糖尿病研究领域面临的关键挑战是阐明调控胰岛β细胞复制的分子机制,并开发出促进β细胞再生的方法。本文介绍了一种高内涵筛选方法,用于鉴定和评估小分子促进β细胞复制的活性。
方法文章
糖尿病研究领域面临的关键挑战是阐明调控胰岛β细胞复制的分子机制,并开发出促进β细胞再生的方法。本文介绍了一种高内涵筛选方法,用于鉴定和评估小分子促进β细胞复制的活性。
胰岛素生成性β细胞的丧失是糖尿病的核心特征。尽管目前正在探索多种潜在的替代疗法,但扩增内源性胰岛素生成性胰岛β细胞仍是一种具有吸引力的策略。β细胞的自发再生能力有限,因此,一项关键的研究方向是深入理解抑制β细胞增殖的分子通路,并鉴定能够克服这些抑制作用的药物。本文介绍了一种基于自动化高内涵成像的原代细胞筛选方法,用于鉴定促进β细胞复制的小分子化合物。该方法克服了以往多种方法的局限性。首先,采用原代胰岛细胞而非永生化细胞系,可最大程度地保留 体内 生长抑制因素。其次,采用混合组成的胰岛细胞培养物而非β细胞系,可识别出谱系特异性及广谱性的生长刺激因子。第三,通过使用384孔板格式,该技术使原代胰岛的应用变得切实可行,从而克服了原代胰岛作为有限资源的制约。第四,通过优化胰岛分离、分散、铺板和培养参数,克服了因胰岛培养质量不稳定而导致的实验变异性问题。第五,通过优化免疫染色参数、自动化数据采集和数据分析,克服了准确且一致地测量胰岛内分泌细胞低基础复制率的困难;自动化同时提高了通量并减少了实验者偏倚。该检测方法的显著局限性包括:使用分散的胰岛细胞培养物会破坏胰岛结构,使用啮齿类动物而非人胰岛,以及使用原代细胞所带来的通量和成本固有局限。重要的是,该策略可轻松适用于人胰岛复制研究。该检测方法非常适合用于研究物质对β细胞的促有丝分裂效应及其调控β细胞生长的分子机制。
糖尿病是一组以葡萄糖稳态失衡为共同终末表现的疾病。尽管糖尿病各亚型的致病机制不同,但均导致β细胞质量减少这一共同后果。 即胰岛素生成能力丧失1,2目前,糖尿病的治疗策略依赖于外源性胰岛素的长期给药、药物刺激胰岛素生成或提高胰岛素敏感性,极少数情况下采用胰岛细胞或全胰腺移植3,4遗憾的是,这些策略的效果短暂和/或无法充分模拟内源性胰岛素分泌功能。尽管开发出能够促进β细胞再生的方法具有重要意义,但目前尚无此类有效手段。因此,糖尿病研究的一个重要目标是开发出生成新β细胞或扩增内源性β细胞质量的方法。5尽管来自胚胎干细胞等可再生资源的β细胞再生技术正在取得进展,但出于对安全性和效率的担忧,探索包括成熟β细胞扩增在内的替代策略仍被列为优先方向6,7重要的是,新生β细胞的主要来源 体内 是已存在的β细胞,而非特化的前体细胞8,9尽管β细胞似乎具有有限的增殖能力,但β细胞质量的轻微增加(约30%)可能足以恢复许多糖尿病患者的葡萄糖稳态。此外, 原位 通过药物刺激β细胞质量是一种潜在的低成本且可扩展的治疗策略。本文介绍了一种高内涵筛选方法,用于鉴定和表征能够促进β细胞生长的小分子。
多种体外实验方法可用于鉴定促进初级β细胞复制的基因产物和/或分子。早期测量β细胞复制诱导作用的研究采用胎鼠胰腺培养或完整分离的胰岛培养,通过检测在特定处理条件下,醛品红-硫堇或胰岛素染色细胞群体中 [3H] 胸苷掺入、BrdU 掺入或有丝分裂体的存在来评估复制活性10,11。这些体外方法及其近似变体存在若干局限性。主要缺陷包括:(1)使用胎儿细胞,与成熟β细胞不同,胎儿细胞具有较高的基础β细胞复制率,且其生长调控机制显著不同12;(2)对β细胞复制事件的判定依赖实验人员主观判断;(3)依赖人工计数β细胞复制事件,耗时耗力,限制了实验通量;(4)采用细胞核掺入/染色/形态特征识别复制事件,同时使用非重叠的细胞质染色标记β细胞,可能导致邻近的非β细胞复制事件被错误归因于β细胞。
近年来,成熟的原代β细胞已被用于评估转基因过表达以及基因产物或化合物处理对β细胞复制的影响13-16。然而,这些研究同样依赖于对复制事件的主观计数、通过细胞质染色或非特异性方法鉴定β细胞,和/或存在限制通量的繁琐步骤,例如,将细胞单独接种于载玻片孔中,或对完整胰岛进行石蜡包埋和处理17。值得注意的是,已有文献报道了一种基于图像的人β细胞复制筛选方法,与本文所述方法类似18;然而,该检测方法的成功应用尚未得到证实,且使用人胰岛进行初筛可能不具备广泛的可行性。
鉴定促进复制物质的另一种策略是评估β细胞系的生长诱导能力。早期研究使用了经转化的β细胞系,例如min6细胞或INS 832/13细胞14,19-21。然而,这些细胞系表现出不受控制的生长,与分化良好的β细胞相差甚远22。因此,其生长诱导能力极弱,相关性不明确,有时难以重复。一种改进的基于细胞系的筛选策略利用"可逆转化"细胞,这类细胞在无四环素(多西环素)依赖性SV40 T抗原表达时生长停滞23,24。然而,目前尚不清楚这些细胞在去除多西环素后是否能恢复为"正常"的类似β细胞的状态。遗憾的是,使用这些细胞筛选得到的是广谱性促生长化合物,似乎缺乏直接的应用价值24。总体而言,利用细胞系研究自发复制活性极低的细胞类型的生长调控,其适用性可能有限。
本文所述的β细胞复制筛选平台利用成熟的原代大鼠β细胞以保持 体内 在尽可能实现生长调控的前提下,采用由多种细胞类型组成的胰岛细胞培养体系,以识别谱系受限的促生长活性;通过多孔板格式化设计以最大化通量,并结合自动化分析以消除偏差并提升通量。该平台的成功应用已促成多个促进β细胞复制的化合物的发现。25,26此外,该检测方法已被用于构效关系研究和化学上位性实验,以深入揭示β细胞复制的分子调控机制。本文所述平台已成功应用于基于慢病毒RNA干扰的β细胞复制通路研究。25该检测方法的局限性包括可扩展性受限(需使用原代细胞)、采用啮齿类而非人类胰岛细胞(尽管该方法可经调整后用于人类胰岛研究)、基于抗体成像及原代胰岛使用所带来的较高成本、为便于自动化图像采集而采用分散胰岛(破坏了胰岛原有结构),以及对具备图像采集与分析功能的自动化显微镜设备的依赖。尽管该方法操作简便 体内 用于鉴定刺激β细胞再生的基因产物或化合物的筛选方法 原位 理想的平台尚未问世27因此,所述平台适用于有意研究β细胞复制大多数方面的研究人员。
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本方案严格遵循斯坦福大学医学院机构动物护理与使用委员会(IACUC)的规定进行。所述方案适用于从六只250–300 g(8–9周龄)雄性Sprague Dawley大鼠中分离胰岛,所获胰岛量足以进行384孔板中228个孔的胰岛细胞增殖评估。
1. 材料准备
2. 胰腺灌注
3. 胰腺的解离
4. 胰岛的纯化
5. 胰岛细胞的分散与铺板
6. 胰岛细胞培养处理、固定与染色
7. β细胞复制分析
注意:必须为用于检测β细胞复制的高内涵筛选显微镜建立检测方案。该方案最简单的形式为双色检测,其中使用一种身份标记物来定义β细胞(PDX-1+细胞),并使用一种复制标记物(Ki-67)来识别细胞分裂事件。
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为了评估β细胞或α细胞的复制情况,需要采用四色检测方案。首先,通过DAPI染色(通道1,386 nm)识别所有细胞对象。接着,计数β细胞(事件1):共表达PDX-1+(通道2,650 nm)和核周胰岛素(通道3,549 nm)的细胞对象。随后,计数正在复制的β细胞(事件2):即同时表达Ki-67(通道4,485 nm)的β细胞(事件1)(图3)。复制β细胞的百分比计算公式为:(事件2 / 事件1)× 100。为了定量分析α细胞的复制,首先通过DAPI染色(通道1)识别全部细胞对象,然后通过PDX-1染色缺失(通道2)和核周胰高血糖素染色阳性(通道3)来确定α细胞(事件1)。复制中的α细胞(事件2)是指共表达Ki-67(通道4)的α细胞数量(图4)。复制α细胞的百分比计算公式为:(事件2 / 事件1)× 100。
在开始实验之前,制定了一项化合物处理方案
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研究调控β细胞生长与再生的分子通路的实验方法,是糖尿病研究人员的重要工具。本文介绍了一种基于大鼠胰岛的筛选平台,可用于鉴定和表征小分子β细胞复制刺激剂。
尽管本方案的大多数步骤经验丰富的研究人员均可轻松完成,但仍有少数步骤需要特殊的技术。首先,在胰岛分离过程中,对胆管进行插管而不破坏其完整性需要一定的操作经验。一个有效的策略是先轻微膨胀胆管,以确保在完全注入胰腺消化液之前针头位置正确。其次,从外分泌组织中高效分离胰岛需要密切注意消化时间和适当的振荡。应通过间歇性旋转确保消化过程中受热均匀。第三,实验成功的关键在于手动挑选胰岛时能够熟练区分胰岛与外分泌组织碎片;这一技能随着实践会逐步提高。第四,胰岛的分散和铺板应使所有胰岛被分散为单细胞和由两到三个细胞组成的小细胞团的混合物。铺板前对胰岛的过度或不足消化均会影响实验结果。新铺板的胰岛细胞应在48小时内保持未受干扰状态,使其贴壁,并在铺板后达到约50%的融合度后再进行后续操作。图1展示了铺板后不同时间点成功培养的胰岛细胞的形态。第五,对胰岛细胞培养物更换培养基时应小心操作,以避免破坏贴壁较弱的细胞。第六...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作获得了美国国立卫生研究院(NIH)NIDDK 资助项目 DK098143 和 DK101530(JPA),以及斯坦福大学 Spectrum 儿童健康研究所(CHRI)和 SPARK 项目(UL1 TR001085,JPA)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 250 g 雄性 Sprague Dawley 大鼠 | Charles River | 品系编号 # 400 | |
| 12 cm 齿状组织镊 | Fine Science Tools | 11021-12 | |
| 11.5 cm 精细剪刀 | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| 14.5 cm 外科剪刀 | Fine Science Tools | 14001-14 | |
| 16 cm 弯头镊子 | Fine Science Tools | 11003-16 | |
| 12 cm 弯头止血钳 | Fine Science Tools | 13011-12 | |
| 12 cm 手术刀柄 | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| 组织筛网-30 目 | Bellco Glass | 1985-85000 | |
| Cizyme RI,375,000 CDA 单位 | VitaCyte | 005-1030 | |
| Hanks' 平衡盐溶液(含 Ca++ 和 Mg++) | Gibco | 24020-117 | |
| 盐酸氯胺酮(200 mg/20 ml) | JHP Pharmaceuticals | NDC# 42023-113-10 | 用于配制麻醉混合液 |
| 赛拉嗪(5 g/50 ml) | LLOYD | NADA# 139-236 | 用于配制麻醉混合液 |
| Histopaque 1077 | Sigma | H-1077 | 用于配制 Histopaque 1100 |
| Histopaque 1119 | Sigma | H-1119 | 用于配制 Histopaque 1100 |
| 新生小牛血清 500 ml | Hyclone | SH30118.03 | |
| Hanks' 平衡盐溶液 | Hyclone | SH30268.01 | |
| Dulbecco 改良 Eagle 培养基/低糖 | Hyclone | SH30021.01 | |
| 功能/活性检测溶液 | Mediatech | 99-768-CV | |
| RPMI1640 培养基 | Hyclone | SH30096.01 | 用于配制条件培养基 |
| 804G 大鼠膀胱癌细胞系 | 可应要求提供 | 用于配制条件培养基 | |
| 胎牛血清,经鉴定合格 | Gibco | 26160 | |
| GlutaMax-I | Gibco | 35050-061 | |
| 青霉素(5,000 IU/ml)/链霉素(5 mg/ml) | MP Biomedicals | 1670049 | |
| 甲酰胺 500 ml | Fisher BioReagents | BP227-500 | |
| 抗原修复溶液 250 ml(pH 6.0) | Vector Laboratories | H-3300 | 用于配制 0.15 M 柠檬酸钠溶液 |
| 无水右旋糖 | EMD Chemicals | DX0145-1 | 用于配制 1 M 葡萄糖溶液 |
| 正常驴血清(粉末) | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787-100ML | |
| 小鼠抗人 Ki67 抗体 | BD Biosciences | 556003 | |
| 山羊抗人 PDX-1 抗体 | R&D Systems | AF2419 | |
| 多克隆豚鼠抗胰岛素抗体 | Dako | 2016-08 | |
| 多克隆兔抗胰高血糖素抗体 | Dako | 2014-06 | |
| 多克隆兔抗生长抑素抗体 | Dako | 2011-08 | |
| 多克隆鸡抗波形蛋白抗体 | abcam | ab24525 | |
| 生物素-SP 标记驴抗小鼠 IgG | Jackson ImmunoResearch | 715-065-150 | |
| 链霉亲和素,Alexa Fluor 488 标记 | Invitrogen | S32354 | |
| 罗丹明标记驴抗山羊 IgG | Jackson ImmunoResearch | 705-025-147 | |
| 罗丹明标记驴抗豚鼠 IgG | Jackson ImmunoResearch | 706-025-148 | |
| 罗丹明标记驴抗兔 IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-025-152 | |
| Cy5 标记驴抗豚鼠 IgG | Jackson ImmunoResearch | 706-175-148 | |
| Cy5 标记驴抗山羊 IgG | Jackson ImmunoResearch | 705-175-147 | |
| Cy5 标记驴抗兔 IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-175-152 | |
| Cy5 标记驴抗鸡 IgG | Jackson ImmunoResearch | 703-175-155 | |
| DAPI | Millipore | S7113 | |
| 一次性试剂储液槽 25 ml | Sorenson BioScience | 39900 | |
| 384 孔黑色/透明细胞培养处理板 | BD Falcon | 353962 | |
| 96 孔黑色/透明细胞培养处理板 | Costar | 3603 | |
| 多通道移液器 | Costar | 4880 | |
| 12 通道真空吸液器 | Drummond | 3-000-096 | |
| 细胞刮刀 | Falcon | 353085 | |
| Isotemp 水浴锅型号 2223 | Fisher Scientific | ||
| 高内涵筛选仪器:ArrayScan VTI | Thermo Scientific |
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