本方案将使读者能够成功建立节段性肠缺血的猪模型,并随后分离和培养肠干细胞,以研究损伤后上皮的修复过程。
本方案将使读者能够成功建立节段性肠缺血的猪模型,并随后分离和培养肠干细胞,以研究损伤后上皮的修复过程。
肠缺血仍然是人类和兽医临床患者发病和死亡的主要原因。许多疾病过程会导致肠缺血,即肠道的血液供应减少,从而导致氧气供应下降。这会引起肠屏障功能丧失以及深层组织的损伤。肠道干细胞位于利贝昆隐窝(Lieberkühn crypts)的基底部,在稳态条件下以及损伤后负责肠道的再生更新。ex vivo 细胞培养技术通过建立支持三维上皮类器官系统生长的培养条件,成功实现了对上皮干细胞相互作用的研究(分别从小肠和大肠来源的类器官称为“肠类器官”(enteroids)和“结肠类器官”(colonoids))。这些肠类器官包含隐窝样和绒毛样结构域,并可成熟分化为肠上皮中存在的所有细胞类型。传统上,研究肠道损伤多采用小鼠模型。然而,猪模型具有多项优势,包括其体型以及胃肠道解剖结构和生理功能与人类高度相似。通过采用猪模型,我们建立了一种实验方案,可在单个动物体内创建节段性肠缺血环路,从而实现对缺血性损伤及修复不同时间点的in vivo研究。此外,我们还描述了一种方法,用于从缺血肠段中分离并培养肠道干细胞,从而可在ex vivo条件下持续研究由干细胞介导的上皮修复过程。
肠缺血性损伤是由于肠道血流减少或完全阻塞导致氧气供应下降所致,在人类和动物患者中仍是发病率和死亡率的重要原因1,2。缺血性损伤以及随之发生的炎症反应和细胞浸润会导致黏膜屏障功能受损。黏膜屏障对于防止细菌及其毒素向体循环移位至关重要3,4。随后缺血组织的再灌注可产生有害的活性氧物质,从而加重组织损伤5。由于肠缺血通常难以预防,目前大多数研究集中在推进缺血早期检测技术,以及开发新型治疗策略,以减轻再灌注损伤或促进黏膜修复。
动物模型已被广泛用于拓展我们对缺血-再灌注损伤的基础科学认知,并且在转化医学研究中仍然至关重要。啮齿类动物模型因其可进行基因操作而被最广泛使用6。然而近年来,由于猪在解剖学和生理学上与人类具有高度相似性等多方面优势,大型动物模型(特别是猪)已被提倡用于未来的转化研究7,8。目前已开发出多种损伤模型用于研究缺血-再灌注损伤,包括完全性血管阻塞、低流量缺血以及节段性肠系膜血管阻塞。尽管本文不拟全面综述这些模型,但作者建议读者参考近期的一篇综述文章3。
此外 体内 模型,使用 离体 细胞培养系统为研究肠道稳态及损伤后的修复提供了有力工具。肠道干细胞负责肠道上皮细胞的增殖与更新。当从正常或受损的肠道组织中分离后,肠道干细胞可在体外培养中维持其活性,并作为研究干细胞和上皮细胞生物学的工具或模型。针对多种物种和器官系统,已建立了从小肠和大肠分别分离并构建三维培养系统(分别称为类肠体和类结肠体)的方法。9,10,11,12,13具体而言,在胃肠道中,这些培养系统已被用于模拟胃肠道疾病,包括癌症、病原体感染和炎症性肠病。14目前尚无任何物种中关于从缺血损伤的小肠组织中分离和培养肠道干细胞的报道。因此,本文介绍了一种新型大型动物猪模型中的肠道缺血造模方法,该模型可产生可重复的损伤,并能够从正常及缺血损伤的肠道组织中分离肠道干细胞,以进一步研究其修复与恢复过程。 离体.
本实验的所有动物研究均经北卡罗来纳州立大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准。
1. 培养前准备
注意:所有试剂均列于材料表中。特定生长因子的浓度列于表1中。
2. 缺血手术模型建立与组织采集
3. 缺血与对照肠袢中隐窝(干细胞)的分离
通过使用缝线或钳夹阻断血流,在小肠袢中建立完全性肠缺血,如图1所示。松开钳夹后,可进行可控时长的再灌注,以便根据需要进一步研究随后发生的再灌注损伤。所有动物在手术过程中均存活,直至实施安乐死,期间仅出现轻微并发症。最常见的手术并发症为低血压,补充正性肌力药物(如多巴酚丁胺)后可缓解。
若操作正确,缺血性损伤将从肠绒毛顶端开始,并随着缺血时间的延长逐渐向隐窝方向迁移(图2)。手术技术中一个常见的错误是血管结扎或夹闭不均匀。其结果是出血性缺血(图3),即薄壁的静脉在动脉之前塌陷,导致额外的血液渗入组织。肉眼可见浆膜面呈深紫色(图3,左),而完全性缺血时则表现为较苍白的表面(图3,右)。
切除缺血性肠段后,按照解离方案成功分离出肠隐窝(图4)。正如预期,来自损伤较严重时间点的隐窝常出现断裂(f;碎片),且隐窝组分中所含的背景细胞碎片较未受损或轻度损伤样本更多。在操作过程中,必须轻柔振荡严重受损的肠组织,以避免对底层组织造成额外损伤。振荡过于剧烈可能导致隐窝进一步受损,使大部分隐窝最终进入含EDTA的DR溶液中,从而造成更严重的破坏。
接种后,所有缺血时间点的隐窝均能存活并在培养中成功建立(图5)。当正常及轻度损伤的肠隐窝接种于培养体系时,可在24–48小时内形成肠类球体。在严重缺血损伤(3和4小时)情况下,肠隐窝虽可存活但已受损,导致最初形成的球体明显较小。至72–120小时,类肠体结构变得更加复杂,出现明显的中央腔和出芽结构。总体而言,来源于严重损伤肠组织的隐窝其生长效率降低,所形成的类肠体尺寸也减小(Gonzalez, L.M., 未发表数据, 2017)。

图1:猪模型中完全性肠缺血的手术模型。 A) 外翻的正常猪空肠。B) 肠系膜血管已用缝线结扎,造成肠缺血。C) 使用无损伤血管夹(bulldog vascular clamps)夹闭血管以建立缺血模型,必要时可移除血管夹实现组织再灌注。D) 移除血管夹后立即观察到的肠管血管情况。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:完全性肠缺血持续时间延长后上皮损伤逐渐加重的组织学证据(苏木精-伊红(H&E)染色)。 损伤始于绒毛顶端,随着缺血时间延长,单层上皮细胞逐渐丧失,绒毛变钝,细胞损伤向下延伸至隐窝基底部,在严重损伤时可达4小时。比例尺:100 µm。I = 缺血。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:出血性缺血的大体及组织学证据。 A) 大体照片比较出血性缺血(左侧肠段)与完全性缺血(右侧肠段)。当血管未被均匀结扎或夹闭时,血液可继续渗入组织,导致额外的炎症反应和损伤。B) 出血性缺血持续时间分别为1至4小时的苏木精-伊红(H&E)染色图像。除完全性缺血所见的细胞损伤外,周围固有层内可见红细胞浸润的证据。比例尺:100 µm。I = 缺血。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:从缺血和正常肠段中分离出的肠道隐窝等分试样。从每一段肠组织中均成功分离出完整、结构完整的肠道隐窝(星号标记)。与未受损或轻度损伤的样本相比,损伤较严重的时点所获取的隐窝常出现断裂(f;碎片),且隐窝组分中含有更多的背景细胞碎片。比例尺:100 µm。I = 缺血。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:从小肠缺血肠段分离后的肠道干细胞生长时间进程。将正常的肠隐窝接种于培养体系中后,类肠体(enterospheres)在 24–48 小时内形成。在严重缺血损伤(3 和 4 小时)情况下,隐窝虽可存活,但最初形成的球体明显较小。至 72–120 小时时,类肠体结构更为复杂,出现明显的中央腔和出芽结构。标尺为 20 µm,另有注明者除外。请点击此处查看该图的放大版本。
| 生长因子 | 稀释液 | 储存液浓度 | 储存液稀释倍数 | 工作液稀释倍数 |
| R-Spondin | PBS | 100X | 100 µg/ml | 1 µg/ml |
| Noggin | SW/0.1%BSA | 1000X | 100 µg/ml | 100 ng/ml |
| EGF | 10mM 乙酸 | 10,000X | 500 µg/ml | 50 ng/ml |
| A-83-01 | DMSO | 1000X | 500 µM | 500 nM |
| SB202190 | DMSO | 3000X | 30 mM | 10 µM |
| 烟酰胺 | SW | 1000X | 1 M | 1 mM |
| 胃泌素 | PBS | 10,000X | 100 µM | 10 nM |
| Y-27632 | PBS | 1000X | 10 mM | 10 µM |
| LY2157299 | DMSO | 10,000X | 5 mM | 0.5 µM |
| CHIR99021 | PBS | 1000X | 2.5 mM | 2.5 µM |
| Wnt3a | PBS | 2000X | 200 µg/ml | 100 ng/ml |
表1:生长因子试剂表。 本方案中使用的生长因子储备液和工作液的汇总。
建立节段性肠缺血的猪模型,使得能够在同一动物体内研究组织损伤的多个时间点,从而拓展了以往的小鼠模型。本方案有几个关键的讨论要点,包括正确的血管结扎、组织再灌注以及成功的隐窝细胞培养。
正确的血管结扎对于建立完全性缺血模型至关重要。如果结扎缝合不均匀或血管夹未完全夹紧,来自管壁较厚的动脉的血液可能持续流入组织,而由于管壁较薄的静脉已塌陷,血液无法流出,从而导致血液外渗至固有层,引起额外的组织损伤。然而,根据所研究的缺血性损伤类型,有时可能需要完全性缺血或出血性缺血模型。例如,在肠移植过程中,手术切除阶段会将肠管完全从供血血管(动脉和静脉)分离,从而导致完全性肠缺血。相反,在发生肠扭转等事件时,肠系膜发生扭转,通常首先阻塞静脉回流,导致组织内血液积聚,随后才出现动脉供血阻塞,从而形成出血性缺血。
缺血性损伤导致组织损害,始于绒毛顶端并向下延伸至隐窝基底部3。在缺血期间,以三磷酸腺苷(ATP)形式存在的能量持续被消耗,并生成代谢产物次黄嘌呤。当组织重新灌注氧气时,次黄嘌呤被黄嘌呤氧化酶代谢,产生超氧自由基,从而引起黏膜损伤并募集破坏组织的中性粒细胞17,18。由于不同物种在黏膜血管结构以及黄嘌呤氧化酶表达水平上的差异,再灌注损伤的程度也各不相同3。猫和啮齿类动物的缺血-再灌注模型对活性氧代谢物引起的再灌注损伤更为敏感19,20。相比之下,猪体内黄嘌呤氧化酶含量较低,因此再灌注损伤较轻,该模型更接近人类肠道缺血的情况21。目前尚未有关于使用基因敲除或转基因猪模型研究肠道损伤的报道,这成为该模型的一个主要局限性。选择合适的动物模型取决于研究人员希望研究的疾病过程或特定条件。例如,已有研究描述了长达6小时的猪缺血损伤模型22,而大多数小鼠模型中的缺血操作通常为45至60分钟23。
从正常及缺血损伤的肠道中成功分离出肠隐窝,可实现对上皮细胞在体外培养中恢复过程的研究。该系统使研究者能够单独专注于上皮层本身,因为无需考虑血管供应或免疫细胞成分的影响。这为研究上皮细胞在损伤后的相互作用与修复过程提供了机会,同时也可用于评估不同生长因子的作用,或在手术期间及隐窝分离后通过添加补充物至培养基中所施加的各种处理措施的效果。该步骤仍是整个流程中最困难的部分,因为从严重受损的肠段中分离时,需轻柔振荡,并在含有EDTA的溶液中一旦隐窝提前解离即迅速移除溶液。若这些肠段未充分清洗,隐窝在培养过程中可能存在污染风险。因此,在两种DR溶液以及IESC培养基中均添加了抗生素-抗真菌素溶液。另一个值得讨论的问题是作为正常对照所采集的肠道组织。由于动物在实验中接受了麻醉,可能导致全身组织灌注发生改变,同时缺血还可能引发循环中的炎症介质释放,因此即使是"正常"对照组织,也可能并不代表真正的对照状态。在这些实验中值得注意的是,对照组织在大体形态和组织学表现上与其他实验中未经历缺血的动物组织相似(Gonzalez, L.M.,未发表数据,2017)。
综上所述,本方法描述了一种可重复的猪肠道缺血模型,该模型能够紧密模拟人类缺血性损伤的发生过程。此外,还介绍了从缺血肠段中分离肠道干细胞的方法,可用于在体外培养条件下研究上皮修复过程及对治疗的可能反应。
作者无任何利益冲突需要披露。
本项目由美国国立卫生研究院(NIH)K01OD0199、NIH T32 OD011130、NIH P30DK034987以及临床科学系传播基金资助
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磷酸盐缓冲液,不含 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ | Fisher Scientific | BP-399 | 按 1:10 稀释 |
| 蒸馏去离子水 (ddH₂O) | 用于配制 EDTA 和 PBS | ||
| 二甲基亚砜 (DMSO) | Thermo Scientific | 20688 | |
| 乙二胺四乙酸 (EDTA) | Sigma Aldrich | ED45 | 每次实验前新鲜配制;pH 7.4 |
| 1,4-二硫苏糖醇 (DTT) | Sigma Aldrich | 646563 | |
| Y-27632 | Sigma Aldrich | Y0503 | |
| 高级 DMEM/F12 培养基 | Life Technologies | 12634-010 | |
| N2 添加剂 | Life Technologies | 17502-048 | |
| B-27 添加剂 | Life Technologies | 12587-010 | |
| HEPES | Life Technologies | 15630-106 | |
| Glutamax | Life Technologies | 35050-061 | |
| 青霉素/链霉素/两性霉素 B | Gibco | 15240-096 | 抗-抗溶液 |
| 重组人 Wnt-3a | R & D Systems | 5036 WN/CF | |
| 重组人 R-spondin1 | R & D Systems | 4645-RS | |
| 重组人 Noggin | R & D Systems | 6057-NG | |
| 重组人 EGF | R & D Systems | 236-EG | |
| LY2157299 | SelleckChem | 52230 | |
| CHIR99021 | Cayman Chemical | 13122 | |
| 人 [Leu]¹⁵-胃泌素 1 | Sigma Aldrich | G9145 | |
| SB202190 | Sigma Aldrich | 57067 | |
| A83-01 | Tocris | 2939 | |
| 烟酰胺 | Sigma Aldrich | N0636 | |
| 乙酸 | Sigma Aldrich | 695092 | |
| 注射用水(WFI 级) | Corning, Inc. | 25-055-CM | 简称无菌水 (SW);用于生长因子储备液 |
| 牛血清白蛋白 (BSA) | Sigma Aldrich | A2153 | |
| Matrigel 基质胶,GFR 级 | Corning, Inc. | 356231 | 无酚红 |
| 24 孔培养皿 | Corning, Inc. | 3524 | |
| 50 ml 锥形管 | Corning, Inc. | 430828 | |
| 手术刀柄 | World Precision Instruments | 500236 | |
| 碳钢外科手术刀片,10 号 | World Precision Instruments | 504169 | |
| 组织镊 | World Precision Instruments | 15918 | |
| Debakey 组织镊 | World Precision Instruments | 501239 | |
| Mayo 剪刀 | World Precision Instruments | 501752 | 弯型或直型 |
| Metzenbaum 剪刀 | World Precision Instruments | 501739 | |
| 蚊式钳,弯型 | World Precision Instruments | 503724-12 | 弯型或直型 (503728-12) |
| Hopkins 蛙嘴钳 | Stoelting Co. | 52120-40P | 直型 |
| 丝线,2-0 | Henry Schein | 685S-BUT | 任何类似品牌均可接受 |
| 巾钳 | World Precision Instruments | 501700 | |
| 持针器 | World Precision Instruments | V503382 | |
| 金属缝合线,20 号 | Henry Schein | 19075 | 使用前剪断并拉直 |
| 手术巾 | Henry Schein | ST1833 | 任何类似产品均可接受 |
| 乳酸林格氏液 | Henry Schein | 9851 | |
| 氯己定消毒液(4%) | Henry Schein | VINV-CHMX-SCRB | 任何类似品牌均可接受 |
| 70% 异丙醇 | Henry Schein | MS071HS | 任何类似品牌均可接受 |
| 静脉导管,22 号 | Henry Schein | 2225PUR | 根据静脉大小,可能需要 20 号或 24 号 |
| 赛拉嗪(100 mg/ml) | Henry Schein | 33198 | |
| 氯胺酮(100 mg/ml) | Henry Schein | 11695-6835-1 | 管制药品 |
| 异氟烷溶液 | Henry Schein | 10015516 | |
| 戊巴比妥钠(Fatal Plus 安乐死溶液(390 mg/ml)) | Vortech Pharm. | 有多个品牌的戊巴比妥钠可供选择 | |
| 加热垫 | Gaymar | Tpump 核心加温系统;其他型号也可使用 | |
| Mindray Datascope 监护仪 | Mindray North America | 任何等效的监护设备均可接受 | |
| 麻醉蒸发器 | Vetland Medical | 建议使用带 Y 型接头的循环系统;多家供应商可提供 | |
| 输液泵 | Abbott Hospira | Plum A+;推荐使用类似厂家产品 |