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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
离体直立液滴培养是当前体外和体内实验技术的替代方案。该方案易于执行,需要较少量的试剂,同时允许纵和研究胎儿血管形成、形态发生和器官发生的能力。
在子宫内调查器官是胎盘哺乳动物,由于试剂的交通不便在技术上具有挑战性的过程中对子宫内的发育胚胎。新开发的体外直立滴培养法提供了一个有吸引力的替代在子宫内进行的研究。 体外液滴文化提供了检查和处理,通过使用各种保护和活化化合物的细胞相互作用和多样化的信号通路的能力;另外地,可以研究在特定器官的发展多种药理试剂的作用,而不在子宫内的全身药物递送的不需要的副作用。相对于其他的体外系统中,微滴培养不仅允许研究三维形态发生和细胞-细胞相互作用的能力,这是不能在哺乳动物细胞系被再现,同时还要求显著少řeagents比其他离体和体外协议。本文示范了正确的小鼠胎儿器官解剖和直立液滴培养技术,其次是全器官免疫证明该方法的有效性。 体外液滴培养方法允许形成器官结构可比所观察到的体内 ,并且可以用来研究由于胚胎致死性在体内模型中 ,否则难以研究的过程。作为一个模型应用系统中,小分子抑制剂将用于探测血管的睾丸形态发生中的作用。此体外液滴培养方法是可扩展到其他胎儿器官系统,如肺和潜在别人,虽然每个器官必须是广泛的研究,以确定任何器官特异性修改的协议。这个器官培养系统提供了在实验与胎儿各器官的灵活性,并导致obtained。使用这种技术将有助于研究人员深入了解胎儿的发育。
在体内在人类器官再生是非常有限的;因此,组织工程,组织和从由主机捐献单个细胞器官的发育,是变器官更换一个有吸引力的潜在疗法。但是,对于该治疗策略是成功的,因素和参与器官的形态形成的细胞相互作用,必须彻底的研究和易于理解的。由于无法研究特定器官与传统方法的发展,研究人员已转向替代全胚胎或整个器官培养。 Kalaskar 等人 1已经表明, 体外全胚胎培养得到类似的结果(在培养的胚胎的58%),以在子宫内发育,表明体外培养方法可用于器官发生研究一个可行的替代方案。
个性化的器官培养系统,例如本体外的dro诗人盖伊培养系统,允许对整个器官分析独立的全身效应,而通过加药理学试剂或抗体的允许操作的特定信号传导途径或细胞的相互作用。传统上,胎儿器官发育的研究已不限于转基因和基因敲除小鼠的技术中,除了递送母系药理试剂。但是,也有涉及这些技术和治疗方法在体内的技术问题;最关注围绕影响各种器官同时经常导致胚胎致死性的影响。研究操纵胎儿发育的另外一个关注的药理是药物对子宫内胚胎发育的母体效应(如药物产妇代谢之前到达胚胎),如果这样的试剂可以穿过胎盘屏障。
整个器官培养技术说明这里被改编自协议首先通过Maatouk 等人 2描述,其中整个胎儿性腺孵育在体外直立液滴培养物。培养的胎儿性腺之一显著优点是,小分子抑制剂能够通过简单的扩散容易地访问整个器官。 。DeFalco等人已经表明,利用在与小分子抑制剂结合本体外液滴培养方法可用于研究信令进程和性腺发育3期间发生相互作用;这些过程将难以检查体内由于技术上的挑战(例如,药物通过胎盘或影响使用基因或药理学方法多个器官杀伤力通路)。
液滴文化不仅在某些方面比在子宫内的实验改进,而且它是一个改进, 在体外和前六VO的系统。因为它们缺乏多样的细胞类型,缺乏临界外基质(ECM)组件,其允许器官结构的形成,并且可以在信号级联放大显示的工件的使用细胞系,研究形态发生是极为困难的。虽然组织工程在创造支架模拟ECM做显著的改善,对于缺乏知识的哪些信号需要通过器官中的细胞类型使得它具有挑战性的在体外建立一个器官系统。其它体外系统已被预先建立,研究器官,或更具体形态发生,并已为胎儿器官的琼脂4实时成像非常成功的,转孔5,过滤器6,和其他支架矩阵7,8。液滴培养系统的优点是,它允许形态的研究通过提供利用较少的试剂,其分别为邻的能力FTEN昂贵,而且还给予器官表面张力,这是生长和信令能力9重要。
在小鼠中,初始睾丸形态取胚胎(E)之间发生级E11.5和E13.5;这些阶段包括的最佳时间窗口用于检查影响性别特异性分化因子。间期间睾丸形成发生的关键过程是睾丸帘线结构的产生和睾丸特异性的血管网络的形成。利用这种体外全器官液滴培养系统,一个是能够改变雄性特异性血管化和通过使用小分子抑制剂的抑制睾丸形态发生阻断了受体的血管内皮生长因子(VEGF)的活性;血管内皮生长因子介导的血管重构是睾丸发育10-12的关键。这种技术可以成功地应用于其它器官,并且可以针对特定的时间发展的窗口。全安装器官成像允许重要结构的可视化以及来自各种抑制剂的给药引起的结构和细胞变化。重要的是,这个系统是在研究人员可以绕过从母体药品监督管理部门或系统中断期间体内靶基因战略的潜在混杂影响是有利的。因此,这整个器官离体液滴培养系统可以显著改善了解哪些胎儿发育过程中特别会出现特定的器官内的相互作用和信号的能力。
在这些研究中使用的所有小鼠是从Charles River实验室得到的CD-1小鼠。以前培养实验也已在其它菌株,如C57BL / 6J(数据未显示)进行的,但任何应变都可以使用。怀孕的成年女性约为2-3个月之久,并通过CO 2吸入颈椎脱位和前胚胎切除双侧开胸进行安乐死。小鼠饲养按照美国国立卫生研究院的指导方针,以及实验方案被批准由辛辛那提儿童医院医学中心的机构动物护理和使用委员会。
1.准备仪器仪表,文化传媒,和菜名
来自小家鼠 2.隔离胎儿睾丸
3.培养性腺的具有小分子抑制剂
4.聚合酶链反应确定胚胎的性别
5.整装器官免疫
第1天:
第2天:
第3天:
体外培养液滴允许一个操纵整个器官,如生殖腺,来研究细胞相互作用和动力学。 图1展示了在一个逐步的方式如何准备E11.5性腺液滴培养。在培养协议的第一个步骤包括最初除去从母小鼠(图1A和1B)的含胚子宫。除去从母亲子宫后,子宫壁被切断,将胚胎从卵黄囊到PBS中用于进一步解剖(图1C-E)的解放。去除内脏器官的后,泌尿生殖脊是沿着后身壁胚胎( 图1F)的清晰可见和分离(图1G)。性腺-中肾络合物然后解剖远离泌尿生殖脊(图1H),并且被放置到液滴培养用小分子抑制剂(图1I,左:"T"的处理)和不小分子抑制剂( 图1I,正确的:"C"控制)。含有液滴的小碟封闭在化妆移加湿室( 图1J),并在37℃和5%CO 2的48小时。
后48小时温育的培养的器官被除去,用PBS洗涤,并受到一个整装免疫荧光协议来评估培养和药物治疗的有效性;可替代地,他们可以为RNA提取处理用于基因表达分析。胎全性腺-中肾络合物(E11.5以上)具有高的存活率在正常条件(37℃和5%CO 2)48小时下一个干净的解剖后立即转移到培养基和培养(但他们可以是潜在培养更长,如果必要的话)。 E11.5性腺下明microscop比较的Y初始孵育后对培养24或48小时揭示了戏剧性的变化在性腺形状和条状线结构中的控制的XY性腺的外观( 图2)。因此,48小时培养后,发展是比得上E13.5 宫内性腺(图2)的。此外,E11.5胎儿肺生长,并显示增加的支化,通常在该阶段中发展(图2)发生。培养过程通常导致更小的器官相比, 在子宫内 ,最可能是由于事实,即培养条件没有作为最佳为相对于在子宫内的环境(见讨论)的增长。
虽然从48小时培养所得的器官的大小不同于在宫内-developed器官,离体培养的器官显示出类似的组织结构,并可以作为合理替代物(Figures 3和4)。为了表征器官结构和形态,标记特异性标记关键器官的细胞类型被使用,如SOX9睾丸支持细胞和肺支细胞,E-钙粘蛋白的肺上皮细胞,PECAM1为生殖细胞和脉管系统,并切割胱天蛋白酶3对于凋亡细胞(图3和4)。Sox9的 ,编码转录因子,在胚胎器官增殖,分化,和细胞外基质的形成中起重要作用。因此,在这两个机构,SOX9被用作通用架构标记物标记位于睾丸帘线14-16和分支结构内肺部17内支持细胞。
性腺文化在子宫内形态特别是重新创建有效。鼠标性腺规定为胚胎(E)级E10.0和最初形态相同的XY(男性)和XX(FEMALE)的胚胎。基因XY的Sry基因(Y染色体的性别决定区 )的表达性腺开始E10.5驱动器发生迅速E11.5和E13.5之间的胎儿睾丸19,包括主要分子和形态的变化:的规格支持细胞,睾丸的支持细胞谱系;形成睾丸帘线,被包括塞尔托利和生殖细胞,并且是前体胎儿到成人输精管;和主要血管重塑。雄性特异性血管重塑,从在相邻中肾血管丛释放内皮细胞迁移到性腺以形成睾丸特异性动脉系统4,20。免疫荧光分析表明发达睾丸帘线结构和脉管在E13.5 宫内睾丸相对E11.5睾丸(图3)。如在图3中显示的图像,液滴培养系统可以重新睾丸分化EV已废除体外的,因为它是可能的可视化SOX9的阳性支持细胞中的XY性腺成形为小管状线和脉管整个器官形成。对于肺,48小时培养结果的SOX9 / E-cadherin的双阳性上皮分支以上的2天( 图4)的过程中增加的支化。此外,我们看到细胞凋亡在控制培养并在子宫内的性腺相似的水平,同时有一些增加,细胞凋亡在肺中的相同的培养条件下( 图3和4),这表明性腺是特别适合于培养条件。
小分子抑制剂可用于通过影响细胞定位,增殖和细胞周期的状态,以及器官结构和各种信号级联来研究器官发育。 体外全器官滴方法使研究人员能够轻松地管理药物试剂FE河谷器官在一个非常小的体积的培养基。为了检测血管和血管重塑的睾丸分化和形态发生的作用,我们使用了小分子抑制剂TKI二,一个试剂,通过阻断VEGF受体的活性破坏睾丸血管发育3;胎睾丸架构的形成发生在血管依赖性,通过血管内皮生长因子A(VEGFA)11,12作用。而睾丸的血管形成是对睾酮的出口,驱动胚胎的男性化关键的,它也是睾丸帘线形态的主要驱动力:先前的工作表明,当VEGFA信令被阻塞处或之前E11.5,Sertoli细胞无法从周围的间质细胞,没有线结构形成3,12分割出去。此处示出的结果表明,在胎儿睾丸血管重塑的破坏是有效的液滴培养体系,和subsequen吨在睾丸形态(即,异常睾丸帘线形成)的缺陷,可以可视化(图3)。应当指出的是,PECAM1,标记为内皮细胞,也由生殖细胞(图3)表示;这个生殖细胞染色是内部对照,显示了在缺乏治疗性腺血管染色的是不是由于技术上的原因,并且还表明,其它类型的细胞,如生殖细胞不会受到药物治疗。鉴于大多数初始睾丸形态发生E11.5和E13.5之间的地方,这些阶段是确定了影响性别特异性分化,尤其是血管内皮生长因子在性腺的作用和血管重塑因子的最佳窗口。
TKI二E11.5和E13.5之间肺发育期间使用表明脉管系统的小分子抑制可以在另一器官(图4)被再现。这些结果表明吨的功效他离体胎儿器官液滴培养模型系统和使用小分子抑制剂以改变器官内信号传导途径的能力。由于观察到易于,灵活性和这个协议的功效,液滴培养提供了一个合适的替代用于与器官发育,不能在体内处理的实验问题。

图1中的步骤在体外全器官液滴文化协议。 (一)安乐死怀鼠标打开腹腔。(B)角子宫与封闭的胚胎。(C)特写视图中打开子宫壁与暴露的胚胎卵黄囊。(四)单个胚胎(E)连接以卵黄囊(Y)包围的胎盘(P)。(E)胚胎分离˚F ROM胎盘和卵黄囊。(F)解剖胚胎内脏器官取出,泌尿生殖嵴暴露(内黑边尿生殖嵴生殖腺)。(G)特写孤立泌尿生殖嵴(黑边性腺-中肾复合物)。星号表示在G和H(H)分离泌尿生殖嵴(夹层由黑色虚线表示)性腺-中肾复背主动脉。克,性腺;男,中肾。(我)在35毫米培养皿的盖子建立液滴文化。黑箭头指向滴内性腺。 T,治疗; C,控制。(J)置于一个开放的湿盒内的两个小滴培养皿的盖子。 请点击此处查看该图的放大版本。
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图2.开发体外相滴培养机关在子宫内器官的明视场图像。E11.5 在-utero-开发机构(性腺和肺)(第一列); 24小时(第二列)和48小时墨滴控制文化(第三列)后E11.5机关; E11.5机关48小时与TKI II VEGFR抑制剂(第四列)培养;和E13.5 在-utero-开发机构(第五列)。性腺的取向是性腺(清晰的结构)以上的中肾(不透明的结构)。 E11.5性腺是双位势,并出现形态相同的XY(男性)和XX(女)样本。比例尺,500微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
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图3. 体外液滴培养睾丸是可比的组织结构和细胞死亡,以-utero-开发对应的免疫荧光图像。E11.5宫内胎儿-developed睾丸(第一列); 48小时控制体外滴文化(第二列)后,控制E11.5睾丸; E11.5睾丸后48小时体外液滴文化与TKI II VEGFR抑制剂(第三列);和E13.5 在-utero-开发的睾丸(第四列)。虚线表明性腺 - 中肾边界(性腺是面向顶部)。 SOX9是支持细胞的标志物,用于可视化睾丸帘线结构; PECAM1表达于胚芽和血管内皮细胞(因此,剩余的PECAM1染色处理性腺是几乎完全生殖细胞);和cleav编胱天蛋白酶3是凋亡细胞的标志物。培养控制性腺表现出类似的睾丸索形成睾丸特异性血管(箭头整个图),和相对凋亡水平在-utero-开发的同行,同时展出TKI-II培养性腺破坏血管和异常睾丸线形态。括号表明性腺的面域,其中血管通常是存在的,但处理的样品中没有检测到。箭头指向死在TKI-II治疗睾丸血管细胞团块。比例尺,100微米。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4.其他胎儿各器官(肺)的液滴体外培养媲美 > IN- utero-开发机构的免疫荧光图像。E11.5 宫内 -developed肺(第一列); E11.5肺后48小时控制的体外滴文化(第二列); E11.5肺后48小时体外液滴文化与TKI II VEGFR抑制剂(第三列);和E13.5 在-utero-开发的肺(第四列)。 SOX9标签分支细胞; E-cadherin的标志肾小管上皮结构; PECAM1标签血管内皮细胞;并切割胱天蛋白酶3马克凋亡细胞。 体外培养的控制机构显示出类似的结构和SOX9,E-钙粘蛋白的表达,和PECAM1培养器官相比在-utero-开发器官,但改变的细胞死亡的量。在与TKI II治疗,血管发育是显著在肺减少(所揭示的PECAM1染色)。比例尺,100微米。目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。
| 一步 | 体温 | 时刻 | 周期数 |
| 开始 | 94℃ | 2分钟 | 1周期 |
| 变性 | 94℃ | 15秒 | 35个循环 |
| 退火 | 57℃ | 30秒 | |
| 伸长率 | 72℃ | 30秒 | |
| 结束 | 72℃ | 5分钟 | 1周期 |
表1:XY PCR分析程序循环参数为"XY(短)"PCR技术用于胚胎XX / XY基因分型方案。
提交人声明,他们没有竞争的经济利益。
离体直立液滴培养是当前体外和体内实验技术的替代方案。该方案易于执行,需要较少量的试剂,同时允许纵和研究胎儿血管形成、形态发生和器官发生的能力。
作者得到了以下方面的支持:CancerFree KIDS 研究资助、March of Dimes Basil O'Connor 入门学者奖 (#5-FY14-32)、辛辛那提儿童医院医疗中心 (CCHMC) 受托人资助奖;CCHMC 研究创新和试点资助奖;以及 CCHMC 发展基金。作者还感谢 Capel 实验室对这项技术进行了初步优化。
| Superfrost Plus 显微镜载玻片 | Fisherbrand | 12-550-15 | |
| 盖玻片:方形(22 mm x 22 mm,1.5 号) | Fisherbrand | 12-541B | |
| Sally Hansen Xtreme Wear 指甲油,隐形 | Sally Hansen | ||
| 8 条 0.2 ml PCR 管 &分离式平盖 | GeneMate | T3218-1 | |
| Pipetman L P1,000L、P200L、P20L、P10L、P2L | Gilson | FA10006M、FA10005M、FA10003M、FA10002M FA10001M | |
| Dumont #5 镊子 | FST | 91150-20 | |
| 细剪刀 | FST | 91460-11 | |
| Posi-Click 1.7 ml 微量离心管 | Denville | C2170 | |
| Posi-Click0.6 ml 微量离心管 | Denville | C2176 | |
| 10 μl SHARP 精密屏障尖端 | Denville | P1096FR | |
| 20 μl SHARP 精密屏障尖端 | Denville | P1121 | |
| 200 μl SHARP 精密屏障尖端 | Denville | P1122 | |
| 1,000 μl SHARP 精密屏障尖端 | Denville | P1126 | |
| 1 ml 注射器,带 27 号针头 | BD PrecisionGlide | 309623 | |
| 10 ml 注射器 | BD | 305559 | |
| 0.2 μM PES 针式过滤器 | VWR | 28145-501 | |
| 3 级定性滤纸 标准级,圆形,185 mm | Whatman | 1003-185 | |
| Primaria 35 mm 易握型细胞培养皿 | Falcon/Corning | 353801 | |
| 培养皿,无菌 (100 mm x 15 mm) | VWR | 25384-088 | |
| New Brunswick Galaxy 14 S CO2 培养箱 | Eppendorf | CO14S-120-0000 | |
| 生物安全柜 | Nuare | NU-425-400 | |
| 微型离心机 | Fisher Scientific | 05-090-100 | |
| BioExpress GyroMixer Variable XL | GeneMate | R-3200-1XL | |
| Mastercycler Pro 热循环仪,带控制面板 | Eppendorf | 950040015 | |
| SMZ445 立体显微镜 | 尼康 | SMZ445 | |
| 多图像灯柜,带 AlphaEase 软件 | Alpha Innotech Corporation | 已停产 | |
| 绝对 200 度乙醇 | Fisher | BP2818-500 | |
| Triton X-100 | Fisher | BP151-100 | |
| 磷酸钠(二元 MW 142) Na2HPO4 | Fisher | S374-1 | |
| 磷酸钾(二元 MW 136) KH2PO4 | >Sigma-Aldrich | P5379-1KG | |
| 氯化钠 (NaCl) | Fisher | S671-3 | |
| 氯化钾 (KCl) | Sigma-Aldrich | P3911-1KG | |
| 氯化镁 (MgCl2) | Sigma | M2393-100g | |
| 氯化钙 (CaCl2) | Sigma | C5670-100g | |
| Ambion 无核酸酶水 | 生活技术 | 型号 AM9938 | |
| XY PCR 引物 | IDT | N/A | |
| 冰醋酸 | Fisher | A38-500 | |
| 乙二胺四乙酸 (EDTA)Fisher | BP2482-1 | ||
| 1% 溴化乙锭溶液 | Fisher | BP1302-10 | 有毒 |
| 琼脂糖 | GeneMate | E-3120-500 | |
| 氢氧化钠 (NaOH) | Sigma-Aldrich | 367176-2.5KG | |
| Trizma 基础 | Sigma | T1503-1KG | |
| dNTP 套装,100 mM 溶液 | Thermo Scientific | R0182 | |
| DNA 选择 Taq 聚合酶,含 10x 缓冲液 | Denville | CB-4050-3 | |
| 多聚甲醛 | Fisher | O4042-500 | 有毒 |
| FluorMount-G | Southern Biotech | 0100-01 | |
| 氯化氢 (HCl) | Fisher | A144212 | |
| 牛血清白蛋白 (BSA),粉末,组分 V,热休克隔离 | Bioexpress | 0332-100g | |
| Dulbecco's 改良 Eagle 培养基 (DMEM) | Life Technologies | 11965-092 | |
| 胎牛血清 (FBS),三重 100 nm 过滤 | Fisher | 03-600-511 | 使用|
| 青霉素-链霉素前加热灭活 (10,000 U/ml)Life | Technologies | 15140-122 | 以 1:100 的比例使用 |
| 甲基亚砜 (DMSO),Hybri-max,无菌过滤 | Sigma | D2650 | |
| VEGFR 酪氨酸激酶抑制剂 II - CAS269390-69-4 - Calbiochem | EMD Millipore | 676481 | |
| 兔抗 Sox9 抗体 | Millipore | AB5535 | 稀释度使用量:1:4,000 |
| 大鼠抗小鼠 PECAM1 (CD31) 抗体 | BD Pharmingen | 553370 | 稀释度使用量:1:250 |
| 兔裂解 Caspase-3 (Asp175) 抗体 | 细胞信号传导 | 9661S | 稀释度使用量:1:250 |
| 大鼠 E-钙粘蛋白 / CDH1 抗体(ECCD-2) | Life Technologies | 13-1900 | 稀释度使用:1:500 |
| Hoechst 3342,三盐酸盐,三水合 | 物Invitrogen (Molecular Probes) | H1399 | 2 ug/ml |
| Cy3 AffiniPure 驴抗大鼠 IgG (H+L) | Jackson Immunoresearch | 712-165-153 | 稀释度使用:1:500 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure 驴抗大鼠 IgG (H+L) | Jackson Immunoresearch | 712-605-153 | 用量稀释度:1:500 |
| 驴抗兔 IgG (H+L) 二抗,Alexa Fluor 555 偶联物 | Life Technologies | A31572 | 稀释度:1:500 |
| 驴抗兔 IgG (H+L) 二抗,Alexa Fluor 488 偶联物 | Life Technologies | A21206 | 稀释度:1:500 |
| 驴抗大鼠 IgG (H+L) 二抗,Alexa Fluor 488 偶联物 | Life Technologies | A21208 | 稀释度:1:500 |
| 驴抗兔 IgG (H+L) 二抗,Alexa Fluor 647 偶联物 | Life Technologies | A31573 | 稀释度:1:500 |