本文介绍了一种技术:在脊髓完全横断后,将一个中空导管插入脊髓残端之间,并填充施万细胞(SCs)和可注射的基底膜基质,以桥接断端并促进轴突跨越缺损区域再生。
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本文介绍了一种技术:在脊髓完全横断后,将一个中空导管插入脊髓残端之间,并填充施万细胞(SCs)和可注射的基底膜基质,以桥接断端并促进轴突跨越缺损区域再生。
在大鼠脊髓损伤的多种模型中,挫伤模型最为常用,因为它是人类脊髓损伤中最常见的类型。尽管完全横断模型在临床相关性上不如挫伤模型,但它却是评估轴突再生最严格的方法。在挫伤模型中,由于损伤后仍有部分组织残留,难以区分再生的轴突与出芽或幸存的轴突。而在完全横断模型中,必须采用桥接方法填充缺损,以建立从头端到尾端残端之间的连续性,从而评估治疗效果。可靠的桥接手术对于减少手术方法带来的变异性、准确测试结局指标至关重要。本文所述方案用于在移植前准备施万细胞(SCs)和导管,实施胸段第8节(T8)脊髓完全横断,插入导管,并将施万细胞移植入导管内。该方法还使用了 原位 可注射基底膜基质与干细胞移植相结合的凝胶化方法,可促进轴突在宿主组织头端和尾端界面处的生长。
脊髓损伤修复是一个复杂且具有挑战性的问题,需要采用联合治疗策略,例如结合使用细胞与生物材料,以在损伤部位为移植细胞的功能发挥和轴突再生提供有利的微环境。半横断1,2,3,4,5,6,7,8,9和完全横断10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22模型常被用于评估基于生物材料的桥接疗法的效果。使用半横断模型的优势在于,与完全横断相比,它能为桥接结构提供更高的稳定性。然而,在半横断模型中,由于存在未受损的残留组织,很难将轴突再生明确归因于所应用的治疗手段。完全横断模型是证明轴突再生最为严格的实验方法。
各种天然和合成材料已被研究用于作为可注射凝胶、用于挫伤或半横断模型的预制凝胶,或作为结构化导管用于半横断或完全横断模型(详见综述)23,24,25). 原位 可注射基质/干细胞混合物的凝胶化在移植物与宿主脊髓之间形成了更利于轴突穿过的界面26,27 与预凝胶基质/SC植入物相比5,18,19,28. 原位 凝胶化使基质能够顺应不规则的宿主界面,而更 rigid 的结构化导管或可塑性较差的预制凝胶则无法实现这一点。结构化导管通常可提供接触引导和植入稳定性,这与可注射基质形成对比。本文所述的实验方案介绍了一种外科手术操作,该操作结合了可注射基底膜基质的特性例如, 基质胶,参见 材料表, 称为可注射基质)和一种结构化导管,以在最严格的脊髓损伤模型中评估轴突再生。
电纺聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)取向纤维中空导管在本实验方法中被使用。PVDF-TrFE是一种压电聚合物,当受到机械形变时可产生瞬时电荷,已被证明可促进神经突延伸和轴突再生 体外29,30 和 体内31静电纺丝是一种常用的支架制备方法,可利用多种聚合物快速制备性能可控的纤维支架,其纤维取向、纤维直径及支架厚度等参数均可调控,适用于神经及其他领域的应用32,33,34.
大量研究已证明,将大鼠施万细胞(SCs)移植至脊髓损伤部位具有治疗效果5,9,18,19,20,21,26。这些移植细胞对损伤周围组织具有神经保护作用,可减小损伤空腔的体积,并促进轴突向损伤/移植区域再生以及新生轴突的髓鞘化。人类施万细胞可进行自体移植,相较于大多数其他神经相关细胞,这是一个显著优势24。通过外周神经活检后,可分离、纯化施万细胞,并扩增至适合人体移植的数量。自体施万细胞移植在脊髓损伤患者中的应用已被证实是安全的,相关研究已在伊朗35,36,37,38、中国39,40和美国41,42开展。已知施万细胞能够分泌多种对轴突生长至关重要的神经营养因子和细胞外基质蛋白,并在外周神经损伤后的轴突再生过程中发挥关键作用。本研究的目标是描述可用于评估导管设计的方法,以改善施万细胞移植在完全性大鼠脊髓横断模型中的治疗效果。
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雌性成年Fischer大鼠(体重180 - 200 g)的饲养遵循美国国立卫生研究院(NIH)和美国农业部(USDA)的指南。所有动物实验程序均经迈阿密大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准。
1. 移植前准备
2. 胸段第8节(T8)完全横断
3. 导管插入
4. 施万细胞/可注射基质(参见材料表)的制备与注射
5. 伤口闭合与术后护理
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采用该手术技术的目的是评估一种结构化导管与可注射基质在移植至完全横断的脊髓后,对施万细胞(SC)功能最大化的应用效果。移植后三周,用4%多聚甲醛灌注动物,大体解剖脊柱并用相同固定液再固定24小时。随后解剖出脊髓,将用于冰冻切片的样本置于30%蔗糖溶液中进行冷冻保护。另一组解剖脊髓中,从SC桥中间部位分离出1毫米厚的横截面,放入戊二醛固定液中以制备树脂切片。样品按照Bates et al.47详细描述的方案进行透射电镜制样。冰冻切片经以下一抗孵育:GFP、胶质纤维酸性蛋白(GFAP)、神经丝重链(RT97)和神经丝中链(NF),随后使用相应的二抗:羊抗鸡IgG-488、羊抗兔IgG-546、羊抗小鼠IgG-647和羊抗兔IgG-647。GFP标记的施万细胞(GFP-SCs)沿导管内部均匀分布(图3A;导管内壁以黄线标示)。观察到轴突再生现象(图3B),且再生轴突与GFP-SCs的存在密切相关...
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建立有效横断模型最关键的步骤是通过一到两次切割完全切断脊髓。在横断部位,头端与尾端脊髓残端之间应形成2-2.5 mm的间隙。若该间隙未出现,最可能的三个原因是:(1)背侧或腹侧神经根未被充分切除,(2)腹侧硬脊膜未被充分去除,和/或(3)动物在下方所垫卷轴上的体位未摆放正确。
为了在残端之间有效插入导管:(1)导管的直径应根据实验所用动物的物种和年龄进行适当选择;(2)必须充分向外侧去除椎板,直至能够观察到横突之间的间隙;(3)必须清除神经根;(4)导管插入残端之间应一次完成。若需多次尝试,可能导致残端水肿,进一步增加导管插入的难度,并造成额外损伤。
为了将GFP-SC/DMEM/F12/可注射基质有效引入导管中,请确保:(1)在将导管插入残端之间前,脊髓无出血。若导管插入残端之间后内部有液体,应使用一小块吸水尖头材料通过预切开的窗口将其吸除。(2)确保导管已良好套接在两端脊髓残端上,且(3)背侧预切开的窗口处于开放状态。注射20 µl的SC/可注射基质混合物应足以完全填充导管。预切开窗口处出现溢出是判断移植是否有效的良好指标...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢迈阿密瘫痪治疗项目中的病毒载体核心实验室和动物核心实验室分别制备了慢病毒-GFP病毒并提供了动物护理,同时感谢组织学核心实验室和成像核心实验室提供冷冻切片机、共聚焦显微镜以及配备Stereo Investigator系统的荧光显微镜。本研究由美国国立神经疾病与中风研究所(NINDS,项目号09923)、美国国防部(DOD,项目号W81XWH-14-1-0482)和美国国家科学基金会(NSF,项目号DMR-1006510)提供资金支持。M.B. Bunge 是神经科学领域的克里斯汀·E·林杰出教授。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 冻存管 | ThermoFisher Scientific | 5000-0020 | |
| 10 cm 培养皿 | VWR | 25382-428 | |
| DMEM/F12 培养基(Dulbecco 改良 Eagle 培养基:F-12 营养混合物) | ThermoFisher Scientific | 11039-021 | "DMEM/F12" 在方案中。 |
| 青霉素-链霉素 | ThermoFisher Scientific | 15140-122 | "Pen/Strep" 在方案中。 |
| 胎牛血清 | Hyclone | SH300-70-03 | "FBS" 在方案中。 |
| 垂体提取物 | Biomedical Technologies | BT-215 | |
| 佛司可林 | Sigma-Aldrich | F6886 | |
| Heregulin | R&D Systems | 396-HB/CF | |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P2636 | "PLL" 在方案中。 |
| Dulbecco 改良 Eagle 培养基 | ThermoFisher Scientific | 11965-092 | "DMEM" 在方案中。 |
| Hank's 平衡盐溶液 | ThermoFisher Scientific | 14170-112 | "HBSS" 在方案中。 |
| 胰蛋白酶-EDTA | ThermoFisher Scientific | 15400-054 | |
| 雌性 Fischer 大鼠(160–180 g) | Envigo | ||
| 直头 Vannas 剪刀 | FST | 15018-10 | |
| 氯胺酮 | Vedco Inc | 5098976106 | 100 mg/ml |
| 赛拉嗪 | Lloyd Inc | AnaSed | 20 mg/ml |
| 庆大霉素 | APP Pharmaceuticals | NDC 63323-010-02 | 可选用任意品牌。 |
| 微型刮铲 | FST | 10089-11 | 可选用任意品牌。 |
| 钝头弯剪 | FST | 14017-18 | 可选用任意品牌。 |
| 钝头镊子 | FST | 11006-12 | 可选用任意品牌。 |
| 咬骨钳 | FST | 16121-14 | 可选用任意品牌。 |
| 弯头弹簧剪 | FST | 15006-09 | 可选用任意品牌。 |
| 吸水棉片 | FST | 18105-03 | 可选用任意品牌。 |
| Gelfoam | Henry Schein | 9083300 | "压缩泡沫" 在方案中。 |
| #10 刀片 | Sklar | 06-3010 | 可选用任意品牌。 |
| Matrigel | Corning | 354234 | "可注射基质" 在方案中。 |
| 鸡抗绿色荧光蛋白抗体 | Millipore | AB16901 | |
| 小鼠 RT97 杂交瘤抗体 | DSHB | RT97 | |
| 兔抗神经丝蛋白抗体 | Encor Biotechnology, Inc | PRCA-NF-H | |
| 多克隆兔抗胶质纤维酸性蛋白抗体 | Dako | Z033401 | |
| Alexa Fluor 488 标记山羊抗鸡 IgG(H+L) | ThermoFisher Scientific | A-11039 | |
| Alexa Fluor 546 标记山羊抗兔 IgG(H+L) | ThermoFisher Scientific | A-11035 | |
| Alexa Fluor 647 标记山羊抗兔 IgG(H+L) | ThermoFisher Scientific | A-21244 | |
| Alexa Fluor 647 标记山羊抗小鼠 IgG(H+L) | ThermoFisher Scientific | A-21236 | |
| 共聚焦显微镜 | Nikon | clsi |
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