本实验方案的目的是展示一种有效的方法,用于对小鼠耳蜗进行脱细胞和脱钙处理,以制备可用于组织工程应用的支架材料。
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本实验方案的目的是展示一种有效的方法,用于对小鼠耳蜗进行脱细胞和脱钙处理,以制备可用于组织工程应用的支架材料。
在哺乳动物中,负责听觉的机械感觉毛细胞缺乏再生能力,这限制了听力损失的治疗手段。目前再生医学的研究策略主要集中在移植干细胞或对内耳周围的支持细胞进行遗传操作,以促进受损毛细胞的替代,从而改善听力损失。然而,细胞外基质(ECM)可能在诱导和维持毛细胞功能方面发挥关键作用,但对此的研究仍不充分。利用耳蜗细胞外基质作为支架来培养成体干细胞,可能有助于揭示细胞外环境的组成与结构如何帮助细胞维持听觉功能。本文介绍一种从小鼠耳蜗中分离并去细胞化以制备可接受灌注成体干细胞的支架的方法。在本方案中,从小鼠耳蜗中分离组织,进行去细胞化和脱钙处理。随后,将来源于脐带的人华通胶细胞(hWJCs)小心地灌注到每个耳蜗中。将耳蜗用作生物反应器,细胞培养30天后进行分析处理。去细胞化的耳蜗保留了可识别的细胞外结构,但未检测到细胞或明显的DNA片段。灌注到耳蜗中的细胞侵入了耳蜗的大部分内外区域,并在30天内正常生长。因此,该方法可用于研究耳蜗细胞外基质对细胞发育和行为的影响。
耳蜗是位于颞骨内的复杂螺旋结构,由外层的骨迷路和内层同心排列的膜迷路组成1。膜迷路包含三个充满液体的腔隙:前庭阶、中阶和鼓阶1。中阶内含有感觉上皮,其由多种细胞类型构成,其中特别重要的是感受声音刺激的感觉毛细胞(HC),它能将声波中的机械能转化为神经冲动2。暴露于声创伤3,4,5、药物6、疾病7,8以及衰老9等因素均可能导致毛细胞死亡,进而引起听觉功能损伤。在哺乳动物中,毛细胞的丢失是永久性的,而鸟类的毛细胞在受损后具有再生能力10。
尽管具体的实验方法各不相同,但当前许多研究工作都致力于恢复已丧失的毛细胞(HCs)。调控感觉上皮中的基因表达以及植入体外分化的干细胞是该领域的主要策略,此外也有研究尝试通过诱导方法将干细胞分化为耳蜗类器官11,12,13。这些方法要么直接依赖于干细胞,要么依赖于干细胞所使用的发育信号;然而,另一个共同且可能至关重要的因素是耳蜗自身的细胞外基质(ECM)14,15。
细胞外基质(ECM)不仅为细胞和组织提供物理支持,包括为细胞黏附、增殖、存活和迁移提供表面,还在毛细胞(HC)和螺旋神经节的发育过程中发挥关键作用15,16,17。天然存在的ECM可提供诱导性信号,可能引导细胞表型的确定以及/或者细胞的黏附、增殖和存活18。因此,将脱细胞耳蜗与培养的人脐带华通胶间充质干细胞(hWJCs)结合使用,为探索ECM在毛细胞再生中的作用提供了独特的机会。hWJCs是一种易于获取、无伦理争议的细胞类型,来源于人类脐带,其行为特性类似于间充质干细胞19。hWJCs已被证明能够向神经感觉细胞谱系分化20,21。因此,本实验方案详细描述了从C57BL小鼠尸体中分离耳蜗、对其进行脱细胞处理,并用hWJCs灌注,用于内耳组织工程的研究。
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所有实验操作,包括动物安乐死,均按照堪萨斯大学医学中心(KUMC)批准的机构动物护理和使用委员会(IACUC)协议(ACUP #2014-2234)进行。
注意:人脐带华通氏胶细胞(HWJCs)取自已签署知情同意书患者的捐赠脐带,样本使用均依照堪萨斯大学人类受试者委员会批准的方案(KU-IRB #15402)进行。
1. 颞骨采集与耳蜗分离
2. 耳蜗处理
3. 人脐带华通氏胶间充质干细胞的获取与扩增
4. 将人脐带华通氏胶细胞注入脱细胞耳蜗
5. 耳蜗的采集与保存
注意:耳蜗可在灌注后30天内的任意时间点进行培养和收获。
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通过本研究所介绍的方法,采用4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)染色检测DNA的存在与否,以评估耳蜗脱细胞是否成功。若在脱细胞耳蜗中未检测到DNA,则认为耳蜗已完全脱细胞。本实验使用先前未进行脱细胞或脱钙处理的小鼠原生耳蜗作为阳性对照,以展示C57BL小鼠耳蜗中传统存在的结构和细胞。未注入人脐带华通胶间充质干细胞(hWJCs)的脱细胞-脱钙耳蜗作为阴性对照。在组织切片的任何区域均未观察到可量化的DAPI染色细胞核(图3)。本研究中,两个耳蜗经脱细胞和脱钙处理后,注入了hWJCs。经hWJCs灌注的脱细胞-脱钙耳蜗在耳蜗内部以及耳蜗外骨壳表面均观察到大量DAPI染色的细胞核(表1)。经细胞灌注的第一个耳蜗在培养30天后的总估算细胞密度为113,759个细胞/耳蜗(图4 和 图5),第二个耳蜗为118,732个细胞/耳蜗(
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我们已成功证明,可通过脱细胞过程将内耳耳蜗中的天然细胞从耳蜗中去除,从而将耳蜗用作复杂且具有三维结构的组织支架。Santi et al.15 建立了最初的耳蜗脱细胞方法,并借助光片显微镜技术准确估算了多种耳蜗结构的体积23。这些早期研究为本文所介绍的组织工程与细胞培养技术奠定了坚实基础。脱细胞耳蜗可成功接种细胞,并进行长期培养。理论上,可采用多种动物来源的耳蜗与多种类型的细胞进行组合应用。这些组合使得本文所述技术可用于多种可能的实验设计,例如研究感觉上皮发育的组织工程应用14、新型药物制剂的药效测试24,以及耳蜗修复模型的构建25。然而,尽管这些技术具有广泛的应用前景,但仍存在一定的局限性。
当前技术的一个局限性在于灌注效果因个体而异。开发一种用于耳蜗的固定装置,并使用注射泵进行灌注,可能会提高该过程的准确性和成功率。此外,可通...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本项目由堪萨斯大学概念验证基金资助。我们感谢堪萨斯城(堪萨斯州)堪萨斯大学医学中心的护理人员在获取人脐带方面提供的帮助,同时感谢David Jorgensen在耳蜗培养方面的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Allegra X-14R 离心机 | Beckman-Coulter | B08861 | |
| Intramedic 半刚性导管 | Becton Dickinson | 427401 | |
| New Brunswick Innova 2000 轨道摇床 | Eppendorf | M1190-0002 | |
| 手术剪刀 | Fine Science Tools | 14060-10 | |
| 精细镊子 | Fine Science Tools | 11370-40 | |
| 超精细镊子 | Fine Science Tools | 18155-13 | |
| 50 mL 锥形管 | Fisher Scientific | 12565271 | |
| 培养皿 | Fisher Scientific | FB087579B | |
| U-100 胰岛素注射器 | Fisher Scientific | 14-829-1B | |
| 闪烁瓶 | Fisher Scientific | 03-341-73 | |
| 旋转混匀仪 | Fisher Scientific | 88-861-049 | |
| 移液管 | Fisher Scientific | 22-170-404 | |
| 刀片 | Fisher Scientific | 12-640 | |
| 抗生素-抗真菌剂 | Fisher Scientific | 15-240-062 | |
| 青霉素-链霉素 | Fisher Scientific | 15-140-122 | |
| 24 孔板 | Fisher Scientific | 07-200-84 | |
| SuperFrost PLUS 玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| 移液管 | Fisher Scientific | 22-170-404 | |
| 含 DAPI 的 ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Fisher Scientific | P36935 | |
| Clear-Rite 3 | Fisher Scientific | 22-046341 | |
| Thermo Scientific Forma Series II 3110 水套式 CO2 培养箱 | Fisher Scientific | 13-998-078 | |
| 间充质干细胞生长培养基 | Lonza | PT-3001 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Lonza | CC-3232 | |
| TPP T-75 培养瓶 | MidSci | TP90076 | |
| TPP T-150 培养瓶 | MidSci | TP90151 | |
| TPP T-300 培养瓶 | MidSci | TP90301 | |
| 解剖显微镜 | Nikon Instruments | SMZ800 | |
| Nikon Eclipse Ts2R-FL 倒置显微镜 | Nikon Instruments | MFA51010 | |
| NuAire II 级 A2 型生物安全柜 | NuAire | NU-425-600 | |
| 1X PBS | Sigma-Aldrich | P5368-10PAK | |
| 1% SDS 溶液 | Sigma-Aldrich | 436143-100G | |
| 10% EDTA | Sigma-Aldrich | E9884-100G |
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