分分化的 NEC 为黏液分泌细胞(经 AB/PAS 染色呈蓝色的细胞, 图1B)。尽管本实验方案已进行了优化,但不同细胞群体的分布仍可能存在差异(即 不同比例的纤毛细胞:黏液分泌细胞:非纤毛细胞),甚至可能形成更倾向于鳞状的上皮。这些差异可能取决于供体人群,因而可代表潜在疾病表型的再现,正如我们先前利用吸烟者的鼻上皮细胞(NECs)所证实的那样。 18. 图2 展示了使用不同方案和培养基配方进行再分化时效果欠佳的NECs实例。这些细胞呈鳞状,既非立方形,也无纤毛,无法模拟假复层呼吸道上皮图2).
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呼吸道上皮细胞不仅为人体提供抵御外源性刺激的物理屏障20,还能作为中枢,启动并调节呼吸道免疫防御反应1-3 通过分泌可溶性介质或直接的受体-配体细胞间相互作用。为了进一步研究内皮细胞(ECs)在免疫反应中的作用,检测来自疾病人群的内皮细胞之间的潜在差异,或研究外源性应激因素对内皮细胞的影响,重建这些 在体内 情况。人类气道包含超过40种不同的细胞类型20 包括不同类型的上皮细胞,如纤毛细胞、杯状细胞和基底细胞20本方案描述了如何处理浅表鼻腔刮取活检样本以获得可扩增培养并重新分化的鼻上皮细胞(NECs),从而建立在很大程度上模拟鼻上皮组织的NEC培养体系。 在体内
利用这种类器官型原代人鼻上皮细胞(NECs)的体外模型为多种应用提供了独特的机会。该模型可用于研究鼻上皮细胞在不同疾病中的特异性差异(例如囊性纤维化、哮喘、吸烟),揭示疾病的潜在机制,以及对空气污染物(例如臭氧、柴油机尾气、香烟烟雾)进行可控暴露研...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此感谢 Lisa Dailey 提供的有益建议。
本研究工作获得了美国国立卫生研究院(ES013611 和 HL095163)、飞行乘务员医学研究所(FAMRI)以及环境保护局(CR83346301)的资助,并声明无利益冲突。本文内容完全由作者负责,不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。尽管本文所述研究部分由美国环境保护局通过与北卡罗来纳大学教堂山分校环境医学、哮喘与肺生物学中心签订的协作协议 CR83346301 资助,但该研究尚未经过该机构要求的同行评审和政策审查,因此不一定反映该机构的观点,不应推断其官方认可。提及商品名称或商业产品并不构成对其使用之认可或推荐。Loretta Müller 获得瑞士国家科学基金会个人资助的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 鼻窥器 | Welch Allyn | Model 22009 | 9 mm,可重复使用的聚丙烯 |
| 使用耳镜 | Welch Allyn | Model 21700 | |
| 鼻腔探针细胞比色皿 | Arlington Scientific | SY-96-092 | 稍微多弯曲一下比色皿的头部 |
| 12孔培养板 | Corning | 3512 | |
| Transwell 膜细胞培养小室 | Corning | 3460 | |
| 组织培养瓶 | Corning | 430639 和 430641 | T25 和 T75 透气培养瓶 |
| RPMI 1640 培养基(含 L-谷氨酰胺) | Gibco | 11875 | |
| 支气管/气管上皮细胞生长培养基 | 细胞应用 | 511-500 | |
| BEGM 支气管上皮细胞生长培养基 | Lonza | CC-3170 | 这包含一套试剂盒,内有一瓶培养基和若干瓶补充剂。 |
| 7.5% 碳酸氢钠溶液 | Gibco | 25080 | 按原样使用。 |
| NuSerum | BD Biosciences | 355104 | 照常使用。 |
| BAMBANKER 冻存培养基 | BAMBANKER | 302-14681 | 照原样使用。 |
| CoolCell | Biocision | HTBCS-136 | (CryoPrep 无酒精细胞冻存容器) |
| PureCol | AdvancedBioMatrix | 5005-B | 用无菌水按1:100稀释(浓度约为0.03 mg/ml),使用500 μ12 孔板每孔 |
| 含钙的HBSS2 和 Mg2+ | Gibco | 14025 | |
| DNA酶1 | Sigma | DN25 | 溶解至 1.5 mg/ml,即 100 倍溶液,加入 10 μ每毫升培养基中加入 l |
| 胰蛋白酶,0.25%,1×,含酚红 | Gibco | 25200-056 | 按原样使用 |
| 大豆胰蛋白酶抑制剂(SBTI) | Sigma | T6522 | 使用 HBSS 溶解,浓度为 1 mg/ml |
| 视黄酸 | Sigma | R7632 | 补足至 100 μM 储备液(见下文),稀释至 10 μM 用无水乙醇,取 5 μl 的此溶液加入 1 ml BEGM 培养基中(配制成工作液)。 全反式视黄醇在乙醇中于325 nm处的消光系数为52,480。将25 mg溶于50 ml无水乙醇中。需进行系列稀释:取50 ml储备液加入450 ml无水乙醇中,取其中50 ml再加入450 ml无水乙醇中,再取50 ml加入450 ml无水乙醇中,再次取50 ml加入450 ml无水乙醇中,然后取100 ml加入900 ml无水乙醇中,在分光光度计中于325 nm处测定吸光度,所得数值乘以其’ 稀释倍数,再除以消光系数 52,480,即可得到以 mM 为单位的数值。配制 100 mM 原液(于 -20 ℃ 保存) °C)并由此储备液配制10 mM的等分试样,则每日所需的视黄酸为将5 ml该10 mM等分试样加入995 ml ALI培养基中。示例:325 nm处的读数为1.15。计算:1.15 × 10,000(稀释倍数)/ 52,480 = 0.219 = 219 mM,用无水乙醇将此溶液配制成100 mM的储备液。 |
| DMEM高糖(1倍浓度),液体,含L-谷氨酰胺和丙酮酸钠 | Gibco | 11995 | |
| 牛垂体提取物 | Gibco | 13028-014 | 用于 BEGM ALI 培养基。 |
| 制霉菌素 | Sigma | N4014-50 mg | 配制 3.3 mg/ml 的溶液。 |
| 牛血清白蛋白 | Fisher Scientific | BP1600-100 | 在超纯水中配制 10 mg/ml 的溶液。 |
| PneumaCult-ALI 培养基 | 干细胞 | 5001 | 这包含一套试剂盒,内含一瓶培养基和若干瓶补充剂。详情见下文。 |
| 氢化可的松 | 干细胞 | 7904 | 将 2.4 mg 氢化可的松溶解于 1 ml ddH₂O 中2O(用于配制200倍浓度氢化可的松储备液) |
| PBS 中的肝素钠盐(2 mg/ml) | 干细胞 | 7980 | 照原样使用。 |
| 滤器瓶(500 ml) | Corning | 431097 | 0.22 μm 孔径 |
| 滤管(50 ml) | Millipore | SCGP00525 | Steriflip,0.22 μm 孔径 |
| 移液器吸头 - ART Barrier Tips | 分子生物制品 | 2139RI, 2069RI, 2179RI | |
| 锥形管,无菌,15 ml 和 50 ml | |||
| ddH2O,绝对乙醇,冰 | |||
| CO2 培养箱 | |||
| 冷藏离心机 | |||
| 生物安全柜 | |||
| 移液器(P2、P200、P1000),9英寸玻璃移液管 | |||
| 手套 | |||
| 袖口收窄的实验服 | |||
| <表格 边框="1"> | |||
| 使用的培养基和溶液: | 配方 | 用于 | |
| 一般注意事项:始终将培养基预热至室温 | |||
| BEGM 培养基 |
| (将两者等体积混合并过滤) | |
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| BEGM+ 培养基 |
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| BEGM++ 培养基 |
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| BEGM ALI 培养基 |
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| 200倍氢化可的松储备液(96 μl/ml 溶液 |
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| 通过0.22 μm滤膜过滤溶液 μm 滤器过滤,分装溶液并于 -20 保存 °C,避免额外的冻融循环 | |||
| PneumaCult-ALI 完全基础培养基 |
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| (此溶液在2-8℃下可稳定保存2周) °C 或在 -20°C 下保存长达 6 个月 °C) | |||
| PneumaCult-ALI 维持培养基 | 每 1 ml PneumaCult-ALI 完全基础培养基中添加: | 插入式培养小室中的气液界面培养 | |
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