研究睾丸免疫特权、炎症或感染过程中的信号转导以及利用其免疫保护特性需要使用原代支持细胞。本文介绍一种基于酶消化的方法,用于从大鼠睾丸中分离高纯度的原代支持细胞和管周细胞。
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研究睾丸免疫特权、炎症或感染过程中的信号转导以及利用其免疫保护特性需要使用原代支持细胞。本文介绍一种基于酶消化的方法,用于从大鼠睾丸中分离高纯度的原代支持细胞和管周细胞。
睾丸,尤其是雄性配子,以一种独特的方式挑战免疫系统,因为分化的精子在青春期才首次出现,这比全身性免疫耐受的建立晚了十多年。生精细胞表达多种可能被免疫系统识别为“非己”的蛋白质。因此,睾丸必须一方面能够对这些新抗原建立免疫耐受,另一方面仍需具备抵御感染和肿瘤发生的能力。因此,睾丸是体内少数几个免疫豁免部位之一,能够在不引发有害炎症免疫反应的情况下耐受外来抗原。支持细胞(Sertoli细胞)在维持睾丸免疫豁免微环境中起关键作用,并可延长共移植细胞在异体环境中的存活时间。因此,原代Sertoli细胞是研究睾丸免疫豁免特性的重要工具,这种作用难以被已建立的细胞系或其他细胞模型轻易替代。本文提供了一种详细且全面的实验方案,可在一天内从大鼠睾丸中分离获得Sertoli细胞——如需要,也可同时分离管周细胞。
睾丸产生雄性配子和性激素, 即, 雄激素。该器官由两个区室组成。间质区室约占睾丸总体积的10-12%1,类固醇生成发生在Leydig细胞内。管状 compartment 约占睾丸体积的60-80%1 并包含生殖细胞以及两种体细胞——管周细胞和塞尔托利细胞。睾丸由结缔组织隔膜分割为250至300个小叶,每个小叶含有1至3条高度盘曲的生精小管。这些小管由基底膜、一层胶原蛋白以及环状排列的管周细胞包裹。图1A).
生精上皮位于基膜的管腔侧。支持细胞是贯穿整个生精上皮、从基膜延伸至管腔的大型长形细胞。它们与基膜紧密连接,并通过侧基底部位有序排列的紧密连接形成连续的细胞层,将生精上皮与间质隔离开来,构成血睾屏障。支持细胞具有显著的细胞质突起和分支结构,使其能够与特定物种特异但数量恒定的生精细胞建立紧密的形态和功能联系。二倍体的生精干细胞增殖并分化为精原细胞。
在减数分裂Ⅰ期间,会生成短暂存在的四倍体精母细胞,这些细胞在减数分裂Ⅱ中进一步发育为四个单倍体精子细胞。所有生殖细胞均通过细胞质桥相互连接,从而形成一个细胞网络。精子细胞成熟过程中的主要事件是大量细胞质被排出,形成残余体,这一过程称为精子形成(spermiogenesis)。残余体会被支持细胞(Sertoli cells)吞噬。随后,晚期精子细胞被释放到曲细精管腔内,并被运送至附睾进行进一步成熟。支持细胞与生殖细胞在空间分布和功能上似乎相互协调,共同调控精子发生过程。
单个睾丸细胞类型的制备始于近一个世纪前,当时通过培养小块睾丸组织,并借助显微镜鉴定细胞类型2。后来,通过使用尖头镊子切开白膜后仔细解剖曲细精管,得以分离管状结构与间质部分3。1975年,Welsh和Wiebe引入了胶原酶处理方法,以去除附着在曲细精管上的间质组织,并采用胰蛋白酶处理去除外部的管周细胞层4。早期研究多采用年轻的未成熟大鼠(约20日龄),此时生精作用尚未开始,支持细胞在曲细精管细胞群中占较大比例。在此年龄段,大鼠的支持细胞停止分裂,相邻细胞之间形成紧密连接,从而建立起血睾屏障5。
独立于威尔士和Wiebe Dorrington 等 引入了胰蛋白酶与脱氧核糖核酸酶的联合使用,随后采用大豆胰蛋白酶抑制剂和胶原酶处理的方法,该方法于同年发表6两组均使用机械力(分别通过反复将消化后的管状片段抽吸过注射器针头或巴斯德移液管)以制备含有约70%支持细胞的均一细胞悬液用于接种。在无血清培养基中培养3天后,支持细胞的比例增加至约90%,这主要可归因于污染的生殖细胞死亡。然而,残留的管周细胞(PTCs)则通过其细胞外基质牢固附着。已知管周细胞(而非支持细胞)能够产生纤连蛋白,后者可作为评估管周细胞污染程度的标志蛋白。因此,Tung等认为额外的透明质酸酶处理可能有助于提高支持细胞组分的纯度7事实上,他们证明了额外的处理步骤可将PTCs的污染减少约20倍,这一点在使用含血清培养基培养纯化后的塞尔托利细胞时尤为明显。自此以后,Tung等人改进的方法成为主流方案,并被该领域的其他多个主要研究团队广泛采用。8 (图1B).
在胶原酶处理过程中,大部分精原干细胞(PTC)被释放出来,可与支持细胞同时分离。PTC具有强烈的增殖能力,但对促卵泡激素(FSH)无反应;而支持细胞不再进行有丝分裂,但可通过特征性的形态学变化以及环磷酸腺苷(cAMP)浓度的升高对FSH产生响应9。类似的酶消化方案也可用于从其他动物(如人10、小鼠11,12、西伯利亚仓鼠13或牦牛14)中分离原代支持细胞。为了去除大量污染的生殖细胞,可在分离过程的最后阶段采用低渗休克处理15,该方法也适用于成年大鼠睾丸中支持细胞的有效分离16。此外,可通过将细胞悬液接种至刀豆球蛋白A(Datura Stramonium agglutinin)包被的凝集素培养皿上,从而将富集的支持细胞悬液与生殖细胞分离开来17。只有支持细胞和少量残留的PTC能够黏附于凝集素培养板上。
最初,主要利用大鼠的初级支持细胞培养物来研究其对激素的反应性,或建立细胞系,例如小鼠支持细胞系TM418。迄今为止,该细胞系已在百余项研究中被广泛使用。在转化医学研究中,支持细胞已被用于共培养细胞和组织的免疫保护,例如在异种或同种异体胰岛共移植中实现移植物的长期存活,而无需全身性免疫抑制治疗19。分离的支持细胞还被用于共培养实验,以研究上皮-间质(支持细胞-近端肾小管上皮细胞)以及体细胞-生殖细胞(支持细胞-生殖细胞)之间的相互作用20,21。最近,初级支持细胞被用于研究Toll样受体的表达、促炎性细胞因子的分泌,以及在感染非致病性和尿路致病性E. coli后诱导细胞因子表达的信号转导级联反应22。其他近期研究利用支持细胞探讨睾丸免疫豁免机制23,并证明睾酮预处理可抑制脂多糖(LPS)诱导的炎症反应24。
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1. 动物伦理声明
此处描述的实验均按照德国吉森地方政府当局——吉森行政区政府(Regierungspräsidium Giessen)的指导原则进行,并符合德国实验动物饲养与使用的操作规范(许可编号:GI 20/23 Nr. A 31/2012)。
2. 培养基、酶溶液和动物的准备
3. 生精小管的制备
4. 曲细精管周围细胞(PTCs)的去除/分离
5. 支持细胞(SCs)的分离
6. 油红O染色
7. 免疫荧光染色
8. 超微结构分析
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该方法可从10个大鼠睾丸中分离得到约12 × 107个支持细胞。在6孔板中每孔接种3 × 106个细胞,因此在第7天可获得6至7块6孔板用于实验。胰蛋白酶-脱氧核糖核酸酶I消化是支持细胞分离过程中最关键的步骤。若此步消化过度,生精细胞与支持细胞的比例将显著升高并持续至实验结束。在培养的第3至6天,必须仔细洗去尽可能多的非贴壁或松散附着的生精细胞。作为连续4天频繁洗涤的替代方法,可在第3天采用低渗处理去除生精细胞27。该方法的优点在于支持细胞的培养时间最短,从而可能比长期培养更好地保留支持细胞的特异性功能。
尽管透明质酸酶处理可去除大部分残留的管周细胞,但仍会有少量细胞存活。分离得到的支持细胞纯度为 >通过波形蛋白免疫标记可证明其达到95% (图5B)由于管周细胞具有较强的增殖潜能,因此必须在无血清条件下进行支持细胞培养。在含有10%血清的培养条件下...
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生精小管由管腔侧的一圈管周细胞层和基膜所包绕。支持细胞位于基膜上,通过相邻细胞间形成闭锁连接构建血睾屏障,并为生精上皮的结构排列提供支架。在生殖细胞发育的整个过程中,支持细胞与邻近的生精细胞保持着密切的接触,实现物理连接和细胞间通讯。因此,当采用本文所述方法分离支持细胞时,它们将失去与邻近管周细胞及生精细胞的密切接触。然而,这些细胞似乎仍保留了其许多典型特征。 体内 如激素反应性和标志基因表达,尽管存在时间依赖性且水平较低。
支持细胞在培养六天后会形成较大的中性脂滴。支持细胞的重要功能之一是吞噬退化的、凋亡的生殖细胞以及生殖细胞物质,例如所谓的残余体29。已知残余体和来自伸长精子细胞的胞质体可黏附于分离的支持细胞并被其吞噬30。由于在分离过程中无法完全去除所有生殖细胞,因此我们推测污染的生殖细胞在接种后也可能黏附于支持细胞并被吞噬。由于残余体含有小脂滴,因此可以合理推测,支持细胞在大量吞噬黏附和受损的生殖细胞后会获得较大的脂滴。此外,有证据表明,吞噬清除凋亡细胞可主动下调炎症和免疫反应31,这可能...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢来自鲁汶的 Guido Verhoeven 和 Ludo Deboel,他们在吉森 Meinhardt 实验室建立初级支持细胞分离技术的过程中提供了极大的帮助。感谢吉森的 Monika Fijak 在图 1A 的制作方面提供的协助与建议。本研究得到了德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft)项目 BH 93/1-1(S.B.)以及吉森大学(德国)与莫纳什大学(澳大利亚墨尔本)联合国际研究型研究生院 GRK 1871(S.B.)的资金支持。此外,还获得了黑森州政府在相关项目中的资助 "科学经济卓越发展先锋计划" (LOEWE)称为 "感染所致的男性不育 &炎症" (MIBIE)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 肌动蛋白(平滑肌)抗体克隆 1A4 | Dako | M0851 | 单克隆小鼠抗人抗体。 免疫荧光使用 1:100 稀释度。 |
| 牛血清白蛋白第五组分 标准级,冻干粉 | Serva | 11930.04 | 用于免疫荧光的滤膜(0.45 µm)过滤BSA溶液。 |
| Corning 细胞筛 70 µm | Corning | 431751 | 白色 |
| 来自 Clostridium histolyticum 的胶原酶A | Roche | 10103586001 | |
| DAPI封片剂 ProLong Gold 抗荧光淬灭剂 | Life technologies | P-36931 | |
| D-葡萄糖 | Sigma | G8644 | 100 g/L |
| 不含Ca´2+/Mg2+的Dulbecco磷酸盐缓冲液 | Gibco | 14190-094 | |
| 脱氧核糖核酸酶I(DNase I) | Roche | 10104159001 | |
| 电子显微镜 | Zeiss | EM 109S | |
| 荧光显微镜 | Zeiss | Axioplan 2 | |
| 来自牛睾丸的透明质酸酶 | Sigma | H3506 | |
| 倒置光学显微镜 | Olympus | CKX41 | 常规细胞培养显微镜 |
| 小鼠IgG/IgM(H+L)多克隆 二抗 | Life technologies | A-10684 | Alexa Fluor 488偶联物 |
| 油红O | Sigma | O0625 | 因颜色更鲜艳,已取代苏丹III和苏丹IV。 |
| 多聚甲醛 | Sigma | P6148 | |
| 青霉素(5,000 U/ml)/ 链霉素(5,000 µg/ml) | Gibco | 15070-063 | 100倍浓缩液 |
| RPMI-1640 | Gibco | 21875-034 | 含300 mg/L L-谷氨酰胺 |
| 来自猪胰腺的胰蛋白酶 | Sigma | T5266 | |
| 台盼蓝染液(0.4%) | Gibco | 15250-061 | |
| 大豆胰蛋白酶抑制剂 | Sigma | T6522 | Sigma产品比之前使用的 Roche产BPTI(抑肽酶)便宜得多。 |
| 波形蛋白抗体(V9) | Sigma | V6630 | 单克隆小鼠抗猪波形蛋白抗体。 免疫荧光使用1:100稀释度。 |
| Wistar WU大鼠 | Charles River | 实验当天应为19日龄。 |
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