本手稿描述了一种由正常原代人食管成纤维细胞和鳞状上皮细胞在脱细胞猪源支架内接种培养而构建的组织工程三维食管结构,介绍了其制备方法、表征结果及潜在应用。研究结果表明,该结构可形成成熟的复层上皮,类似于正常人食管组织。
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本手稿描述了一种由正常原代人食管成纤维细胞和鳞状上皮细胞在脱细胞猪源支架内接种培养而构建的组织工程三维食管结构,介绍了其制备方法、表征结果及潜在应用。研究结果表明,该结构可形成成熟的复层上皮,类似于正常人食管组织。
食管腺癌及其癌前病变巴雷特食管的发病率在西方世界正迅速上升。此外,食管腺癌通常预后较差,近年来生存率几乎没有改善。这些疾病难以研究,且一直缺乏合适的实验平台来探究食管黏膜的病变。
MacNeil 实验室已开发出一种人类食管黏膜模型,该模型与传统的二维细胞培养系统不同,能够重现细胞间及细胞与基质间的相互作用 体内 并形成类似于正常人食管的成熟、分层上皮。简而言之,该模型利用未转化的正常原代人食管成纤维细胞和上皮细胞,在猪源性去细胞食管支架内进行培养。通过CK4、CK14、Ki67和兜甲蛋白(involucrin)染色对该模型进行免疫组织化学表征,结果表明其能够准确再现正常人食管黏膜的组织学特征。
该模型提供了一个稳定且具有生物学相关性的人类食管黏膜实验模型。可通过该模型轻松探究多种研究问题,包括药物制剂的有效性以及酒精、毒素、高温或胃食管反流物成分等环境因素暴露的影响。此外,该模型支持较长期的培养,这是传统二维细胞培养所无法实现的,从而能够 例如研究特定因子对成熟上皮反复暴露长达20天的影响。此外,该模型还可整合多种细胞系,例如源自食管肿瘤或巴雷特化生的细胞系,以在更具生物学相关性的环境中研究肿瘤侵袭和药物反应性等过程。
食管黏膜由位于结缔组织层(即固有层)上方的复层鳞状上皮构成,是最早接触摄入性环境应激原的部位之一。饮食毒素的暴露与食管鳞状细胞癌的发生相关,而十二指肠胃食管反流则是巴雷特化生发病机制中的关键因素,后者与进展为食管腺癌的风险增加相关。食管癌是全球第8位常见恶性肿瘤th 英国男性中最常见的恶性肿瘤,且食管腺癌在西方世界正迅速增加1此外,该疾病的预后改善甚微,总体5年生存率约为15%。因此,亟需建立实验平台,以研究环境应激因素对食管上皮的影响,及其在化生或肿瘤发生中的潜在作用。
尽管永生化细胞系或肿瘤细胞系可使研究人员研究上皮细胞对这些应激因素的反应 体外它们仍保持增殖状态,无法分化为食管黏膜最表层所存在的成熟上皮细胞。此外,已经发生肿瘤转化的细胞系可能仅能提供有限信息,用以了解正常上皮细胞在早期阶段对环境因素刺激的初始反应;而这一阶段恰恰可能是治疗干预潜力最高的时机。最后,传统的细胞培养系统无法模拟组织中上皮细胞与间充质细胞之间,以及这些细胞与周围基质之间可能存在的关键相互作用。 体内.
动物模型为研究食管上皮的反应提供了更接近真实的微环境,并可人为诱导胃食管反流病2。然而,在这些模型中调控环境应激因素可能更具挑战性,且其反应可能无法完全代表人体食管内的实际情况。
已开发出其他利用原代细胞、永生化细胞或肿瘤细胞系的人类食管实验模型,这些模型以含有成纤维细胞的胶原蛋白或混合胶原蛋白/Matrigel支架为基础3,4。与本文所述的脱细胞猪食管支架相比,制备此类支架所需劳动强度较低,且这些类器官模型提供了有用的工具,尤其适用于肿瘤侵袭研究5,6,因为在这些模型中可直接观察肿瘤细胞向胶原凝胶中的浸润过程。然而,这些胶原凝胶具有非天然的力学特性,并缺乏原始组织的某些特征,包括特定的基底膜结构和适当的表面拓扑结构。这可能影响细胞行为,例如使用胶原凝胶支架时,上皮与支架之间的黏附性较差7。因此,人们开发了脱细胞猪食管支架,其优势在于生物学特性更接近真实组织,因而更适合作为实验平台。此外,已有研究表明,在食管构建物中使用原代细胞优于使用永生化的食管上皮细胞系(如Het-1A),因为后者虽能形成多层上皮,但无法正常分层或分化4,7,8。
因此,本实验方案改编自MacNeil实验室已有的构建组织工程化皮肤和口腔黏膜的方法9,10,并结合了脱细胞猪食管支架与原代人食管上皮细胞及成纤维细胞。该方案可生成成熟的、分层的上皮结构,其特征与正常人食管上皮相似,经CK4、CK14、Ki67和兜甲蛋白(involucrin)染色证实。所建立的模型为研究环境应激因素的反应提供了实验平台,并已成功用于探究食管上皮在接触胃食管反流物成分后基因表达的变化11。
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人食管细胞取自接受胃部或食管手术的患者。已获得患者知情同意,允许将组织用于科研目的,并在相应的伦理批准(SSREC 165/03,人类研究组织库许可证 12179)下匿名使用该组织。
1. 人食管上皮细胞的分离
2. 人食管成纤维细胞的分离
3. 脱细胞食管支架的制备
4. 培养基的制备
5. 人食管黏膜模型的制备
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本手稿描述了成功培养人食管上皮三维模型所需的步骤,该过程如图1所示。为验证该模型作为实验平台的适用性,已开展组织学和免疫组织化学研究,将培养的组织与正常人食管鳞状黏膜进行比较。
通过所述方法生成的上皮组织经组织学评估显示,其为成熟、多层的复层鳞状上皮(图2B),与正常人食管所见的上皮组织相似(图2A),但层数较薄(细胞层数为5至10层,而正常食管为10至20层),且细胞在向表面迁移过程中逐渐变扁平,最终失去细胞核。
对增殖和分化关键标志物的免疫组织化学表征表明,该模型上皮的显微解剖结构与正常人食管上皮相似。在天然食管和模型上皮中均观察到类似的Ki67表达,染色局限于基底层及紧邻的副基底层中的一部分细胞(图3A和3B)。这与已有研究报道一致,即正常食管上皮中通常少于10%的细胞表达增殖标志物Ki6718。CK4通常表达于复层和柱状上皮中,但...
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本文描述了一种具有生物学意义的人类食管黏膜模型的构建与表征,该模型可作为实验平台,用于研究环境应激因素暴露对食管上皮的影响。
成功构建人食管黏膜模型最关键的步骤包括:确保大部分上皮细胞保持增殖状态,在接种到支架前尚未开始分化;维持复合体的气-液界面,以保证上皮的正确成熟;在整个长期培养过程中保持无菌状态。
由于可用于细胞分离的人体组织量有限,通常无法从单个组织样本中获得足够数量的细胞,直接将 freshly isolated 的细胞接种到支架上,因此需要一个细胞扩增阶段,在此阶段中,细胞在标准的二维细胞培养条件下进行培养。在此期间,必须确保细胞保持增殖能力。为此,应避免培养物达到完全汇合状态,仅使用传代次数不超过4代的细胞,并密切监测细胞形态。因此,细胞应保持其特有的增殖性多边形形态,以及增殖性上皮细胞典型的紧密“鹅卵石”样铺路石外观,而不是出现已经开始分化的培养物中所观察到的更为弥散的形态。第二个关键步骤是通过确保细胞培养基覆盖用于将培养物提升至气液界面的不锈钢网格的上表面,但构建物本身的最上层表面不被浸没来实现控制。第三个...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢谢菲尔德教学医院NHS基金会信托的顾问外科医生Roger Ackroyd先生、Andrew Wyman先生和Chris Stoddard先生在获取食管组织样本方面提供的帮助以及对我们工作的支持。我们感谢Ashraful Haque在将肿瘤细胞系整合到模型中所提供的协助。本研究得到了Bardhan研究与教育信托基金(BRET)和约克郡癌症研究(YCR)资助项目的经费支持,特此致谢。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胰蛋白酶 | BD Biosciences | 215240 | 用 PBS 配制 0.1% w/v 溶液,并过滤除菌。使用前在 37 °C 水浴中预热。 |
| DMEM | Labtech | LM-D1112 | 使用前在 37 °C 水浴中预热 |
| Ham's F12 | Labtech | LM-H1236 | 使用前在 37 °C 水浴中预热 |
| 胎牛血清 | Labtech | FB-1090 | |
| 表皮生长因子 | R+D Systems | 236-EG-200 | 用 10 mM 乙酸、1% FCS 配制 200 µg/ml 储存液 |
| 氢化可的松 | Sigma-Aldrich | H0396 | 用 PBS 配制储存液,使用前过滤除菌 |
| 腺嘌呤 | Sigma-Aldrich | A2786 | 用 PBS 配制储存液,使用前过滤除菌 |
| 胰岛素 | Sigma-Aldrich | I2767 | 用 0.01 M HCl 配制 10 mg/ml 溶液,再用蒸馏水稀释 1:10,并在使用前过滤除菌 |
| 转铁蛋白 | Sigma-Aldrich | T2036 | 用蒸馏水配制储存液,使用前过滤除菌 |
| 三碘甲腺原氨酸 | Sigma-Aldrich | T2752 | 用蒸馏水配制储存液,使用前过滤除菌 |
| 霍乱毒素 | Sigma-Aldrich | C8052 | 用水配制储存液 |
| L-谷氨酰胺 | Sigma-Aldrich | G7513 | |
| 青霉素-链霉素 | Sigma-Aldrich | P0781 | |
| 两性霉素 B | Gibco | 15290-026 | 商品名 Fungizone |
| PBS | Oxoid | BR0014 | 将 1 片溶解于 100 ml 水中,高压灭菌以除菌 |
| 胶原酶 A | Roche | 10103578001 | |
| 聚维酮碘溶液 | Ecolab | 10830E | 商品名 Videne |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | E7023 | |
| Chelex 100 | Sigma-Aldrich | C7901 | |
| 新生牛血清 | Gibco | 26010074 | |
| 孕酮 | Sigma-Aldrich | P8783 | 用 DMEM 配制储存液,使用前过滤除菌 |
| 乙醇胺 | Sigma-Aldrich | E9508 | 用 DMEM 配制储存液,使用前过滤除菌 |
| 氢化可的松 | Sigma-Aldrich | H0888 | 用 DMEM 配制储存液,使用前过滤除菌 |
| O-磷酸乙醇胺 | Sigma-Aldrich | P0503 | 用 DMEM 配制储存液,使用前过滤除菌 |
| ITS(胰岛素、转铁蛋白、硒) | Lonza | 17-838Z | 用于复合培养基的配制 |
| 胰蛋白酶-EDTA | Sigma-Aldrich | T3924 | 使用前在 37 °C 水浴中预热 |
| 0.02% EDTA 溶液 | Sigma-Aldrich | E8008 | 使用前在 37 °C 水浴中预热 |
| T75 培养瓶 | VWR | 734-2313 | |
| 50 ml 离心管 | Fisher | 11819650 | |
| 15 ml 通用管 | SLS | SLS7504 | |
| 180 ml 烧杯 | VWR | 216-2603 | |
| 培养皿 | SLS | 150350 | |
| 6 孔板 | VWR | 734-2323 | |
| 不锈钢环 | 自行制造——医用级不锈钢,内径 10 mm,外径 20 mm | ||
| 钢丝网格 | 自行制造——板材上孔径为 0.3 cm,弯曲成 2 cm(宽)× 2 cm(深)× 0.5 cm(高)的网格 | ||
| ki67 | Novocastra | KI67-MM1-L-CE | 克隆号 MM1。使用比例为 1:100。 |
| CK4 | Abcam | ab9004 | 克隆号 6B10。使用比例为 1:200。 |
| CK14 | Novocastra | LL002-L-CE | 克隆号 LL002。使用比例为 1:200。 |
| 兜甲蛋白 | Novocastra | INV | 克隆号 SY5。使用比例为 1:100。 |
| OE21 | Sigma-Aldrich | 96062201 | |
| OE33 | Sigma-Aldrich | 96070808 | |
| Het-1A | ATCC-LGC | CRL-2692 | |
| 小鼠 3T3 成纤维细胞 | ATCC-LGC | CRL-1658 | 此前经辐照(60 Gy)使其生长停滞 |
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