我们提出了一种用于比较两种人源成骨细胞系hFOB 1.19和Saos-2释放的囊泡中矿物质状态的实验方案。通过茜素红-S(AR-S)染色、紫外(UV)光观察、透射电子显微镜(TEM)成像以及能量色散X射线微区分析(EDX)对它们的矿化特征进行了分析。
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我们提出了一种用于比较两种人源成骨细胞系hFOB 1.19和Saos-2释放的囊泡中矿物质状态的实验方案。通过茜素红-S(AR-S)染色、紫外(UV)光观察、透射电子显微镜(TEM)成像以及能量色散X射线微区分析(EDX)对它们的矿化特征进行了分析。
本视频介绍了利用透射电子显微镜结合能量色散X射线微区分析(TEM-EDX)技术,比较两种人源成骨细胞系hFOB 1.19和Saos-2所释放囊泡中矿物质的存在状态。这两种细胞系在经抗坏血酸(AA)和β-甘油磷酸钠(β-GP)处理后,会经历从增殖到矿化的完整成骨转分化过程,并产生基质囊泡(MVs),从而在细胞外基质(ECM)中引发磷灰石的成核作用。
根据茜素红-S(AR-S)染色以及采用紫外光(UV)对细胞裂解液中的矿物质成分进行分析,或通过透射电子显微镜(TEM)成像观察囊泡中的矿化情况,再结合EDX定量分析和离子定位图谱,可以推断出骨肉瘤Saos-2细胞和成骨样hFOB 1.19细胞具有不同的矿化特征。Saos-2细胞的矿化效率高于hFOB 1.19细胞,并形成更大的矿化沉积物;这些沉积物在紫外光下不可见,但其特性类似于羟基磷灰石(HA),含有更多的钙(Ca)和氟(F)取代成分。
利用这些技术获得的结果使我们能够得出结论:矿化过程因细胞类型的不同而有所差异。我们提出,在细胞水平上,囊泡的来源及其特性决定了矿物的类型。
骨是一种结缔组织,由两部分组成:有机成分(细胞和胶原纤维)和无机矿物成分(钙和磷酸盐化合物)。骨骼中的主要矿物成分为磷灰石1。骨组织中具有矿化能力的细胞(成骨细胞)、牙齿中的细胞(成牙本质细胞)以及软骨中的细胞(软骨细胞)通过合成细胞外基质(ECM)蛋白并释放基质小泡(MVs)来调控矿化的初始阶段(图1)。基质小泡是直径为100–300 nm的囊泡,能够富集钙和磷酸盐,促进磷灰石成核,随后与胶原结合2,3。随后,基质小泡破裂,将磷灰石释放到细胞外环境中。磷灰石在与胶原纤维接触的过程中持续生长,最终形成骨基质。细胞外环境中持续供应的Pi和Ca2+维持了矿化过程。一些最近发表的数据支持我们的模型4,5。在生理条件下,软组织不会发生矿化。然而,在病理状态下可能发生异位钙化,例如血管钙化3。获得成骨细胞表型的血管细胞可产生基质小泡,诱导磷灰石成核,并在血管壁的中膜和内膜层启动矿化过程。由于异位钙化与正常的软骨内矿化过程相似3,因此理解成骨细胞和软骨细胞矿化的分子机制,将有助于揭示软组织异位钙化形成的潜在机制。
骨骼组织的发育受到多种酶、生长因子以及矿化促进剂或抑制剂的调控。组织非特异性碱性磷酸酶(TNAP)(图1)与外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶I(NPP1)以及ankyrin(ANK)之间存在拮抗作用,共同调控无机焦磷酸盐(PPi)的浓度6。PPi是羟基磷灰石(HA)形成的强效抑制剂,可被TNAP水解;NPP1通过水解核苷三磷酸生成PPi,而ANK则将PPi从细胞内转运至细胞外基质(ECM)。Pi/PPi的比值可能调控磷灰石的形成7,8,并可能导致病理后果9。
基质小泡(MV)膜富含离子转运蛋白,可在矿化成核过程中促进钙和磷酸盐在基质小泡内部的初始沉淀(图1)。磷酸盐转运蛋白1(PiT)有助于磷的摄取i 在周囊泡空间内生成并进入膜囊泡(MVs)10,11. 膜联蛋白可能参与Ca²⁺的结合与转运2+ 以及在微囊腔内启动矿化的生物物理过程中12,13我们倾向于此前提出的假说,即矿物质在基质小泡(MV)内胞质内囊泡中先发生羟基磷灰石的内部成核,随后再向细胞外基质(ECM)中扩展。14,15. 体外 建模证实了Ca的诱导2+/Pi PS和AnxA5制备的蛋白脂质体中复合物的形成16。这可能表明 Ca 的积累2+,Pi,微绒毛样膜脂筏中的AnxA5与PS复合物代表了M中磷灰石的成核核心(NC)与 Annexins 和 TNAP 也具有结合胶原的能力,可能有助于将基质小泡(MVs)定位在胶原纤维上,并促进细胞外基质(ECM)中矿化的扩展。胎球蛋白 A 和骨桥蛋白(OPN)17,被称为羟基磷灰石形成的抑制剂,可能减缓矿物质在胶原支架上的传播。成核与传播是两个不同的事件,前者先于后者,二者均可能与病理性矿化过程相关。
为了揭示磷酸钙复合物的化学性质如何影响生理性矿化和异位钙化,有必要鉴定细胞产生的矿物质。磷灰石是一类含有钙和磷酸盐的矿物质,其通用晶胞化学式为 Ca10(PO4)6X2,其中 X = Cl、F、OH。它们按以下分类18:氟磷灰石(FA)Ca10(PO4)6F2、氯磷灰石(CA)Ca10(PO4)6Cl2 和羟基磷灰石(HA)Ca10(PO4)6(OH)2。
选择成骨细胞系以诱导矿化形成至关重要,因为不同细胞系表现出各异的矿化特征。本研究中,我们比较了两种选定的人源性矿化细胞模型——成骨样hFOB 1.19细胞和成骨肉瘤Saos-2细胞——在矿物成核方面的能力。成骨肉瘤来源的细胞常被用作成骨细胞模型,其中Saos-2细胞保留了最接近成熟成骨细胞的特性。19 而未分化的正常人胎骨细胞hFOB被广泛用作成骨细胞分化的研究模型20通过不同方法分析其矿化特征:茜素红S(AR-S)染色、紫外光(UV)下观察、透射电子显微镜(TEM)成像、能量色散X射线微区分析(EDX)定量检测以及离子定位成像。相较于以往研究中采用的其他技术,TEM-EDX的优势在于能够提供羟基磷灰石晶体中离子置换的定性与定量结果。4,5,21使用透射电子显微镜-能量色散X射线谱(TEM-EDX)的总体目标是建立一种简单的方法,用于成像并定量分析在矿化过程不同阶段来自各类细胞的多种矿物中Ca、F和Cl离子的分布情况。该方法已成功应用于例如监测锌纳米颗粒与共存化学物质的相互作用及其对水生生物的联合效应。22在另一项研究中,通过电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)、N₂物理吸附(BET)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱、透射电子显微镜-能量色散X射线光谱(TEM-EDX)以及光电化学测量,对水溶液中钛基材料上的铜光催化剂进行了系统表征。23我们的目标是比较两种细胞系中囊泡和矿物质的来源及其特性,以阐明在成骨分化过程中调控矿化的机制。

图1.骨细胞矿化初始步骤示意图,涉及细胞外基质(ECM)蛋白的合成及基质小泡(MVs)从细胞膜释放。MVs通过钙结合蛋白annexins的作用积累钙,通过无机磷酸盐转运蛋白(PiT)的作用积累磷酸盐,随后组织非特异性碱性磷酸酶(TNAP)将焦磷酸盐(PPi)去磷酸化为正磷酸盐(Pi),从而促进羟基磷灰石成核。随后,MVs破裂并将羟基磷灰石释放到细胞外环境。细胞外环境中持续供应的Pi和Ca2+维持了矿化过程4,5。 请点击此处查看该图的放大版本。
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1. 细胞培养与处理
2. 钙矿物的检测
3. 在紫外光下观察探针
4. 透射电子显微镜-能量色散X射线光谱(TEM-EDX)探针的制备
5. 透射电子显微镜-能量色散X射线分析
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TEM-EDX 可实现 体外 矿化细胞释放的基质小泡(MVs)及其矿化产物的成像与 采用该技术获得的结果表明,不同类型的细胞中矿化过程可能以不同的方式进行。两种细胞系接受了相同的成骨转分化处理,但经刺激后,Saos-2 细胞的矿化效率高于 hFOB 1.19 成骨细胞,这一点通过茜素红染色(AR-S 染色)得以证实图2)。这可能是由于Saos-2细胞具有更为成熟的成骨细胞表型19 与 hFOB 1.19 细胞相比20使用紫外透射仪对样品进行观察,结果表明仅氟磷灰石可在紫外光下被观察到图3)。透射电子显微镜图像显示,与刺激的hFOB细胞或静息状态的Saos-2细胞相比,受刺激的Saos-2细胞产生更多含有矿物质的囊泡(图4,左图和中图)。合成磷灰石具有不同形态的矿物(...
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在本文中,我们描述了AR-S染色、紫外光下氟磷灰石的鉴定以及透射电镜-能谱分析的实验方案 体外 矿化细胞释放的基质小泡及其矿化产物的成像. 可通过遵循一些常见的故障排除步骤来解决上述所有方法中的问题。为了获得最佳结果,需仔细执行以下几个关键步骤。首先,应先加入酸性的抗坏血酸(AA),再加入碱性的β-甘油磷酸酯(β-GP),以维持培养基的pH值为7.4。其次,经过茜素红S(AR-S)染色后,染色的钙沉积物非常脆弱,在加入磷酸盐缓冲液(PBS)时应小心清洗细胞,以防晶体被破坏。第三,醋酸铀酰应始终保存在铅容器中,且不可取用沉淀部分,仅应使用稀释后的上清液进行固定。第四,需注意抗坏血酸和醋酸铀酰对光敏感,应在暗室中操作。第五,LR White树脂与无水乙醇的混合液在加入样品前应充分混匀。第六,明胶胶囊中的样品应使用小片纸和铅笔进行标记,以避免树脂破坏标签。第七,金刚石刀刃应仔细清除所有气泡。第八,应小心将样品置于载网的光亮面,即涂有Formvar/碳膜的一面。第九,在透射电子显微镜(TEM)图像中进行X射线微分析和离子定位时,应准确定位分析点,以减少羟基磷灰石识别可能出现的问题。
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作者声明不存在利益冲突。
MK 和 ASK 进行了实验操作,LB 绘制了图示并制作了视频。ASK 撰写了手稿,LB 撰写了脚本,MK 制作了表格。SM、RB 和 SP 对表格、脚本和手稿进行了批判性审阅。作者感谢 Hanna Chomontowska 在超薄切片技术方面的出色协助,以及 Szymon Suski 和 Henryk Bilski 在透射电子显微镜-能谱分析(TEM-EDX)方面的出色协助。作者感谢 Patrick Groves 博士在英文语言润色方面的专业帮助,以及 Barbara Sobiak 对操作指令的录音工作。
本工作获得了波兰科学与高等教育部授予 ASK 的 N N401 140639 号资助、波兰国家科学中心授予 LB 的 2016/23/N/NZ4/03313 号资助和授予 MK 的 2016/23/N/NZ1/02449 号资助、欧盟第七框架计划项目 BIOIMAGINE:研究创新与教育中的生物成像(BIO-IMAGing in research INnovation and Education),项目编号 GA No. 264173,以及波兰科学院涅恩科夫实验生物学研究所法定资金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| Ham’s DMEM/F12 培养基混合液 | PAA | E15-813 | 1:1,用于人胎成骨细胞 hFOB 1.19 SV40 大 T 抗原转染细胞(ATCC CRL-11372) |
| McCoy’s 5A 培养基 | PAA | E82312-0025 | 用于人骨肉瘤 Saos-2 细胞(ATCC HTB-85) |
| 抗生素混合液(青霉素/链霉素) | Sigma | P0781-100ML | 各 100 U/mL |
| G-418 | Sigma | 68168 | 0.3 mg/mL |
| FBS | Gibco | 10270 | hFOB 1.19 使用 10%,Saos-2 使用 15% |
| AA | Sigma | A-5960 | 50 µg/mL |
| ß-GP | Sigma | G9422-100G | 7.5 mM |
| Bio-Gel HTP 凝胶 | Bio-Rad | 130-0420 | 用于 HA |
| FA | 由我们合成 | ||
| CA | 由我们合成 | ||
| 磷酸钠缓冲液 Na2HPO4/NaH2PO4 混合液 | Sigma | S7907/S8282 | 0.1 M,pH 7.2 |
| PBS | pH 7.0,由我们配制 | ||
| AR-S 溶于 PBS | Sigma | A5533-25G | 0.5 g/100 mL,pH 5.0 |
| I 型胶原酶 IA | Sigma | C2674 | 500 U/mL |
| SCL 缓冲液 | 由我们配制 | ||
| 去离子水 | 由我们制备 | ||
| 乙醇 | POCh | BA6480111 | 绝对纯度 99.8%,以及 25%、50%、75%、90% 溶液 |
| 50% 乙醇中的醋酸铀 | Polysciences Inc. | 21447-25 | 0.25 g/10 mL |
| PD 培养基 | pH 7.4,由我们配制 | ||
| 固定液(多聚甲醛/戊二醛) | Sigma | 158127/G-6257 | 3%:1% |
| 后固定 OsO4 | Sigma | 75633 | 1% |
| 乙醇中的 LR White 树脂 | Polysciences Inc. | 17411-MUNC 500g | 1:2、1:1、100% |
| 丙酮 | CHEMPUR | 111024800 | 纯品 |
| 工具 | |||
| 冻存管 | Corning Inc. | 430487 | 1.2 mL |
| 塑料培养皿 | Falcon | 353003 | 100 mm |
| 塑料离心管 | Falcon | 352096 和 352070 | 15 和 50 mL |
| 移液管 | Falcon 和 VWR | 357521 和 612-3700 | 1 和 10 mL |
| 塑料微量离心管 | Sigma | Z688312 和 Z628034 | 1.5 mL 黑色和 2 mL 透明 |
| 塑料吸头 | VWR | 613-0364、613-0239 和 613-1050 | 0.1–10 µL 透明、1–200 µL 黄色、200–1000 µL 蓝色 |
| 塑料架 | Light Labs | A-7055-Z、A-7053-C | 绿色用于离心管,橙色用于微量管,蓝色用于透射电镜样品 |
| 层流超净台 Hera Save | Thermo Scientific Co. | KS12 | HEPA 滤器(DIN EN 1822 标准 H14) |
| 培养箱 Hera Cell | Thermo Scientific Co. | 150 | hFOB 1.19 使用 34°C,Saos-2 使用 37°C |
| 通风橱 | POLON | WCS-2 | 用于透射电镜染色 |
| 玻璃瓶 | SIMAX | 1632414501050 和 1632414501100 | 50 和 100 mL |
| 石英玻璃管 | SIMAX | 638422010100 | Ø 10 mm,L 100 mm |
| 泵 | IBS Integra Biosciences | VACUSAFE comfort | 用于抽真空 |
| 烘箱 | Memmert | UNE 400 | 56°C |
| 瓷质多孔板 | Rosenthal technik | 229/12 | 12 孔 |
| 玻璃烧杯 | SIMAX | 632417010025 | 25 mL |
| 玻璃瓶 | Pocord | DIN22 | 10 mL |
| 塑料盒 | Agar Scientific Ltd. | 用于避光 | |
| 明胶胶囊(Snap Fit) | Agar Scientific Ltd. | G3741 | 1 号尺寸 |
| 带 Formvar/碳膜的 300 目镍网(置于盒中) | Agar Scientific Ltd. | S162N3 | 膜面朝亮面 |
| 硅胶细胞刮刀 | Sigma | SIAL0010-100EA | 尺寸 1.8/25 cm |
| 带针头的注射器 | BogMark | 007 | 1 mL 注射器 40 U,针头 0.5 × 16 |
| 注射器 | Chirana | CH005L | 5 mL |
| 离心机 | MPW Medical Instruments | MPW-350R | 130 × g 和 500 × g |
| 紫外透射仪 | UVP | M-20 | 用于可见光和紫外光 |
| 超薄切片机 | LKB | NOVA | 700Å 切片 |
| 样品块夹持器 | LKB | E6711 | 圆形 |
| 金刚石刀 | DiATOME | Ultra 45° | 3 号尺寸 |
| 睫毛夹持器 | 牛源,由我们制备 | ||
| 镊子 | ROTH | 2855.1 | 防静电,用于载网 |
| 刮刀套装 | ROTH | E286.1 | 防静电,用于粉末 |
| 成像 | |||
| 倒置光学显微镜 | Zeiss 配 Canon | AxioObserver Z1 配备 PowerShot G9 | 相差、透射光、20× 物镜、RGB 滤光片 |
| 透射电子显微镜 | TEM Jeol 公司配 Oxford Instruments 和 SiS-Olympus | JEM-1400 TEM 配备全范围 INCA 能谱分析系统(EDX)及 1100 万像素 MORADA G2 相机 | 透射电镜放大倍数 50,000X,STEM 和 EDX 为 15,000X |
| 相机机身与镜头 | Nikon | Nikon D7100 Nikkor AF Micro 105 mm f/2.8D Nikkor AF-S 50 mm f/1.8G Nikkor AF 28 mm f/2.8D | 用于视频录制 |
| 麦克风 | MXL Mics | Tempo | 用于语音录制 |
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