建立具有临床相关性的模型 离体 用于在天然微环境中研究上皮伤口修复的模拟白内障手术模型

摘要

本文描述了一种具有临床相关性的ex vivo模拟白内障手术模型的建立方法，该模型可用于研究上皮组织在其原生微环境中对损伤的反应机制。

摘要

上皮组织执行伤口修复机制的主要障碍在于缺乏足够的模型来追踪和操控伤口反应 离体 在高度模拟上皮组织损伤的环境中 体内。这一问题通过构建具有临床相关性的上皮组织得以解决 离体 基于白内障手术的损伤-修复模型。在此培养模型中，可以在晶状体上皮细胞的天然微环境中实时观察其对损伤的反应，并可在修复过程中方便地操控参与伤口修复的分子介质。制备该培养体系时，首先将晶状体从眼球中取出，并在晶状体前部做一个小切口，随后从中移除内部的晶状体纤维细胞团块。该操作在晶状体后囊膜上形成一个环形伤口，后囊膜是包裹晶状体的较厚的基底膜。纤维细胞被移除所形成的伤口区域，紧邻一层完整的单层晶状体上皮细胞，这些上皮细胞在手术过程中仍与晶状体囊膜保持连接。作为发育过程中纤维细胞来源的上皮细胞，在纤维细胞被移除造成损伤后，会启动修复反应，由富含波形蛋白的修复细胞群体引领，带动上皮细胞集体迁移跨越伤口区域，这些修复细胞的间充质前体细胞为晶状体自身所固有。¹。这些特性是正常上皮伤口愈合反应的典型特征。在此模型中，随着 体内，伤口修复依赖于内源性环境所提供的信号，而这种信号环境在此处具有独特性并得以维持 离体 培养系统，为发现上皮损伤后修复调控机制提供了理想机会。

引言

具有临床相关性的模拟白内障手术 离体 此处描述的上皮伤口愈合模型旨在为研究上皮组织在损伤后修复过程中所涉及的调控机制提供一种工具。在构建该模型时所追求的关键特征包括：1）提供能够紧密模拟体内环境的条件 体内 在培养环境中对损伤产生反应、2）易于调控修复的调节元件，以及3）能够实时完整成像修复过程。因此，挑战在于建立一种可在细胞天然微环境中研究和操控上皮伤口修复的培养模型。该伤口修复模型的建立为识别来自基质蛋白、细胞因子和趋化因子的内源性信号分子提供了新的可能性，这些信号分子参与调控修复过程。此外，该模型非常适用于研究上皮如何以集体迁移的方式移动，实现伤口区域的再上皮化 ^2,3，以及确定伤口边缘发挥引导受损上皮集体迁移功能的间充质前导细胞的谱系 ⁴该模型还提供了一个平台，可用于鉴定能够促进有效伤口愈合并防止异常伤口修复的治疗方法。⁵.

已有多种可用于体外培养和体内研究的伤口修复模型 体内，这些模型提供了目前关于伤口修复过程的大部分知识。在动物损伤模型中，例如角膜 ^6-12 和皮肤^13-17，可以在涉及所有可能参与修复过程的介质（包括血管系统和神经系统的作用）的背景下，研究组织对损伤的反应。然而，对实验条件的操控存在一定的局限性 体内，目前尚无法对修复反应进行成像研究 体内，随着时间的持续。相比之下，大多数 体外 伤口修复培养模型（如划痕伤口模型）可轻松进行操作并实现时间序列观察，但缺乏在体内环境下研究伤口愈合的环境背景 体内 组织。虽然 离体 模型的优势在于能够在其细胞微环境背景下连续动态地研究损伤修复过程，同时可在修复过程的任意时间点调控修复相关的分子调节因子，但符合这些条件的模型却十分有限。

本文描述了一种可高度重复的ex vivo上皮伤口愈合培养方法，能够模拟上皮组织对生理性损伤的反应。该方法以鸡胚晶状体作为组织来源，进行ex vivo模拟白内障手术。晶状体是此类研究的理想组织，因其被包裹在一层厚的基底膜囊中，且无血管、无神经支配，并不伴有任何相关间质^18,19。在人类疾病中，白内障手术旨在治疗因晶状体混浊导致的视力丧失，其过程包括移除构成晶状体主体的晶状体纤维细胞团。白内障手术后，通过植入人工眼内晶状体恢复视力。白内障手术通过去除纤维细胞，诱发邻近晶状体上皮的损伤反应，上皮细胞随后迁移并重新覆盖原先由纤维细胞占据的晶状体后囊区域，实现再上皮化。与大多数伤口修复反应类似，白内障手术后有时会出现异常的纤维化结局，伴随肌成纤维细胞的出现，这一现象在晶状体中被称为后囊膜混浊^20-22。为建立白内障手术相关的伤口愈合模型，本方法模拟了从鸡胚眼球中取出的晶状体所经历的白内障手术过程，以产生生理性损伤。通过显微手术去除晶状体纤维细胞后，形成一个非常一致的圆形伤口区域，周围环绕着晶状体上皮细胞。这些细胞群体仍牢固附着于晶状体基底膜囊上，并因手术操作而受到损伤。上皮细胞迁移至裸露的内源性基底膜区域以修复伤口，迁移前沿由一群富含波形蛋白的间充质细胞引领，这类细胞在修复过程中被称为“先导细胞”¹。利用该模型，可在细胞微环境背景下，直观地观察并随时间追踪上皮组织对损伤的反应。此外，该模型中的细胞易于进行分子表达或活化状态的干预，以研究其在伤口修复中的作用。该模型的一个显著优势在于，能够分离并研究伤口愈合过程中与细胞迁移特异性相关的改变。同时，该模型还可批量制备年龄匹配的ex vivo伤口愈合培养体系，具有明显实验优势。因此，该模型系统为解析伤口修复机制以及评估治疗手段对伤口愈合过程的影响提供了独特的机会。ex vivo模拟白内障手术模型预期具有广泛的应用前景，可为研究损伤修复机制提供重要的实验资源。

方案

以下方案符合托马斯·杰斐逊大学机构动物护理和使用委员会指南以及视力研究中动物使用ARVO声明。

1. Ex Vivo 伤口培养的透镜装置与准备

1. 在无菌超净工作台中放置三个100 mm的培养皿。将其中两个培养皿加入半量的Tris/葡萄糖缓冲液（TD缓冲液；140 mM NaCl, 5 mM KCl, 0.7 mM Na₂PO₄，5 mM D-葡萄糖，8.25 mM Tris碱，用HCl调节pH至7.4）于室温下处理，第三个孔保持空白。将培养基（199培养基添加1% L-谷氨酰胺和1%青霉素/链霉素）预热至37^oC.
   注意：标准的伤口愈合培养基为无血清，以模拟体内情况 体内然而，伤口修复培养物可在包含血清或其他因子的限定培养基条件下成功培养。
2. 从孵育器（保持在37.7°C并轻轻摇动）中取出受精的15日龄白来航鸡胚蛋
3. 将选定的卵置于超净工作台中，用洗瓶中的70%乙醇清洁卵壳外部。以下所有操作均须在超净工作台内无菌条件下进行，使用无菌溶液和无菌器械。
4. 将鸡蛋打碎，倒入空的100 mm培养皿中。使用标准镊子和精细剪刀切除鸡胚头部。将鸡胚头部置于含有TD缓冲液的培养皿中，并妥善处理鸡胚其余部分。可选择将鸡胚头部在TD缓冲液中短暂保存，时间不超过15分钟。
5. 将鸡胚头部置于培养皿盖上。使用高精度镊子，按以下顺序将晶状体及其附着的玻璃体从眼球中取出：用镊子夹住眼球后部，以在眼球后部形成一个小开口。
6. 然后，用镊子夹住玻璃体，以滚动的方式轻轻牵拉玻璃体，使附着晶状体的玻璃体从眼球中脱离。将晶状体/玻璃体放入盛有TD缓冲液的另一培养皿中。晶状体在TD缓冲液中放置时间不得超过30分钟。
7. 将晶状体移至解剖显微镜下的一个新的培养皿盖中。此后所有步骤均在解剖显微镜下进行。使用高精度镊子，用镊子边缘小心刷去随晶状体一同脱落的任何睫状体（色素细胞），注意避免损伤晶状体组织。
   注意：去除睫状体可确保伤口修复培养中不包含非晶状体固有的细胞类型。
8. 使用高精度镊子将玻璃体与其后囊膜连接处夹断，从而将晶状体与玻璃体分离。
9. 用高精度镊子将晶状体转移至35 mm组织培养皿中的TD缓冲液小滴（约200 µl）中。

2. 模拟白内障手术操作

1. 将晶状体置于35 mm培养皿中TD缓冲液的液滴内，使晶状体的前部朝上。
   注意：晶状体前部可通过组织中一个明显的致密环来识别，该环标志着晶状体上皮前部与赤道部的分界。相比之下，晶状体后部的囊膜上无明显标记，此处为晶状体纤维细胞附着的位置。
2. 使用两把高精度镊子，用左右手各持一把镊子夹住晶状体前囊膜中央的组织——即包裹晶状体组织及其相关前部上皮的厚基底膜——然后向相反方向轻轻牵拉，形成一小切口（约850 µm）。
3. 通过水分离法（hydro-elution）去除构成晶状体组织主体的纤维细胞团块，使其从与晶状体上皮及周围晶状体囊膜的附着处松脱（该方法模拟经典白内障手术操作，见图 1A）。
4. 用27.5 G针头吸取300 µl TD缓冲液装入1 ml注射器中。将针头插入晶状体前囊膜的切口处，并深入晶状体约一半位置。
5. 轻柔推动注射器，将TD缓冲液注入晶状体纤维细胞团块内。注入量为50至200 µl，切勿超过300 µl。观察纤维细胞团块逐渐从上皮和晶状体囊膜上松脱。
6. 使用高精度镊子经前部切口将已松脱的纤维细胞团块从晶状体中取出。
   注意：此操作将导致纤维细胞原本附着的晶状体后部基底膜囊暴露而无细胞覆盖，同时在该部位邻近区域留下受损的晶状体上皮。

3. 准备受损晶状体的准备 离体 培养

1. 将上述白内障手术所获得的晶状体囊袋在培养皿中展平，细胞面朝上，于囊袋前部做五个切口。
2. 垂直于原始切口位置切割至晶状体赤道部。将由此产生的五个带有附着上皮的晶状体囊瓣平铺于培养皿中，囊膜面朝下，细胞面朝上。注意 离体 受损的晶状体现在应呈现星形或花形（参见 图 1B).
3. 用镊子轻轻按压星形的每个顶点，以将囊泡固定在培养皿上。这会在外植体最外侧的五个尖端处形成微小的凹陷，从而实现与培养皿的稳定附着。
   注意：此操作过程中可能损伤囊膜，因此应尽可能靠近瓣膜尖端将囊膜固定在培养皿上，同时尽量减少固定点的数量（通常每瓣两个，最多三个）。
4. 从35 mm培养皿中移除TD缓冲液，并加入1.5 ml 预热培养基。盖上35 mm培养皿的皿盖，放入培养箱（37°C，5% CO₂）中₂).

4. 分离中央迁移区（CMZ）与晶状体上皮细胞的原始附着区（OAZ），用于定量分析后囊膜损伤区域的再上皮化过程。

注意：细胞在受到损伤后会立即开始向 CMZ 区域移动。培养第 1 天时，已有足够数量的细胞迁移通过 CMZ，可在显微解剖分离 CMZ 与 OAZ 后进行分子和生化分析²³。本方案涉及从囊膜的损伤区域逐次移除一个瓣状组织（OAZ）。

1. 在解剖显微镜下观察到视网膜色素上皮区（OAZ）与睫状边缘区（CMZ）之间存在清晰可见的分界线（见图 2A）。使用两把高精度镊子，将两把镊子分别置于OAZ/CMZ分界线两侧的边缘处，彼此紧邻（见图 2A, B，箭头所示）。
2. 用一只手/一把镊子固定住CMZ侧的组织，同时用另一只手/另一把镊子沿OAZ/CMZ分界线轻轻牵拉OAZ。CMZ将沿此线与OAZ顺利分离。沿整个培养物的分界线持续操作，直至两个区域完全分开。
3. 对分离得到的OAZ和CMZ组分进行分子分析（如RNA-Seq²⁴）或生化分析（如Western blot或共免疫沉淀^23,25）。

结果

离体 在细胞天然微环境中研究伤口愈合过程的模型

为了研究在细胞天然微环境中调控上皮组织伤口愈合的机制，建立了一种具有临床相关性的ex vivo模拟白内障手术模型。该模型由晶状体组织构建而成，因其固有特性而具有诸多优势：1）晶状体是一个自成一体的器官，周围包裹着一层称为晶状体囊的厚基底膜；2）无血管；3）无神经支配；4）无相关间质组织。因此，所观察的修复过程仅限于晶状体本身固有的细胞。为建立该模型，从胚胎第15天（E）的鸡胚中取出晶状体（图1A）。在前部晶状体囊及其附着的晶状体上皮细胞上做一个小切口，通过水力乳化法去除晶状体纤维细胞团块——这是一种经典的白内障手术操作，可产生生理相关的损伤（图1A）。晶状体上皮细胞在晶状体囊的前部和赤道部呈连续单层分布，包围着纤维细胞团块，同时其内源性的富含波形蛋白的间充质修复细胞前体¹在纤维细胞提取过程中仍保留在晶状体内（图1A）。在去除纤维细胞团块后，于晶状体囊前部做五个切口，并将晶状体上...

讨论

此处介绍一种用于制备伤口修复培养模型的技术，该技术涉及进行一项操作 离体 从鸡胚眼球中取出晶状体后进行白内障手术。晶状体上皮对这种具有临床相关性的损伤作出反应，启动一种修复过程，该过程与体内发生的修复过程高度相似 体内，并与其他上皮组织的伤口修复具有共同特征^2,4尽管该方案简单易行，但在使用胚胎晶状体进行模拟白内障手术时，需要掌握处理微小组织的操作技巧，这些技能可通过练习逐步获得，因为胚胎晶状体的直径仅约2 mm。白内障手术操作在解剖显微镜下进行，关键技术步骤包括在晶状体前囊上制作一个小切口，通过水剥离法去除纤维细胞团块，以及在前部上皮细胞层进行额外切割，以便将其展平 离体 白内障手术后，将固定在基质上的晶状体组织用于体外培养研究。显微外科白内障手术可产生高度可重复的损伤区域，暴露出组织内源性基底膜的圆形区域，受损的上皮细胞在伤口闭合过程中会迁移至该区域。该模型已被用于研究上皮组织伤口修复的调控机制，包括上皮细胞如何集体迁移进入伤口区域。 ³⁰ 伤口边缘一群富含内源性波形蛋白的间充质谱系修复细胞的领头细胞功能^1,23....

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
氯化钠 (NaCl)	Fisher Scientific	S271-3	在 TD 缓冲液中使用浓度为 140 mM
氯化钾 (KCl)	Fisher Scientific	P217-500	在 TD 缓冲液中使用浓度为 5 mM
磷酸氢二钠 (Na2HPO4)	Sigma	S0876	在 TD 缓冲液中使用浓度为 0.7 mM
D-葡萄糖（右旋糖）	Fisher Scientific	D16-500	在 TD 缓冲液中使用浓度为 0.5 mM
Tris 碱	Fisher Scientific	BP152-1	在 TD 缓冲液中使用浓度为 8.25 mM
盐酸	Fisher Scientific	A144-500	用于将 TD 缓冲液 pH 调至 7.4
Media 199	GIBCO	11150-059
L-谷氨酰胺	Corning/CellGro	25-005-CI	在 Media199 中使用浓度为 1%
青霉素/链霉素	Corning/CellGro	30-002-CI	在 Media199 中使用浓度为 1%
100 mm 培养皿	Fisher Scientific	FB0875711Z
Stericup 滤器装置	Millipore	SCGPU01RE	用于过滤除菌培养基
Dumont #5 镊子（需 2 把）	Fine Science Tools	11251-20
35 mm 细胞培养皿	Corning	430165
27 G 1 ml SlipTip 带精密针头	BD	309623
精细剪刀	Fine Science Tools	14058-11
标准镊子	Fine Science Tools	91100-12
其他所需物品：常规解剖器械，  白来航鸡受精蛋，检查用蛋孵箱（加湿，37.7°C），超净工作台，双目立体解剖显微镜