来自人脑组织的分离脑毛细血管可作为临床前模型,用于研究生理和病理生理条件下血脑屏障的功能。本文中,我们介绍了一种从新鲜人脑组织中分离脑毛细血管的优化方案。
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来自人脑组织的分离脑毛细血管可作为临床前模型,用于研究生理和病理生理条件下血脑屏障的功能。本文中,我们介绍了一种从新鲜人脑组织中分离脑毛细血管的优化方案。
在生理和病理生理条件下理解血脑屏障功能,对于开发新的治疗策略至关重要,这些策略有望增强药物向脑部的递送、改善脑保护并治疗脑部疾病。然而,研究人类血脑屏障功能具有挑战性,因此迫切需要合适的模型。在这方面,从人脑组织中分离出的脑微血管是一种独特的工具,可尽可能接近人类体内(in vivo)的真实情况来研究屏障功能。本文中,我们描述了一种优化的方案,能够以高得率、稳定的质量和纯度从人脑组织中分离微血管。该方法利用机械匀浆、密度梯度离心和过滤技术,从新鲜的人脑组织中分离微血管。分离后的人脑微血管可用于多种应用,包括通透性检测、活细胞成像以及基于免疫的检测,以研究蛋白质表达与功能、酶活性或细胞内信号传导。分离的人脑微血管是一种独特的模型,可用于阐明人类血脑屏障功能的调控机制。该模型有助于揭示中枢神经系统(CNS)疾病的发病机制,从而推动针对CNS疾病治疗策略的发展。
血脑屏障是血液与大脑之间的一个高度受控的界面,决定着进入和离开大脑的物质。从解剖学角度看,血脑屏障由内皮细胞构成,形成复杂的连续毛细血管网络。从生理学角度看,该毛细血管网络在向大脑输送氧气和营养物质的同时,清除二氧化碳和代谢废物。重要的是,已有证据表明,血脑屏障的改变与多种病理状态相关,包括阿尔茨海默病、癫痫和脑卒中1,2,3,4,5,6,7脑内皮细胞还通过阻止药物进入大脑而成为治疗的屏障, 例如多形性胶质母细胞瘤肿瘤切除术后化疗8,9,10. 在这方面,分离的人类脑毛细血管代表了一种独特的 离体 紧密模拟血脑屏障特性的模型 体内 这使得研究人员能够在健康和疾病状态下研究屏障功能及其障碍。本文提供了一种从人脑组织中分离脑毛细血管的实验方案,可稳定获得高质量和高得率的脑毛细血管,用于血脑屏障的研究。
1969年,Siakotos 等.11 首次报道了利用密度梯度离心法和玻璃珠柱分离法从牛和人脑组织中分离脑毛细血管。随后,Goldstein 等12 通过增加多步过滤步骤,改进了该方法,减少了研究从大鼠分离的脑毛细血管所需的组织量,同时维持了葡萄糖转运的代谢活性。此后,研究人员多次优化了毛细血管分离流程,每次迭代均进一步完善了该方法及脑毛细血管模型13,14,15例如,Pardridge 等.16 采用酶消化法而非机械匀浆法分离牛脑毛细血管,随后将毛细血管悬液通过210 µm孔径的筛网和玻璃珠柱。这些改进提高了分离脑毛细血管的台盼蓝排斥染色效果,从而增强了内皮细胞的活力。20世纪90年代初,Dallaire 等.17 分离出无神经元污染且保持γ-谷氨酰转肽酶(γ-GTase)和碱性磷酸酶代谢活性的牛和大鼠毛细血管。2000年,Miller 等.18采用分离的大鼠和猪脑毛细血管,结合共聚焦显微镜技术,观察到转运底物在毛细血管腔内的积累。随后,本实验室持续优化脑毛细血管分离方法,并建立了用于测定P-糖蛋白(P-gp)转运活性的检测体系。19,20,21乳腺癌耐药蛋白(BCRP)22,23和多药耐药蛋白2(Mrp2)24 转运活性。2004年,我们发表了两篇研究报告,采用分离的大鼠脑毛细血管研究了多种信号通路。在Hartz 等.21,我们发现内皮素-1肽可通过作用于内皮素受体B(ETB)受体、一氧化氮合酶(NOS)和蛋白激酶C(PKC)。在Bauer 等19,我们证实了核受体孕烷X受体(PXR)的表达,并揭示了PXR对脑毛细血管中P-糖蛋白(P-gp)表达及转运功能的调控作用。在人源化PXR转基因小鼠的实验中,我们进一步拓展了该研究方向,并证实 体内 通过激活hPXR上调P-gp从而增强屏障紧密性252010年,Hartz 等.26 采用该方法在过表达人源淀粉样前体蛋白(hAPP)的转基因小鼠中恢复了P-糖蛋白(P-gp)的蛋白表达及转运活性。此外,在hAPP小鼠中恢复P-gp功能显著降低了淀粉样蛋白β(Aβ)水平40和 Aβ42脑内水平
除了研究信号通路外,分离的脑毛细血管还可用于测定毛细血管通透性的变化,我们称之为毛细血管渗漏。特别是,德克萨斯红渗漏实验可用于评估荧光染料德克萨斯红随时间从毛细血管腔内的渗出情况,这些数据随后用于分析渗漏速率。与对照组毛细血管相比,渗漏速率的增加表明血脑屏障物理完整性的改变2。这一点具有重要价值,因为许多疾病状态均与屏障破坏相关,e.g., 癫痫、多发性硬化症、阿尔茨海默病和创伤性脑损伤27,28,29,30。其他研究团队也利用分离的毛细血管来解析调控蛋白质表达及其转运活性的信号通路31,32,33,34,35,36,37。最后,我们持续优化了人脑毛细血管分离的方法,并且最近发现,与无癫痫发作的对照个体相比,癫痫患者血脑屏障处P-gp的表达水平升高38。综上所述,这些进展表明,分离的脑毛细血管可作为研究屏障功能的多功能模型。
各种 体内,离体,以及 体外 血脑屏障模型已被用于基础研究和工业界的药物筛选,主要目的是测试药物向大脑的递送效果39,40,41,42,43,44。此外,除了分离的 离体 脑毛细血管,现有的血脑屏障模型包括 计算机模拟 模型, 体外 分离脑毛细血管内皮细胞或来自不同物种的永生化细胞系的细胞培养 体外 人多能干细胞(hPSC)培养,分化为脑毛细血管内皮细胞,以及芯片上的微流控模型。
in silico 模型在药物开发中最为常用,可用于根据预测的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)特性筛选候选药物。定量构效关系(QSPR)模型和定量构效活性关系(QSAR)模型是高通量筛选文库中常用的方法,用于预测候选药物进入大脑的能力45,46。这些模型有助于筛选具有屏障穿透特性的分子。
Betz 等47 建立培养的脑毛细血管内皮细胞的单层模型作为 体外 血脑屏障模型系统 体外 使用新鲜组织或永生化内皮细胞系(如人脑微血管内皮细胞,hCMECs)的细胞培养模型可作为研究药物脑渗透性或作用机制的另一种高通量筛选工具。然而,脑毛细血管内皮细胞培养模型缺乏毛细血管腔内血流产生的生理剪切应力,整体生物学复杂性有限,并且会改变关键屏障成分的表达与定位,这些成分包括紧密连接蛋白、表面受体、转运蛋白、酶和离子通道。48,49,50相反,源自人多能干细胞(hPSCs)的内皮单层细胞与hCMEC/D3细胞系相比具有较低的蔗糖通透性,并且表达部分血脑屏障转运蛋白、黏附分子和紧密连接蛋白的极化分布。51,52然而,这些细胞在培养过程中也容易发生特性的改变,因此必须对该系统模拟目标特性的情况进行验证。 体内 屏障特性52.
血脑屏障研究的新趋势包括利用三维组织培养系统构建人工毛细血管、采用器官芯片技术制备微流控装置,或运用中空纤维技术53,54,55然而,人工毛细血管的直径(100–200 µm)明显大于脑部毛细血管(3–7 µm),因此剪切力 体外 不完全类似于 体内 情况。这在 "血脑屏障芯片" 微流控装置,其中人工膜形成 "血液" 和 "脑" 腔室和液体通过这些装置泵送,产生微流控剪切力。类似地,内皮细胞与星形胶质细胞及血管平滑肌细胞以不同组合进行共培养,也已结合中空纤维技术用于重建存在的流变学参数 体内 条件56,57,58然而,目前尚不清楚该模型在多大程度上能够反映血脑屏障的其他特性,例如物质转运、代谢、信号传导等。这些人工毛细血管和芯片模型适用于药物的高通量筛选,但用于构建这些模型的细胞在培养过程中也可能发生改变。
冷冻固定的脑切片或原代脑毛细血管内皮细胞培养是可用于研究人类微血管系统5,59,60,61的其他模型。例如,通过对固定脑组织进行免疫组织化学染色,可确定蛋白质在健康组织与病变组织中的定位及表达情况。
除了组织切片和 体外 上述模型中,新分离的脑毛细血管可用于研究血脑屏障功能。该分离毛细血管模型的局限性包括难以获取新鲜的人脑组织、缺乏星形胶质细胞和神经元,以及分离过程相对耗时。该模型的一个优势在于其在结构和功能上高度接近 体内 因此可用于表征屏障功能及其功能障碍。重要的是,还可利用多种检测方法和分子技术,借助该模型解析相关信号传导机制3,19,62,63.
本实验室可通过桑德斯-布朗老化研究中心(伦理审查委员会编号:B15-2602-M)获得新鲜和冷冻的人脑组织64。在此背景下,尸体解剖遵循标准操作流程,脑组织在死亡后<4 小时内获取,所有操作均符合美国国立卫生研究院(NIH)生物样本最佳实践指南65。鉴于能够独特地获取人脑组织,我们建立并优化了一种从人脑组织中分离脑毛细血管的实验方案,可获得高产量的完整且具有活性的人脑毛细血管。常见的两个研究终点是测定蛋白质表达水平和活性。在这一方面,我们及其他研究者已建立多种可用于分离后脑毛细血管的检测方法,以研究蛋白质的表达水平和活性。这些检测方法包括蛋白质印迹(Western blotting)、Simple Western 检测、酶联免疫吸附测定(ELISA)、逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)、定量聚合酶链反应(qPCR)、酶谱分析(zymography)、转运活性检测以及毛细血管渗漏检测。这些检测手段使研究人员能够研究人类病理状态下血脑屏障功能的变化,确定调控蛋白质表达与活性的相关通路,并识别可用于治疗血脑屏障相关疾病的药理学靶点。
综上所述,新分离的脑毛细血管可作为血脑屏障的一个稳定且可重复的模型。特别是,该模型可与多种不同的检测方法结合,用于测定多种终点指标,以研究屏障功能。
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以下信息基于美国肯塔基州列克星敦市肯塔基大学当前的安全和监管标准。出于安全考虑,在处理人体组织前,请参阅所在机构的生物安全计划以及最新的法规和建议。
警告:人体组织可能含有经血液传播的病原体,包括人类免疫缺陷病毒(HIV)、乙型肝炎病毒(HBV)、丙型肝炎病毒(HCV)及其他病原体。操作人体组织存在感染血源性病原体的风险。因此,在处理人体组织时,必须遵守特定的法规和安全规范,以保护实验室工作人员。在美国,操作人体组织需在生物安全二级(BSL-2)实验室中进行,并依照美国国立卫生研究院(NIH)第四部分IV-B-7条款、1970年职业安全与健康法案(OSHA Act of 1970)第5(a)(1)条款以及使用者所在机构的生物安全计划,采取相应的安全防护措施并接受培训。通常情况下,在开展涉及人体样本(组织、体液等)的研究之前,必须获得机构生物安全委员会(Institutional Biosafety Committee)和/或机构审查委员会(Institutional Review Board)的批准。所有操作人体样本的人员均须接受培训,培训内容包括基础实验室安全培训, 例如,化学卫生与实验室安全,以及有关生物安全、危险废物和人类血液传播病原体的专项培训。所有操作人类来源材料的人员均强烈建议在接触人类材料前接种乙型肝炎疫苗。操作人类来源材料时,工作人员必须佩戴特定的个人防护装备。 例如佩戴袖套、实验服和面罩,并始终戴手套。所有操作均在二级生物安全柜中进行。所有接触人体材料的设备以及来自人体材料的任何废弃物均需妥善处理,以防止人员污染和/或感染。每次操作涉及人体材料后,所有设备和表面均须用10%次氯酸钠溶液和75%乙醇清洁。若发生人体材料溢出,必须立即清理。玻璃器皿每次使用后须高压灭菌。废弃物(包括未固定的组织)应收集于贴有生物危害标识的废弃物袋中,并进行高压灭菌。锐器应置于标有生物危害标识、防刺穿且防泄漏的容器中。所有来自人体材料的废弃物均须按照机构的生物安全规定进行处置。
注意:本实验室通过桑德斯-布朗老化研究中心(机构审查委员会编号:B15-2602-M)获取已故个体的新鲜额叶皮层样本。纳入标准为:参与肯塔基大学阿尔茨海默病中心(UK-ADC)纵向尸检队列研究,且死亡后间隔时间(Post-Mortem Interval, PMI)≤4小时64。尸检遵循标准操作流程,所有程序均符合美国国立卫生研究院(NIH)生物样本最佳实践指南65。较短的死亡后间隔时间(小于4小时)对于确保分离后毛细血管的活性至关重要。新鲜和冷冻组织均可使用。若需冷冻,应将 freshly 获取的人脑组织在液氮中速冻,并于 -80 °C 保存。新鲜或解冻后的组织应保存于分离缓冲液(见下文)中,并尽快处理。我们发现,10 g 新鲜人脑组织可获得约 100 mg 脑毛细血管(湿重)。
1. 设置
2. 脑组织样本制备
注意:图1A 展示了下文所述整个分离流程的工作流程图。人脑组织可来源于大脑皮层的任何区域,可使用新鲜或冷冻的组织。冷冻脑组织可在室温下解冻(无需缓冲液;约30分钟解冻10 g)。为获得可比的结果,每次实验所用脑组织应取自相同的脑区。本方案已针对未冷冻的新鲜人脑皮层组织(死后时间 <4 小时)进行了优化。
3. 匀浆化
4. 离心
5. 过滤
注意:为了将毛细血管与红细胞及其他细胞碎片分离,需要进行多次过滤步骤。
6. 毛细管采集
7. 清洗
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从人脑组织中分离得到的悬液富含人脑毛细血管(图1B),其中含有少量较大的血管、红细胞、其他单个细胞以及部分细胞碎片。部分毛细血管呈分支状,某些毛细血管腔内可见被截留的红细胞。典型的毛细血管直径为3–7 µm,长度约为100–200 µm,管腔开放;大多数毛细血管末端呈塌陷状态。通过共聚焦显微镜观察,分离的人脑毛细血管显示出完整、管状的结构和形态。图2A展示了一条具有附着周细胞且管腔内含红细胞的人脑毛细血管的代表性透射光图像。关于直径、大小和形态的所有观察结果均与既往关于分离脑毛细血管结构的报道一致12,17,18。图2B中的人脑毛细血管使用C219作为一抗(1 µg/mL)对P-糖蛋白(P-gp,绿色)进行免疫...
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本方案描述了从新鲜组织中分离完整且具有活性的人脑毛细血管的方法。在本节中,我们将详细讨论以下内容:1)方案的修改,2)常见错误的排查,3)该技术的局限性,4)相对于现有及其他血脑屏障模型,该模型的意义,以及5)分离的人脑毛细血管的潜在应用。
本文所述方案已针对 10 g 新鲜人脑额叶皮质组织进行了优化。然而,该方案可相对简便地进行如下修改:1)适用于多于或少于 10 g 的组织,2)适用于冷冻脑组织,或 3)适用于额叶皮质以外其他脑区的组织。首先,当使用多于或少于 10 g 的脑组织时,缓冲液体积可根据实际组织量按比例相应增加或减少。例如,若仅有 5 g 脑组织可用,则缓冲液体积应减半。其次,本文描述的毛细血管分离方法使用新鲜脑组织,但若无法获得新鲜组织,也可使用冷冻组织38。第三,本研究采用来自额叶皮质的新鲜脑组织,但若其他皮质脑区有足够组织,也可从中分离毛细血管。此外,亦可从非皮质脑区(e.g., 白质)分离毛细血管,但这些区域的细胞组成和毛细血管密度不同66
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢并致谢肯塔基大学阿尔茨海默病中心脑组织库的 Peter Nelson 博士和 Sonya Anderson,感谢他们提供所有人脑组织样本(美国国立卫生研究院资助编号:P30 AG028383,来自国家老龄化研究所)。我们感谢肯塔基大学信息技术服务部学术技术与教师参与中心的 Matt Hazzard 和 Tom Dolan 在图形处理方面的协助。本项目得到了国家神经疾病与卒中研究所资助编号 1R01NS079507(授予 B.B.)以及国家老龄化研究所资助编号 1R01AG039621(授予 A.M.S.H.)的支持。本内容仅由作者负责,不代表国家神经疾病与卒中研究所或国家老龄化研究所的官方观点。作者声明不存在竞争性财务利益。
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