本实验方案的目的是利用荧光激活细胞分选技术(FACS)分离人淋巴管畸形囊样血管和包皮中衬覆的淋巴内皮细胞。对这些细胞进行后续培养与扩增,可为基因组学、蛋白质组学、功能研究及细胞分化研究提供更高水平的实验条件。
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本实验方案的目的是利用荧光激活细胞分选技术(FACS)分离人淋巴管畸形囊样血管和包皮中衬覆的淋巴内皮细胞。对这些细胞进行后续培养与扩增,可为基因组学、蛋白质组学、功能研究及细胞分化研究提供更高水平的实验条件。
原发性淋巴水肿、淋巴管畸形和淋巴管肿瘤等淋巴系统疾病是一类罕见病,可导致严重的发病率,但目前对其生物学特性了解甚少。从病变组织和正常组织中分离出高纯度的人淋巴管内皮细胞(LECs),将有助于在基因、分子和细胞水平上对淋巴内皮进行研究。预计这些研究可能发现新的治疗靶点,从而改变这些疾病的临床管理策略。本文介绍了一种分离人包皮来源的淋巴管内皮细胞及淋巴管畸形来源的淋巴管内皮细胞(LM LECs)的实验方案。为获得单细胞悬液,将组织剪碎后使用中性蛋白酶II和胶原酶II进行酶解处理。所得单细胞悬液随后用针对分化簇(CD)标记物CD34、CD31、血管内皮生长因子受体-3(VEGFR-3)以及PODOPLANIN的抗体进行标记。通过荧光激活细胞分选仪(FACS)对染色后的活细胞进行分选,以分离出CD34LowCD31PosVEGFR-3PosPODOPLANINPos 表型的LM LEC群体,排除其他内皮细胞和非内皮细胞。分选获得的LM LECs可在纤维连接蛋白包被的培养瓶中进行培养扩增,用于后续实验研究。
淋巴管系统的主要功能是吸收淋巴液,即含有脂质、蛋白质和细胞成分的过量组织间液,并将其输送至血液静脉系统。淋巴毛细管网络将淋巴液引流至淋巴结,在此处对其中是否存在外来抗原进行筛查,这是免疫监视以及部署白细胞以中和外来抗原的重要过程。
单向的淋巴系统始于组织中的初始淋巴毛细血管,这是一种独特的结构,由一层不连续的薄壁扁平内皮细胞构成,其具有特化的细胞连接,允许淋巴液进入1,2。这些毛细血管通过锚定纤维与邻近的结缔组织基质相连,以防止在间质压力升高时血管塌陷3。初始淋巴毛细血管汇入集合淋巴毛细血管,后者进一步汇合成更大的淋巴管或静脉。与初始淋巴毛细血管相比,集合淋巴管具有更厚的管壁、成对的淋巴瓣膜,并被一层不连续的基底膜包裹,其中嵌有少量平滑肌细胞4。淋巴瓣膜的协调开闭以及平滑肌细胞的收缩有助于淋巴液的流动3。在人体中,来自身体不同区域的淋巴管汇合形成淋巴干,再进一步合并为两条主要的淋巴导管:胸导管和右淋巴导管。胸导管引流身体左侧以及胸部以下右侧区域的淋巴液,而右淋巴导管则引流右上肢以及头、颈和胸部右侧的淋巴液。两条导管均将淋巴液导入颈部的锁骨下静脉5。
淋巴系统疾病 broadly 分为获得性和先天性两类(表1)。获得性疾病的例子包括淋巴管炎和继发性淋巴水肿。淋巴管炎是由细菌感染引起的淋巴管炎症。受累淋巴管扩张,并充满含有多形核细胞的渗出液。在皮肤上,这些淋巴管表现为红色、疼痛的皮下条索,常伴有相应引流区域淋巴结的肿大(淋巴结炎)6。继发性淋巴水肿是由于淋巴管或淋巴结受损或阻塞所致,导致损伤或阻塞部位远端淋巴液积聚,引起慢性进行性肿胀。在发达国家,继发性淋巴水肿最常见于恶性肿瘤,转移性肿瘤可阻塞淋巴管或区域淋巴结,或继发于抗癌治疗,如淋巴结手术切除、放疗后纤维化以及炎症后血栓形成和瘢痕形成7。在世界其他地区,继发性淋巴水肿可能继发于寄生虫(如Wuchereria bancrofti)引起的淋巴管阻塞6。
| 淋巴管系统疾病 | |||
| 获得性 | 先天性 | ||
| 淋巴结炎 继发性淋巴水肿 | 原发性淋巴水肿10 | 散发性淋巴管畸形13 | 综合征相关性淋巴管畸形13 |
| 例如 Milroy 综合征 Meige 综合征 | 单纯性: 淋巴管畸形 | 例如 Klippel-Tranaunay 综合征 Parks Weber 综合征 Sturge-Weber 综合征 | |
| 复合性: 毛细血管-淋巴管畸形 毛细血管-淋巴管-静脉畸形 毛细血管-淋巴管-动静脉畸形 毛细血管-淋巴管-静脉-动静脉畸形 | |||
表1. 淋巴血管系统疾病的概述。
淋巴系统先天性发育异常包括原发性(特发性)淋巴水肿,其被认为由基因突变引起,以及淋巴管扩张症和淋巴系统结构异常8,9。原发性淋巴水肿可为散发性,推测由新生突变(de novo mutations)导致,也可为遗传性。淋巴系统疾病既可以是孤立发生的,也可作为更广泛综合征的一部分出现10。在儿童人群中,97%的淋巴水肿为散发性,其特征为淋巴管结构异常,导致局部淋巴引流障碍11。米尔罗伊病(Milroy disease)是一种典型的原发性淋巴水肿,由出生时或出生后不久即可发现的 VEGFR-3 基因突变所致12。尽管该病多为家族性,但在无米尔罗伊病家族史的婴儿中也可发现该病32。任何类型淋巴水肿的严重程度均取决于淋巴液生成量以及将淋巴液回输至静脉循环的能力6。
根据临床表现和原位内皮细胞增殖情况,淋巴系统异常被分为淋巴系统肿瘤或淋巴系统畸形13。卡波西样淋巴管瘤病即为一种淋巴内皮细胞肿瘤的实例14。淋巴系统畸形被认为起源于胚胎发育阶段,并随儿童生长而成比例增大15,16。此类畸形极少自行消退,但可长期无症状,直至外伤或感染诱发其迅速生长,进而导致临床并发症。在淋巴系统畸形中,上述淋巴网络的有序结构以及淋巴液从组织向静脉循环的传导过程受到破坏,病变表现为局部聚集的异常囊性结构,其内充满淋巴液。尽管尚无临床或实验证据表明这些囊性血管与淋巴循环系统相连,或含有功能性淋巴瓣膜,但其淋巴系统特性可通过表达一系列淋巴细胞标志物得以确认,例如PODOPLANIN、CD31、淋巴管内皮受体1(LYVE-1)、Prox1同源框蛋白1(PROX-1)和VEGFR-315,17,18。这些囊性结构可为小型(微囊型)或大型(巨囊型),但大多数淋巴系统畸形同时包含微囊型和巨囊型成分(图1)16。在手术切除、注射硬化治疗和/或射频消融后,淋巴系统畸形常会复发。

图1. 人淋巴管及淋巴管畸形的形态学特征。 使用PODOPLANIN抗体(棕色标记,箭头)标记的正常人淋巴管(A)和淋巴管畸形血管(B 和 C)。人淋巴管畸形血管的特征是明显扩张,并且管腔大小存在显著差异。这些局部异常的囊性结构可为较小者(微囊型,*)(B),或较大者(大囊型,#)(C)。大多数淋巴管畸形同时包含微囊型和大囊型成分。请点击此处查看该图的放大版本。
一些研究者认为,淋巴管畸形代表了淋巴管系统发育异常,其中淋巴管内皮细胞(LEC)本身并不具备异常增殖潜能,而是未能与正常循环系统建立连接19。然而,我们发现,与包皮来源的淋巴管内皮细胞相比,淋巴管畸形来源的淋巴管内皮细胞(LM LECs)增殖更快,且对凋亡更具抗性15,这提示LM LECs本身存在原发性缺陷。当将LM LECs植入小鼠异种移植模型时,它们可形成类似淋巴管畸形的结构15。这一发现支持了如下假说:淋巴管畸形可能是由于胎儿发育过程中LM LECs发生了一种或多种体细胞突变所致。事实上,近期已有研究报告鉴定出磷酸肌醇-3-激酶(Phosphoinositide-3-Kinase)的p110α催化亚基编码基因(PIK3CA)中存在此类突变之一20。
随着DNA测序技术的进步,可在分离的LM淋巴管内皮细胞(LEC)中更便捷地鉴定出相关突变,从而为这些疾病的研究提供方向。分离出具有活性的LEC将有助于在迁移、增殖、成管能力以及在营养缺乏或促凋亡因子作用下的存活能力等实验中,对异常与正常LEC进行比较。分离的LEC还可使我们开展细胞特异性的基因表达和蛋白质组学研究,明确新的LEC亚群,并发现适用于淋巴管畸形临床治疗的新型药理学药物15。
我们此前发表了一种基于磁珠分离技术从新生儿包皮及淋巴管畸形组织中分离淋巴管内皮细胞(LEC)的方法15。我们曾报道一种策略,即利用淋巴管内皮细胞不表达CD34的特性,将其与血管内皮细胞分离,随后对CD34Neg细胞组分进行CD31阳性筛选。然而,该方法受限于存在残留的非内皮细胞。这一问题与在后续结缔组织消化前是否去除表皮无关。这些污染细胞通常增殖速度更快,因此即使重复进行LEC分离,最终仍会过度生长并取代内皮细胞培养物。事实上,初始污染的非内皮细胞比例低至2%至5%就足以完全压制LEC群体15。这促使我们探索采用荧光激活细胞分选技术,以提高LEC的得率和纯度。此外,我们采用了多参数分选策略以增强LEC群体的特异性,将VEGFR-3和PODOPLANIN作为附加筛选标志物,用于鉴定CD34LowCD31PosVEGFR-3PosPODOPLANINPos的LEC。
选择这些标志物的依据是已有报道表明,尽管淋巴管内皮细胞(LEC)和血液血管内皮细胞具有许多共同的细胞表面标志物(如CD31),但与血液血管内皮细胞相比,LEC在CD34、PODOPLANIN和VEGFR-3细胞表面标志物的表达上表现出表型差异21-23。CD31是一种130 kDa的跨膜糖蛋白,也称为血小板内皮细胞黏附分子1(PECAM-1)。由于其在所有类型的血液和淋巴管内皮细胞上均有表达,因此被认为是泛内皮细胞标志物21,24,25。CD34是一种110 kDa的跨膜糖蛋白,存在于大多数造血祖细胞和干细胞、血管内皮细胞以及部分淋巴管中26。
VEGFR-3 是血管内皮生长因子 C 和 D 的受体,最初存在于小鼠胚胎发育中的静脉中,但在由 SRY 相关 HMG-box(SOX)-18、chicken ovalbumin upstream promoter transcription factor 2(COUPTF-II)和 PROX-1 等转录因子调控的淋巴管特化过程之后,VEGFR-3 在静脉中的表达消失,并转而局限于胚胎淋巴管内皮细胞(LECs)25,27。PODOPLANIN 是一种 38 kDa 的膜结合黏蛋白,在小鼠胚胎发育约第 11 天(~E11.0)首次在淋巴管中被检测到28;尽管微血管淋巴管强烈表达 PODOPLANIN,但在淋巴管畸形中的大囊性淋巴管内皮中,其表达则更具变异性15。流式细胞术实验表明,至少部分 CD34HighCD31Pos 内皮细胞表达淋巴管标志物 PODOPLANIN29。尽管对人类淋巴管畸形中 LYVE-1 和 PODOPLANIN 染色的系统性评估显示,两者均能有效标记淋巴管畸形的内皮细胞30,但在正常组织中,LYVE-1 被报道在初始淋巴毛细血管内皮中强烈表达,而在集合淋巴管内皮中表达减弱甚至缺失31。由于我们的目标是分离初始和集合淋巴管内皮细胞,因此我们选择不将 LYVE-1 用于细胞筛选策略中。最后,选择这些标志物还基于可用于诊断性标记淋巴管以进行显微成像的抗体的可获得性,这一特性有助于流式细胞术与免疫荧光研究结果之间的相互验证。
本文将介绍从包皮和淋巴管畸形组织中成功分离CD34LowCD31PosVEGFR-3PosPODOPLANINPos淋巴管内皮细胞以及CD34HighCD31PosVEGFR-3PosPODOPLANINPos内皮细胞所需的组织消化方法、细胞染色及FACS设置。
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伦理声明:收集淋巴管畸形和包皮组织的伦理批准已由澳大利亚墨尔本皇家儿童医院的人类研究伦理委员会批准。在手术前,已从患者家长处获得书面知情同意。组织样本采集自临床诊断为淋巴管畸形并接受手术治疗的患者,以及接受择期包皮环切术的患者。所有实验均严格遵循澳大利亚国家卫生与医学研究委员会的指导原则进行。
1. 从包皮和淋巴管畸形组织制备细胞悬液
2. 包皮和淋巴管畸形组织单细胞悬液的制备
3. 用于流式细胞术的淋巴管内皮细胞表面标志物抗体染色
4. 细胞分选
5. FACS 分选后细胞培养
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在初始组织消化后,未分选样本经24小时培养,可观察到明显的内皮细胞克隆(图2A),同时存在成纤维细胞样细胞和平滑肌细胞。经分选后,CD34LowCD31PosVEGFR-3PosPodoplaninPos细胞在培养24小时后贴壁,并呈现典型的鹅卵石样形态(图2B和图2C)。采用上述FACS方法,我们可将细胞纯化至高达99.8%的纯度,并将其与CD34HighCD31PosVEGFR-3PosPodoplaninPos内皮细胞区分开来。门控策略与分选的代表性结果见图3。该方法解决了使用磁珠分离法时遇到的问题。截至目前,这些细胞已传代至第13代。在此代次之后,淋巴管内皮细胞(LM LECs)和包皮来源的淋巴管内皮细胞(foreskin LECs)开始出现衰老现象,伴随形态学改变及细胞分裂能力下降。
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淋巴管内皮细胞(LECs)在维持体液稳态、对外来抗原的免疫应答以及某些营养物质的吸收和运输方面发挥着重要作用。LEC 的稳态可受到细菌感染和肿瘤转移等疾病过程的影响,但 LEC 本身也可能发生体细胞突变,导致功能异常的淋巴管形成,并给患者带来显著的疾病负担。为通过深入研究淋巴管畸形的病因学以获得更全面的认识 体内 植入和 离体 实验,并发现新的治疗方案,我们首先开发了一种基于磁珠分选策略、利用CD34的LEC分离方法阴性CD31位置 筛选策略15然而,所获得的培养物中常含有难以去除的非内皮细胞。随后,该方法通过使用流式细胞荧光分选(FACS)对表达CD34的淋巴管内皮细胞(LEC)进行分选而得到优化。低CD31位置VEGFR3位置PODOPLANIN阳性 表型。该方法获得了相对均一的LEC培养物,其中包含 <0.5% 非 CD34低CD31位置VEGFR3位置PODOPLANI...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢贝克基金会和皇家儿童基金会“女性科学研究员奖学金”对Zerina Lokmic的支持。Andrew G. Elefanty和Edouard G. Stanley为澳大利亚国家健康与医学研究委员会(NHMRC)高级研究员。他们实验室的工作得到了NHMRC和澳大利亚干细胞项目的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DMEM | Life Technologies (Gibco) | 11965-092 | 用于从手术室收集组织样本。 |
| EGM-2 MV Bullet试剂盒 | Lonza | CC-3202 | EGM-2 MV Bullet试剂盒包含500 ml EBM-2培养基以及人表皮生长因子(EGF)、氢化可的松、庆大霉素(GA-1000)、胎牛血清(FBS)、VEGF、人碱性成纤维细胞生长因子(FGF-b)、R3-IGF-1和抗坏血酸。 |
| VEGF-C | R&D Systems | 2179-VC-025 | 完全内皮细胞培养基中添加50 ng/ml VEGF-C。 |
| 抗生素-抗真菌素溶液(100倍浓缩液) | Life Technologies (Gibco) | 15240-062 | 该溶液含有10,000 U/ml青霉素、10,000 mg/ml链霉素和25 mg/ml两性霉素B(Fungizone)。使用时按1:100稀释。 |
| 人血浆来源纤连蛋白 | Sigma-Aldrich | F2006 | 使用浓度为10 mg/ml。若在4 °C下保存并维持无菌状态,可重复使用长达1个月。每150 cm2培养瓶使用7 ml进行包被。 |
| StemPro Accutase细胞解离试剂 | Life Technologies (Gibco) | A11105-01 | StemPro®Accutase®使用量为每cm2 0.05 ml,以覆盖培养瓶整个表面。使用体积过少可能导致细胞脱离不完全。 |
| 0.4% 台盼蓝染料 | Life Technologies (Gibco) | 15250-061 | 用作细胞活力染色剂。 |
| Dispase II | Roche Applied Biosciences | 4942078001 | 使用浓度为0.04%。 |
| 胶原酶II | Worthington Lab | 4176 | 使用浓度为0.25%。 |
| DNase I | Roche Applied Biosciences | 11284932001 | 使用浓度为0.01%。 |
| 70 mm 尼龙细胞筛 | BD Falcon | 352350 | |
| [header] | |||
| PE标记的VEGFR-3克隆9D9F9,克隆WM59 | BioLegend | 356204 | 使用稀释比例为1:50 |
| PE-Cy7标记的CD34,克隆581 | BioLegend | 343516 | 使用稀释比例为1:200 |
| APC标记的小鼠抗人CD31,克隆WM59 | BioLegend | 303116, | 使用稀释比例为1:100 |
| Alexa 488标记的大鼠抗人Podoplanin,克隆NC-80 | BioLegend | 337006 | 使用稀释比例为1:200 |
| PE标记的小鼠IgG1, k同型对照,克隆MOPC-21 | BioLegend | 400112 | 使用稀释比例为1:50 |
| PE-Cy7标记的小鼠IgG1, k同型对照,克隆MOPC-21 | BioLegend | 400126 | 使用稀释比例为1:200 |
| APC标记的小鼠IgG1, k同型对照,克隆MOPC-21 | BioLegend | 400120 | 使用稀释比例为1:100 |
| Alexa 488标记的小鼠IgG2a, k同型对照,克隆RATK2758 | BioLegend | 400525 | 使用稀释比例为1:200 |
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