本文介绍了一种从悬浮培养的 e10.5 小鼠胰腺前体细胞及其相关间充质中生成表达胰岛素的三维胰腺类器官的实验方案。
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本文介绍了一种从悬浮培养的 e10.5 小鼠胰腺前体细胞及其相关间充质中生成表达胰岛素的三维胰腺类器官的实验方案。
胰腺是一个复杂的器官,由多种不同类型的细胞组成,这些细胞协同作用以调节血糖稳态和消化过程。这些细胞类型包括分泌酶的腺泡细胞、负责将酶运输到肠道的分支状导管系统,以及产生激素的内分泌细胞。
内分泌β细胞是体内唯一能够产生胰岛素以降低血糖水平的细胞类型。糖尿病是一种以β细胞缺失或功能障碍为特征的疾病,其发病率正达到流行病水平。因此,建立可用于筛选药物和细胞治疗手段的β细胞发育研究方案至关重要。尽管对小鼠发育过程的实验研究必不可少, 体内 研究工作繁琐且耗时。培养细胞为筛选提供了更为便捷的平台;然而,它们无法维持在体内所存在的细胞多样性、结构组织以及细胞间的相互作用 在体内 因此,开发新工具以研究胰腺器官发生和生理学至关重要。
胰腺上皮细胞自器官发生初期便与间充质紧密关联,随着细胞的组织化和分化,最终形成结构复杂且具备生理功能的成熟器官。胰腺间充质为内分泌系统的发育提供了多种重要信号,其中许多信号机制尚未被充分阐明,因此在体外模拟过程中难以重现 体外 培养。本文描述了一种培养三维、含间充质细胞复合体的小鼠类器官(称为胰腺类器官)的实验方案。取e10.5小鼠胰腺芽组织,进行解剖、解离,并在无支架环境中培养。这些悬浮细胞可自组装形成类器官,其间充质包裹发育中的胰腺类器官,并伴随大量内分泌β细胞以及腺泡细胞和导管细胞的生成。该体系可用于研究器官发生过程中的细胞命运决定、结构组织与形态发生、细胞间相互作用,或用于药物、小分子化合物及遗传筛选。
阐明正常发育与生理学的机制对于理解疾病病因并最终开发治疗方法至关重要。尽管干细胞的培养与分化能够实现对发育过程的快速、高通量分析,但该方法受限于当前对调控细胞命运机制的认知水平,且仅能在相对均一的二维人工环境中模拟发育过程1,2。体内发育不仅受到外部因素的影响——微环境中的不同细胞类型通过旁分泌信号和结构支持引导器官发生,而且这些细胞的功能也依赖于周围环境提供的指导信号3,4,5。鉴于这些外部信号的重要性、现有分化方案的局限性以及体内小鼠模型实验的繁琐性,亟需建立新的实验体系以深入研究基本的发育过程与生理机制。
三维复杂类器官培养方案的出现为研究器官发生、生理功能、药物疗效甚至发病机制提供了一个便捷且高度相关的系统. 建立用于不同系统的鼠类类器官,例如胃6 和肠道7 拓展了我们对器官发生的理解,提供了一种研究发育复杂性的工具,其限制较以往更少 体内 和 体外 模型。由于小鼠类器官培养技术的进步以及人类多能干细胞的出现,人类肠道8,视网膜9,肾脏10,11,以及大脑的12 类器官已被成功制备,其种类仅受限于当前对发育机制的认知水平。
特别值得关注的是胰腺类器官的生成,因为多种疾病会影响胰腺的不同细胞类型,包括外分泌胰腺功能不全中的腺泡细胞和导管细胞13胰腺炎中的腺泡细胞14,以及糖尿病中的β细胞15了解这些不同类型细胞的发育过程有助于理解其病理机制,同时也可为个性化药物筛选或移植提供一个平台。此前,Greggio 等 开发了一种方法以构建能够模拟小鼠胰腺的类器官 体内 形态发生并发育形成由所有主要胰腺上皮细胞类型组成的有序三维复杂结构16,17这是胰腺研究领域的一大进步,尤其是在细胞制备方面 体外 可促进对β细胞发育的生物学研究。然而,该方案中内分泌细胞的形成数量极少,除非将类器官移植到组织中,使其微环境能够相互作用并提供指导性信号17间充质构成了微环境的最大部分,从器官发生的早期阶段到后期阶段(包括内分泌细胞的去层化和分化),都大量包裹着发育中的上皮组织。3,4,18间充质与发育中胰腺的相互作用是外源性信号传导以及维持其正常发育重要性的又一例证 体内 细胞复杂性以研究器官发生。
本文介绍了如何从离散的 e10.5 小鼠胰腺前体细胞生成三维胰腺类器官,即胰腺样体(pancreatoids)。这些胰腺样体保留了天然的间充质成分,可在悬浮培养条件下自我组装,并生成所有主要的胰腺细胞类型,包括大量内分泌β细胞19。该方法最适合用于研究内分泌发育,因为此前的方案难以实现有效的内分泌分化。然而,若需分析胰腺上皮分支及形态发生过程,则建议采用 Greggio et al. 所描述的胰腺类器官培养方案,因为在胰腺样体中分支结构的形成较为有限。
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本方法中描述的所有动物实验均经贝勒医学院机构动物照护与使用委员会批准。
1. 小鼠胚胎第10.5天胰腺前体细胞的制备
注意:此方案在第2步之前无需在无菌条件下进行,但最好在使用前对解剖工具进行灭菌,并用70%乙醇喷洒。
2. 培养解离的前体细胞以形成胰岛样类器官
注意:以下操作应在标准组织培养罩内的无菌环境中进行,并使用标准的无菌操作程序。
3. 胰腺类器官的免疫荧光成像处理
4. 用于转录分析的胰腺类器官RNA提取
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在 e10.5 时期从小鼠子宫角仔细解剖出胚胎,应获得未受损的胚胎并置于 PBS 中,以供进一步解剖(图 1A)。可高效地从胚胎中分离出消化道(图 1B),从而清晰识别位于肠与胃交界处的背侧胰芽(图 1C-F)。e10.5 时期的胰芽已有文献描述;其前体细胞应表达 Pdx1, Sox9, Ptf1a 和 Hes120,21,22,23。经过组织处理步骤后,可通过光学显微镜观察到解离的胰腺单细胞或小细胞团(<...
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细胞培养模型的发展对于准确模拟发育过程、生成具有临床相关性的细胞类型、测试药物疗效,甚至用于患者移植至关重要。然而,在培养皿中人工重现发育过程仍具挑战性,因为我们对器官发生和生理机制的理解还远未完善。 体内 因此 体外 细胞的生成效率低下,功能不完善,无法长期维持,或与体内相应的细胞相比存在其他异常。这是因为在发育和生理过程中,多种不同类型的细胞相互作用,并伴随着复杂的形态发生改变。通过结合实验操作的便利性与 体外 系统,同时保留其复杂性 体内 发育将为生物医学研究提供一种有价值的工具。
类器官的开发为模拟发育过程的复杂性提供了一条极具前景的研究路径。本实验方案中,我们介绍了如何制备保留天然间充质并能高效生成内分泌细胞的胰腺类器官(pancreatoids),尽管此类胰腺类器官不表现出葡萄糖响应性。该工具可用于在维持组织异质性的培养体系中研究发育机制及功能特性 体内此外,该方法可用于遗传筛选或小分子及药物的筛选。这一点尤其具有重要意义,因为在相对均一的细胞培养体系中测试候选药物,可避免这些化合...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Jolanta Chmielowiec 对本实验方案及手稿撰写的有益讨论。同时感谢 Benjamin Arenkiel 提供共聚焦显微镜的使用权限。本研究得到了美国国立卫生研究院(NIH)(P30-DK079638 资助 M.B.,T32HL092332-13 资助 M.A.S. 和 M.B.)、McNair 医学基金会(资助 M.B.)以及贝勒医学院智力与发育障碍研究中心共聚焦成像核心(由 Eunice Kennedy Shriver 国家儿童健康与人类发育研究所资助 NIH U54 HD083092)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M6250 | |
| 校准微量毛细移液管用吸管组件 | Sigma-Aldrich | A5177 | |
| BarnStead NanoPure 无核酸酶水 | ThermoFisher | D119 | |
| 硼硅酸盐毛细管 | Sutter Instruments | GB1007515 | 外径 1 mm,内径 0.75 mm,长度 1.5 cm |
| CaCl₂ | Sigma-Aldrich | C5080 | |
| 防细胞黏附U型底96孔微孔板 | Greiner Bio-One | 650970 | U型底 |
| Centrifuge 5424 R 离心机 | Eppendorf | 5401000013 | |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | 233306 | |
| 嗜铬粒蛋白A抗体 | Abcam | ab15160 | |
| 紧凑型模块化体视显微镜 M60 | Leica | ||
| Countess 自动细胞计数仪 | Invitrogen | C10310 | |
| Countess 细胞计数仪专用载片 | Invitrogen | C10312 | |
| CryoStar NX70 冷冻切片机 | ThermoFisher | 957000L | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G7528 | |
| DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐) | Roche | 10 236 276 001 | 粉末 |
| DBA 抗体 | Vector Lab | RL-1032 | |
| Dispase II 粉末 | Gibco | 17105041 | |
| DMEM/F-12 培养基(含 HEPES) | Gibco | 11330032 | |
| Dnase I | Invitrogen | 18068-015 | |
| Dumont #5 镊子 | Fine Science Tools | 11251-10 | 0.05 × 0.02 mm;钛材质;生物学尖端 |
| EGF(表皮生长因子) | Sigma-Aldrich | E9644 | |
| 乙醇,200 证明 | Decon Laboratories | 2716 | |
| Forma Steri Cycle CO₂ 培养箱 | ThermoFisher | 370 | |
| Fluoromount-G 封片剂 | Southern Biotech | OB10001 | |
| 来源于猪肠黏膜的肝素钠盐 | Sigma-Aldrich | H3149-10KU | |
| INSM1 抗体 | Santa Cruz BioTechnology | sc-271408 | 多克隆小鼠 IgG |
| 异丙醇 | Fisher | a4164 | |
| Isothesia 异氟烷,USP 标准 | Henry Schein | 11695-6776-2 | |
| 胰岛素抗体 | Dako | A056401 | 多克隆豚鼠抗体 |
| KAPA SYBR FAST Universal | KAPA Biosystems | KK4618 | |
| KCl | KaryoMax | 10575090 | |
| KnockOut 血清替代物 | Invitrogen | 10828028 | |
| Leica TCS SPE 高分辨率光谱共聚焦显微镜 | Leica | ||
| MgCl₂ | Sigma-Aldrich | 442615 | |
| 小鼠 C 肽 ELISA 试剂盒 | ALPCO | 80-CPTMS-E01 | |
| 小鼠超敏胰岛素 ELISA 试剂盒 | ALPCO | 80-INSMSU-E01 | |
| MX35 微型切片机刀片 | ThermoFisher | 3052835 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| NaHCO₃ | Sigma-Aldrich | S3817 | |
| NaH₂PO₄ | Sigma-Aldrich | ||
| 正常驴血清 | Jackson Immuno Research | 017-000-121 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| PBS 1× | Corning | 21-040-CV | |
| Pdx1 抗体 | DSHB | F6A11 | 单克隆小鼠 IgG1 |
| Peel-A-Way 一次性包埋模具 | VWR | 15160-157 | |
| 青霉素-链霉素溶液 | Corning | MT30002CI | |
| PMA(佛波醇 12-十四烷酸酯 13-乙酸酯) | Sigma-Aldrich | P1585 | |
| Protein LoBind 微量离心管 | Eppendorf | 22431081 | 1.5 mL 容量 |
| 重组人 FGF-10 蛋白 | R&D Systems | 345-FG | |
| 重组人酸性 FGF 蛋白 | Peprotech | 100-17A | |
| 重组人 R-Spondin I 蛋白 | R&D Systems | 4546-RS | |
| BenchRocker 2D 混匀仪 | Benchmark | BR2000 | |
| 蔗糖 500 g | Sigma-Aldrich | S0389 | |
| SuperFrost Plus 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Super Pap Pen 防扩散笔 | Electron Microscopy Sciences | 71310 | |
| Thermomixer R 恒温混匀仪 | Eppendorf | 05-412-401 | |
| Tissue Tek O.C.T. 包埋剂 | Sakura | 4583 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| TRIzol 试剂 | Invitrogen | 15596018 | |
| TrypLE Express 酶解液 | Invitrogen | 12604039 | (1×),无酚红 |
| 台盼蓝染色液 | Invitrogen | 15250061 | 用于细胞计数载片 |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.05%) | Corning | 25-052-CI | |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.25%) | Gibco | 25200072 | 含酚红 |
| 超低吸附24孔板 | Corning | 3473 | |
| 超低吸附96孔球形培养板 | Corning | 4520 | |
| 波形蛋白抗体 | EMD Millipore | AB5733 | 多克隆鸡 IgY |
| Vortex Genie 涡旋振荡器 | BioExpres | S-7350-1 | |
| Y-27632 二盐酸盐 | R&D Systems | 1254 | 又称 ROCK 抑制剂 |
| Zeiss 710 共聚焦显微镜 | Zeiss |
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