本方案描述了从9周龄大鼠的鳃弓源性头肌中分离卫星细胞的方法。这些肌肉起源于不同的鳃弓。随后,将卫星细胞培养在毫米尺度的点状包被区域,以研究其分化过程。该方法避免了卫星细胞的扩增和传代。
本方案描述了从9周龄大鼠的鳃弓源性头肌中分离卫星细胞的方法。这些肌肉起源于不同的鳃弓。随后,将卫星细胞培养在毫米尺度的点状包被区域,以研究其分化过程。该方法避免了卫星细胞的扩增和传代。
纤维化及肌肉再生障碍可能阻碍腭裂修复术后软腭肌肉的功能恢复,导致持续存在的言语、吞咽和吸吮问题。体外培养系统可用来研究头颈部肌肉的卫星细胞(成肌干细胞),对于开发基于组织工程的新疗法以促进术后肌肉再生至关重要。这些系统将为腭裂患者的治疗提供新的前景。本文介绍了一种从头颈部肌肉中分离、培养和诱导卫星细胞分化的实验方案。该分离方法基于酶消化和吹打裂解以释放卫星细胞。此外,本方案包含一种创新性方法,即使用毫米尺度的细胞外基质凝胶涂层,该方法仅需少量卫星细胞即可进行分化检测。
大约每500至1,000名新生儿中就有1例出现唇裂和/或腭裂(CLP),因此这是人类中最常见的先天性畸形1。软腭肌肉在言语、吞咽和吮吸过程中对软腭的功能至关重要。如果存在软腭裂,这些肌肉将异常地附着于腭骨的后端。
在说话时,软腭会上下移动,防止气流从鼻腔逸出。腭裂患儿缺乏这种控制功能,导致一种称为腭咽功能障碍2,3的现象。尽管治疗方案存在差异,软腭的外科修复通常在幼儿期(6–36 个月龄)进行4。软腭中异常附着的肌肉可通过手术矫正5–7,但仍有 7% 至 30% 的患者持续存在腭咽功能障碍2,3,8–10。
骨骼肌通过卫星细胞(SCs)的作用实现再生的能力已得到充分证实11,12。肌肉损伤后,卫星细胞被激活并迁移至损伤部位,随后增殖、分化并融合形成新的肌纤维或修复受损的肌纤维13。静息状态的卫星细胞表达转录因子Pax714,15,而其子代——增殖中的成肌细胞——则额外表达成肌决定因子1(MyoD)16。分化中的成肌细胞开始表达肌生成素(MyoG)17。成肌细胞终末分化的标志是肌纤维的形成以及肌球蛋白重链(MyHC)等肌肉特异性蛋白的表达16,18。
近年来,再生医学领域已采用多种策略来改善肢体肌肉的再生19-23。对鳃弓来源的头肌开展特定研究也具有重要意义,因为最近的研究表明,这些肌肉在多个方面与其他肌肉存在差异24。与肢体肌肉相比,有研究提示鳃弓来源的头肌所含的卫星细胞(SCs)较少25,再生速度较慢,且损伤后会形成更多的纤维结缔组织26。此外,鳃弓来源头肌中增殖的卫星细胞还表达其他转录因子。例如,Tcf21 是颅面肌发育相关的转录因子,在再生的头肌中高表达,而在再生的肢体肌肉中几乎不表达25。唇腭裂(CLP)患者的软腭肌肉通常比正常的腭肌更小且结构紊乱27,28。软腭肌肉中同时存在慢肌纤维和快肌纤维,但以慢肌纤维为主。相比之下,裂隙肌肉中快肌纤维比例更高,并且毛细血管供应较正常软腭肌肉减少29-31。快肌纤维更容易发生收缩引起的损伤31-33,而伴随的毛细血管供应不足也可能促进纤维化的发生34,35。上述种种因素可能导致唇腭裂手术修复后软腭肌肉再生不良36。鉴于此,建立一种用于分离和鉴定鳃弓来源头肌卫星细胞的实验方案至关重要。该方案为研究鳃弓来源头肌卫星细胞的生物学特性提供了可能,同时也有助于基于组织工程开发新的治疗方法,以促进CLP及其他影响颅面区域疾病的术后肌肉再生。
通常,卫星细胞(SCs)可在肌肉组织解离后获得14。为了从其微环境中释放卫星细胞,一般需要进行组织切碎、酶消化和吹打混悬。卫星细胞可通过在未包被的培养皿上预贴壁14,37,38、Percoll 梯度离心分离39,40,或荧光标记或磁珠细胞分选技术41-43进行纯化。本文介绍一种经济、快速的新方法,用于从年轻成年大鼠头部鳃弓肌中分离卫星细胞。该方法基于先前发表的方案14,并针对小量组织样本进行了特别优化。文中描述了来源于第1st、第2nd和第4th鳃弓的代表性肌肉中卫星细胞的分离过程。分离后,将少量卫星细胞培养于毫米尺寸的细胞外基质胶斑点上,以研究其分化能力。该策略避免了卫星细胞扩增与传代的需要。
本文所述所有实验均经奈梅亨拉德堡德大学当地动物实验伦理委员会批准,符合荷兰法律法规(RU-DEC 2013-205)。
1. 细胞外基质凝胶点
2. 头部肌肉(咬肌、二腹肌和腭帆提肌)的解剖
3. 卫星细胞的分离
4. 卫星细胞在细胞外基质凝胶点上的分化
采用本方案,咬肌(单侧)可获得 0.8–1 × 106 个细胞,二腹肌(后腹)可获得 1.5–2 × 105 个细胞,腭帆提肌可获得 1–1.5 × 105 个细胞。细胞得率取决于肌肉类型、动物品系及年龄。为比较三组肌肉,将 freshly isolated SCs 以相同细胞密度(1.5 × 103/10 µl)接种。分离后立即检测发现,超过 90% 的 freshly isolated 细胞表达 Pax7(图 6)。
第4、7和10天的培养物使用针对Pax7、MyoD、MyoG和MyHC的抗体进行免疫染色。每份培养物在20倍物镜下随机计数五个视野。第4天时,所有肌群均表达Pax7和MyoD(图6、7和8),然而咬肌和二腹肌来源的卫星细胞子代开始表达肌生成素的时间早于腭帆提肌(图9)。至第10天,所有组别中MyoG的表达均显著降低(图9)。接种于细胞外基质凝胶斑点数天后,增殖的细胞开始融合并形成表达肌球蛋白重链的多核肌管。在第7天可清晰观察到小型肌管(图10)。第10天时可观察到肌管的收缩颤动(视频1)。

图 1:腔室载玻片中的细胞外基质凝胶点。(A)为便于操作,将8孔腔室载玻片放入100 mm培养皿中。每孔加入10 µl细胞外基质凝胶,并置于冷表面上(7 min)。(B)去除多余细胞外基质凝胶后的腔室载玻片。

图2:咬肌的解剖。(A)动物头部的侧视图。耳(E)、腮腺(P)和面神经(VII)。(B)咬肌浅头(Ms)和颞肌(T)的腱性腱膜(Te)。用镊子将肌腱与其附着点分离。(C)小心地解剖肌肉,直至其在下颌支上的附着点。E:耳,P:腮腺,VII:面神经,T:颞肌,Ms:咬肌浅头,Te:肌腱,Mp:咬肌深头。

图3:二腹肌后腹的解剖。(A)动物头部呈仰卧位。定位下颌下腺(Sg)、咬肌(M)、面神经(VII)和胸锁乳突肌(SCM),移除下颌下腺。(B)定位二腹肌前腹(AD)和后腹(PD)。用直镊夹住后腹的前腱,将其切断,并小心剥离至其在鼓泡(ty)的起点。E:耳,Sg:下颌下腺,VII:面神经,M:咬肌,SMC:胸锁乳突肌,AD:二腹肌前腹,PD:二腹肌后腹,Ty:鼓泡。

图4:腭帆提肌的解剖。(A) 解剖下颌舌骨肌(后腹)后的总体观。可定位茎突舌骨肌(St)及腭帆提肌的肌腱。注意其后方走行的气管(T)和食管(Es)。(B) 抬起气管和食管后,暴露出咽部(P)。此时可见向侧方延伸至软腭的腭帆提肌。箭头指示已解剖出的咽上缩肌;注意两侧的腭帆提肌。E:耳,St:茎突舌骨肌,VII:面神经,M:咬肌,AD:二腹肌前腹,PD:二腹肌后腹,T:气管,Es:食管,P:咽,*腭帆提肌。

图5: 肌肉组织在使用蛋白酶进行酶消化前(A)和消化后(B)的形态。请注意,酶消化后肌束呈现松散状态。

图6:Pax7免疫染色。 新鲜分离的卫星细胞(SCs),在分离结束时接种于细胞外基质凝胶上(初次组织消化后约6小时)。使用10X物镜随机选取五个视野进行计数,每个视野平均约210个细胞。约90%的细胞Pax7呈阳性。DAPI:蓝色,Pax7:红色。比例尺,100 µm。

图7:Pax7 和 MyoD 免疫荧光染色。对第4、7和10天的培养细胞使用Pax7和MyoD抗体进行染色。(A–C) 和 (D–F) 分别为咬肌来源的第4天和第7天培养物的代表性显微图像。(G 和 H) 每个显微视野中Pax7+ 和 MyoD+ 核的数量被计数,并表示为总核数(DAPI)的百分比。DAPI:蓝色,Pax7:红色,MyoD:绿色。比例尺,100 µm。 请点击此处查看该图的高清版本。

图 8:来自咬肌、二腹肌和腭帆提肌的单核细胞培养物中 Pax7±/MyoD± 细胞的分布情况。(A–C)第 4、7 和 10 天的培养物使用抗 Pax7 抗体及 MyoD 免疫染色进行染色。细胞总数基于细胞核总数(DAPI)。(D)Pax7±/MyoD± 细胞的数据量化结果。请点击此处查看该图的放大版本。

图9:肌生成素免疫染色。 对第4、7和10天的培养物使用抗肌生成素抗体进行染色。(A–D) 来自腭帆提肌的第4天和第7天培养物的代表性显微照片。(E) 统计每个显微视野中MyoG+细胞核的数量,并以总细胞核数(DAPI)的百分比表示。(F) MyoG+细胞的数据量化结果。DAPI:蓝色,肌生成素:绿色。比例尺,100 µm。 请点击此处查看该图的高清版本。

图10:肌球蛋白重链免疫染色。 第4、7和10天的培养物用抗肌球蛋白重链(MyHC)抗体进行染色。图像为代表性的二腹肌(DIG)来源的第4、7和10天培养物的显微照片。在第7天可见小型肌管,而在第10天则可见长而结构清晰的肌管。比例尺,200 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
视频 1:肌管收缩。 显示了二腹肌肌肉第 10 天培养物中两个具有代表性的发生收缩的肌管视野示例。 请点击此处查看该视频。
从一只9周龄的Wistar大鼠的不同鳃弓来源的头肌中分离出卫星细胞(SCs),并直接接种于细胞外基质凝胶点上进行培养,无需预先扩增和传代。分离后,对细胞进行计数,并以相同的细胞密度接种。平行分离三种不同肌肉时,该方法耗时约4小时。为避免培养污染,肌肉解剖后需用70%酒精快速清洗,此步骤至关重要。
在分离卫星细胞(SC)时,需将肌肉组织切成小块(约2 mm),但应避免过度剪碎,以免因细胞损伤导致细胞得率降低。此外,必须在显微镜下仔细监控酶消化的时间,以防止进一步损伤。消化的目的是使肌纤维解离。由于超过90%的分离细胞表达Pax7,因此无需进一步纯化(图6-8)。这避免了其他方法中所需的额外纯化步骤,例如在未包被的培养皿上预贴壁14,37,38、Percoll梯度离心39,40或荧光/磁珠细胞分选41,43。在吹打过程中,关键在于使组织碎片与移液器吸头开口之间产生剪切力,从而实现卫星细胞的机械性释放。若使用10 ml移液器(吸头内径:1 mm)吹打困难,可先使用5 ml移液器(吸头内径:2 mm)。或者,也可将玻璃巴斯德吸管在所需直径处剪断后使用。该方法简便、高效,可同时从多个肌肉样本中分离卫星细胞。
SC 培养板也可用明胶或胶原蛋白包被,但我们的前期研究表明,与胶原蛋白相比,细胞外基质凝胶更有利于维持成肌潜能38。使用毫米级大小的细胞外基质凝胶斑点(10 µl/Ø 2 mm 或 20 µl/Ø 4 mm),可在细胞数量有限的情况下研究 SC 的增殖与分化。与 24 孔板(Ø 15.6 mm)相比,进行分化实验所需的细胞数量约减少 8 至 20 倍,与 35 mm 培养皿(Ø 35 mm)相比则约减少 80 至 200 倍14,38。
由于细胞外基质胶价格昂贵,该方法也更具成本效益。此外,腔室载玻片可替换为塑料盖玻片,以进一步降低成本。制备细胞外基质胶点时,腔室载玻片需过夜干燥,此步骤至关重要。由于细胞外基质胶点呈透明状,必须在背光条件下于底部标记胶点位置。腔室载玻片固定于培养皿中,便于操作。该方法无需进一步扩增细胞培养,因此可研究较小肌肉或小块肌肉样本中的干细胞(SCs)。或者, 例如 若需要更多细胞用于PCR或肌肉构建,可将 freshly isolated SCs 按照上述方法先在T75培养瓶中进行扩增。
采用本方案分离的卫星细胞(SCs)在分离后不宜立即用于流式细胞术进一步纯化。蛋白酶K消化会导致细胞表面抗原发生广泛性降解14。用于细胞培养的马血清和胎牛血清在分离前必须经过充分表征,因为不同批次的血清对成肌细胞的增殖和分化具有差异性影响。
近年来,人们对来源于鳃弓和头部中胚层的肌肉(例如眼外肌)24 越来越关注。已有明确研究表明,头部肌肉与四肢肌肉具有显著不同的特性。来自老年动物的咬肌似乎比四肢肌肉更能保持其再生能力25,26。眼外肌中的干细胞(SCs)具有强大的增殖和分化能力,与头部其他肌肉的干细胞相当,且其移植潜能大于四肢肌肉的干细胞24。
不同肌群之间以及不同物种之间的肌纤维类型分布和肌球蛋白组成存在差异。人类第一鳃弓来源的肌肉包含慢肌纤维和快肌纤维(亚型IIA和IIX)、新生儿型肌球蛋白以及发育中心肌组织典型的肌球蛋白。在啮齿类动物中,这些肌肉约含有95%的快肌纤维(肌球蛋白IIA和IIb)44-46。对禽类肌肉的研究表明,来源于不同肌纤维类型的卫星细胞(SCs)其分化能力有所不同:来源于快肌纤维的SCs仅能分化为快肌纤维,而来源于慢肌纤维的SCs则可分化为两种纤维类型47。此外,快肌纤维中SCs所占比例低于慢肌纤维48,49。这表明,在开展颅面部肌肉相关研究时,必须考虑肌纤维类型的分布情况。与腭裂患者的肌肉类似,啮齿类动物的LVP几乎完全由快肌纤维组成50。因此,来源于LVP的SCs适用于腭裂领域的临床前研究。
本方案为研究源自鳃弓来源的头颈部肌肉或其他较小肌肉或小块肌肉样本的干细胞提供了新的可能性。这将有助于开发新的治疗方法,以改善唇腭裂等疾病中影响面部肌肉的再生,同时也可应用于其他影响较小肌肉的疾病。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由荷兰科学研究组织(NWO)的Mosaic基金(017.009.009)和AO基金会青年研究者启动基金(S-13-167C)资助。Z.Y.R. 由美国国立卫生研究院(NIH)基金(编号 # AG021566、AG035377、NS090051)支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 25号皮下注射针头 G 0.5 × 25 m | BD Microlance | 300400 | |
| 解剖剪刀 | Braun | BC154R | |
| 直头显微镊 | Braun | BD330R | |
| 外科手术刀片15号 | Swann-Morton | 0205 | |
| 70%酒精 | Denteck | 2,010,005 | |
| Permanox载片,8孔 | Thermo Scientific | 177445 | |
| 6孔细胞培养板 | Greiner bio-one | 657160 | |
| 细胞培养皿(100 × 20 mm) | Greiner bio-one | 664160 | |
| 15 ml无菌锥形离心管 | BD Biosciences | 352097 | |
| 50 ml无菌锥形离心管 | BD Biosciences | 352098 | |
| 细胞筛(40 μm) | Gibco | 431750 | |
| 10 ml血清移液管 | Greiner bio-one | 607180 | |
| 20 µl FT20 | Greiner bio-one | 774288 | |
| Matrigel,无酚红 | BD Biosciences | 356237 | 10 ml |
| 蛋白酶 | Calbiochem | 53702 | 10 KU |
| 磷酸盐缓冲液 | Gibco | 14190-144 | 500 ml |
| DMEM高糖培养基,含GlutaMAX补充剂和丙酮酸钠 | Gibco | 10569-010 | 500 ml |
| 胎牛血清 | Fisher Scientific | 3600511 | 500 ml |
| 马血清 | Gibco | 26050088 | 500 ml |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/ml) | Gibco | 15140-122 | 100 ml |
| 鸡胚提取物 | MP Biomedicals | 2850145 | 20 ml |
An erratum was issue for Isolation and Characterization of Satellite Cells from Rat Head Branchiomeric Muscles. The fourth figure was updated to explain the isolation of the LVP better.