心脏细胞外基质(ECM)是由多种分子构成的复杂网络,可在整个生命周期中协调组织和器官的关键生理过程,并经历生理性的重塑。对胎儿和成人心脏进行标准化脱细胞处理,可在三维环境中保留其天然结构和生物力学特性,从而实现两种组织的对比实验研究。
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心脏细胞外基质(ECM)是由多种分子构成的复杂网络,可在整个生命周期中协调组织和器官的关键生理过程,并经历生理性的重塑。对胎儿和成人心脏进行标准化脱细胞处理,可在三维环境中保留其天然结构和生物力学特性,从而实现两种组织的对比实验研究。
目前,关于细胞外基质(ECM)与细胞间通讯的知识主要来源于大规模的二维(2D)体外培养研究,其中ECM组分通常以表面包被的形式呈现。这类培养系统是对组织ECM复杂特性的一种简化,未能充分反映ECM在生化组成、结构特征和力学性质等方面的复杂性。为了更真实地模拟塑造心脏微环境的ECM-细胞相互作用,我们开发了一种可同时对胎儿全心和成年左心室组织外植体进行去细胞化的实验方案,以支持比较性研究。该方案结合使用低渗缓冲液、具有阴离子表面活性剂特性的去垢剂以及DNase处理,无需特殊技能或专用设备。将相同的去细胞化策略应用于不同年龄个体的组织样本,为开展比较研究提供了一种替代方法。本方案有助于识别胎儿与成年心脏ECM网络之间的独特结构差异以及相应的生物学细胞反应。此外,本文所述方法具有更广泛的应用潜力,仅需少量调整即可成功应用于其他组织和物种,例如人肠道活检组织和小鼠肺组织。
细胞外基质(ECM)是由多种分子构成的动态网络,可调控重要的细胞过程,即命运决定、增殖和分化1,4。对细胞-ECM相互作用的研究主要在体外二维(2D)培养系统中进行,这些系统通常以ECM组分包被,但其特性较体内天然ECM存在显著简化。in vivo。脱细胞技术可生成无细胞的类三维(3D)ECM生物支架,能够较大程度地保留天然组织和器官的细胞外结构与组成3,4。除了作为组织工程中的生物活性支架外,脱细胞3D ECM生物材料正逐渐成为研究细胞-ECM生物学的新平台,可更贴近模拟体内环境。
采用相似的天然生物支架制备方案,将有助于评估不同组织、器官及年龄阶段中细胞外基质(ECM)组分的差异性作用。在心脏研究中,我们建立了一种通用的去细胞化方案,适用于胎儿和成体来源的样本,为器官微环境的比较研究提供了替代方法。利用该方法,我们成功保留了天然的心脏微环境,并证实胎儿ECM能够促进心脏细胞更高的再接种效率5。去细胞化还使我们能够在基底膜和细胞周基质网状结构及纤维组成水平上,识别胎儿与成体ECM之间固有的结构差异5。在此项工作之前,仅在恒河猴肾脏和啮齿类动物心脏中,使用相同的去细胞化方法对不同发育阶段的组织进行过直接比较。此外,仅有少数研究专门报道了胎儿组织/器官的去细胞化本身5,6,7。这些研究均采用十二烷基硫酸钠(SDS)作为唯一的去细胞化试剂;然而,针对胎儿和成体心脏组织的去细胞化使用了不同的SDS浓度7,8。SDS是最有效的离子型去垢剂之一,可高效清除胞质和核物质,广泛应用于多种组织和样本的去细胞化过程9,10。高浓度SDS溶液长时间作用与蛋白质变性、糖胺聚糖(GAGs)丢失以及胶原原纤维结构破坏相关10,11,因此必须在ECM保护与细胞去除之间取得平衡。为了将同一操作流程应用于胎儿和成体心脏组织,本文所述方案分为三个连续步骤:通过渗透冲击(低渗缓冲液)实现细胞裂解;利用0.2% SDS溶解脂蛋白、DNA-蛋白及蛋白-蛋白相互作用;最后通过DNase处理去除核物质。
本方案具有多项优势:i) 采用相同的脱细胞策略即可实现针对不同年龄阶段心脏组织的等效脱细胞;ii) 无需特殊方法或专用设备;iii) 易于推广至其他组织和物种,此前已通过少量调整成功应用于人肠活检组织12和小鼠肺组织13;更重要的是,iv) 该方法可在评估细胞外基质(ECM)生物力学特性的同时,支持构建三维类器官型培养体系,更接近天然组织微环境的分子特征。
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所有所述方法均经i3S动物伦理委员会和葡萄牙兽医总局(DGAV)批准,符合欧洲议会指令2010/63/EU的规定。
1. 脱细胞溶液的制备
注意:所有脱细胞溶液均应通过 0.22 μm 滤膜过滤,并最多保存 3 个月,除非另有说明。
2. 组织采集与冷冻保存
3. 组织脱细胞
注意:心脏组织脱细胞在24孔细胞培养板中进行,每孔放置一个样本。每个孔中加入1 mL相应的脱细胞溶液。除非另有说明,所有脱细胞步骤均需在25 °C条件下以165 rpm(轨道直径为20 mm的培养箱摇床)振荡进行。更多细节请参见图1A所示方案。两性霉素B(例如 fungizone)和庆大霉素在使用前需新鲜加入所有脱细胞溶液中,终浓度分别为2.5 μg/mL和0.01 μg/mL。为了定量脱细胞组织中残留的DNA含量,在开始脱细胞方案前需测定样本质量。DNA定量方案详见第5.1节。
4. 脱细胞组织细胞去除效果的评估
5. 脱细胞组织中细胞核物质去除效果的评估
注意:脱细胞组织上的DNA含量定量必须与相应的未经处理的组织进行比较。
6. 脱细胞支架的细胞接种
注意:所有溶液/试剂均需无菌,且整个操作过程需在无菌条件下进行。
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脱细胞效率应通过三种主要技术进行评估:宏观观察、组织学和DNA定量。SDS处理后样品的宏观外观间接影响细胞去除的效果。经过SDS孵育后,样品应呈现半透明至微白色图1C)。胎鼠(E18)去细胞组织呈高度半透明结构,而成年动物外植体则呈半透明至白色外观。较白的外观通常与细胞外基质网络中较高的纤维和胶原含量相关。 例如 成年心室和血管血管ECM网状结构(图1C)。苏木精 & 伊红(H&E)和/或Masson三色染色(MT)用于通过观察多孔网状结构(浅粉色,H&E;浅粉色和蓝色,MT)(图1C此外,MT染色将胶原纤维网络染成蓝色5脱细胞后细胞核物质的清除通过DNA定量来评估,与未经处理的组织相比,通常可实现约99.8%的减少。图1C)。已有报道称,脱细胞支...
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细胞外基质(ECM)是由纤维性和黏附性糖蛋白构成的高度动态且复杂的网状结构,其中含有大量生物活性肽和包埋的生长因子。作为细胞黏附、细胞骨架动态、运动/迁移、增殖、分化和凋亡的主要调节因子,ECM主动调控细胞的功能与行为。已知细胞在二维(2D)和三维(3D)培养环境中的行为存在差异,因此人们致力于开发新型的类器官模型,以更准确地模拟天然组织环境。近年来,组织去细胞化已成为组织工程与再生医学领域的一种替代性技术。目前,组织和器官去细胞化是体外和体内研究组织特异性微环境参数(生化、结构和力学特性)及生物学活性的首选工具。
我们开发了一种结合低渗缓冲液与具有阴离子表面活性剂特性的去垢剂处理,随后进行DNase消化的方案5,12,13。本方案提供了一种简单且可重复的方法,用于对去细胞化的小鼠胎儿和成年心脏组织进行比较分析。我们在其他组织上的实践经验,包括来自癌症患者手术切除样本的肿瘤组织以及小鼠肺组织,表明...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Pinto-do-Ó实验室所有成员提出的富有价值的批评性讨论。本工作由麻省理工学院-科学技术基金会(FCT)项目资助 "CARDIOSTEM—用于心血管应用的工程化心脏组织与干细胞疗法" (MITP-TB/ECE/0013/2013)。A.C.S. 获得葡萄牙科技基金会(FCT)奖学金 [SFRH/BD/88780/2012],M.J.O. 为 FCT 研究员(FCT-Investigator 2012)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 仪器设备 | |||
| 恒温摇床 | 轨道摇床 | IKA:3510001 | 推荐使用 |
| 荧光计 | - | - | 可使用设备 |
| 电子天平 | - | - | 可使用设备 |
| 倒置显微镜 | - | - | 可使用设备 |
| 细胞培养箱 | - | - | 可使用设备 |
| 冰箱(4ºC) | - | - | 可使用设备 |
| 超低温冰箱(-80ºC) | - | - | 可使用设备 |
| 切片机 | - | - | 可使用设备 |
| 手术器械 | |||
| Vannas弹簧剪 - 2.5 mm切割刃 | Fine Science Tools | 5000-08 | 推荐使用 |
| Dumont 5号精细镊子 - 生物学/不锈钢 | Fine Science Tools | 11254-20 | 推荐使用 |
| Dumont 7号镊子 | Fine Science Tools | 11272-30 | 推荐使用 |
| 直型解剖剪 | - | - | 可用工具 |
| 带齿弯镊 | - | - | 可用工具 |
| 材料 | |||
| 24孔板,独立包装 | VWR | 29442-044 | - |
| 96孔板,独立包装 | VWR | 71000-078 | - |
| Steriflip-GV,0.22µm,PVDF,辐射灭菌 | Millipore | SE1M179M6 | - |
| Eppendorf离心管 | - | - | 可使用材料 |
| 15 mL Falcon离心管 | Fisher Scientific | 430791 | - |
| 50 mL Falcon离心管 | Fisher Scientific | 430829 | - |
| 带盖四室组织活检处理/包埋盒 | Electron Microscopy Science | 70075-B | - |
| Fisherbrand Superfrost Plus载玻片 | Thermo Fisher Scientific | 22-037-246 | - |
| 组织冷冻保存 | |||
| Shandon Cryomatrix包埋树脂 | Thermo Scientific | 6769006 | - |
| 2-甲基丁烷,无水,99+%(异戊烷) | Sigma-Aldrich | 277258-1L | - |
| 干冰 | - | - | - |
| 脱细胞处理 | |||
| NaCl | BDH Prolabo | 27810.364 | - |
| Na2HPO4 | Sigma-Aldrich | S-31264 | - |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5379-100g | - |
| KCl | Sigma-Aldrich | P8041-1KG | - |
| Tris碱 | Sigma-Aldrich | T6066-500G | - |
| 十二烷基硫酸钠 | Sigma-Aldrich | L-4390 | - |
| MgCl2 | MERCK | 1.05833.1000 | - |
| DNA酶I | AplliChem | A3778,0050 | - |
| 庆大霉素 | Gibco | 15710-049 | - |
| 两性霉素B | Gibco BRL | 15290-026 | - |
| 去离子水(DI水) | - | - | - |
| 组织学 | |||
| 10%中性缓冲福尔马林 | Prolabo | 361387P | - |
| 伊红Y水溶液 | Surgipath | 01592E | 可用醇溶性伊红替代 |
| Richard-Allan Scientific HistoGel样本处理凝胶 | Thermo Fisher Scientific | HG-4000-012 | - |
| 乙醇(无水乙醇,99.5%) | Aga | 4,006,02,02,00 | - |
| 去离子水(DI水) | - | - | - |
| Clear Rite 3 | Richard-Allan Scientific | 6915 | - |
| Shandon Histoplast包埋剂 | Thermo Fisher Scientific | RAS.6774006 | - |
| 试剂盒 | |||
| PureLink基因组DNA小量提取试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | K182001 | - |
| Quant-iT PicoGreen dsDNA定量试剂盒 | Invitrogen | P11496 | - |
| 细胞培养 | |||
| DPBS | VWR | 45000-434 | - |
| 青霉素-链霉素溶液(100X) | Labclinics | L0022-100 | - |
| 两性霉素B | Gibco BRL | 15290-026 | - |
| 目标细胞的细胞培养基 | - | - | - |
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An erratum was issued for: Comparable Decellularization of Fetal and Adult Cardiac Tissue Explants as 3D-like Platforms for In Vitro Studies. The affiliations were updated.
The fourth affiliation was corrected from:
Gladstone Institutes, University of California San Francisco
to:
Gladstone Institute of Cardiovascular Disease
An additional affiliation was added for Todd C. McDevitt:
University of California San Francisco