本方案的主要目的是高效分离出具有活性的原代肾小球细胞,且污染物最少,可用于多种后续实验应用。分离得到的肾小球保留了其组成细胞类型之间的结构关系,并可进行培养 离体 短暂地。
方法文章
* These authors contributed equally
本方案的主要目的是高效分离出具有活性的原代肾小球细胞,且污染物最少,可用于多种后续实验应用。分离得到的肾小球保留了其组成细胞类型之间的结构关系,并可进行培养 离体 短暂地。
维持肾小球结构和功能的完整性对于预防肾小球肾炎至关重要。肾小球肾炎是一类以蛋白尿为特征的肾脏疾病,最终可能导致慢性肾病和终末期肾病。肾小球是一种复杂的结构,负责从体内滤过血浆。在疾病状态下,其结构完整性遭到破坏,导致血浆成分异常漏入尿液中。因此,建立一种在体外培养中分离和观察肾小球的方法,对研究此类疾病具有重要意义。本实验方案描述了一种高效获取成年大鼠肾脏中完整肾小球的方法,同时保留其结构和形态学特征。该方法可从每只肾脏获得高产量的肾小球,且其他肾单位节段的污染极少。利用这些肾小球,可通过与多种化学毒素共孵育来模拟损伤状态,例如硫酸鱼精蛋白可诱导动物模型中足细胞足突融合及蛋白尿。损伤程度可通过透射电子显微镜、免疫荧光染色和蛋白质印迹法进行评估。此外,还可检测这些培养物中nephrin和Wilms肿瘤1(WT1)的表达水平。由于该方案操作简便且具有良好的灵活性,所分离的肾小球可根据研究需求以所述方式或其他适宜方式加以利用,从而更深入地研究疾病状态下肾小球的健康状况与结构变化。
肾小球是一团高度特化的毛细血管簇,负责循环血浆的滤过。它构成了肾单位的起始部分,而肾单位是肾脏的基本功能单位。肾小球的功能由三种结构共同决定:具有独特窗孔结构的毛细血管内皮、足细胞的裂孔隔膜以及位于两者之间的基底膜。这三层结构形成了一种半透性屏障,可选择性地允许物质进入滤液。通常情况下,水、离子及其他小分子可顺利通过,而较大分子则保留在血浆中。足细胞是一种特化的上皮细胞,它们在基底膜上延展,并以细胞质突起(称为足突)包绕毛细血管。相邻足细胞的足突相互交错嵌合,其间由裂孔隔膜连接,后者由nephrin、podocin、P-cadherin和ZO-1等蛋白质组成。1横切面上,这些足突在基底膜上呈均匀排列。在病变的肾小球中,足突变得明显异常或 "消失的" 导致血浆成分异常渗漏至滤过液中。因此,肾小球损伤通常表现为滤液中出现异常高水平的蛋白质(例如, 蛋白尿)和/或红细胞(例如, 血尿)出现在尿液中。此外,受损的足细胞会失去nephrin及其调控因子Wilms肿瘤1蛋白(WT1)的表达,而WT1是一种维持细胞分化状态的关键蛋白2,3肾小球是糖尿病肾病及其他肾小球肾炎(如微小病变性肾病、膜性肾病和局灶节段性肾小球硬化)损伤的主要靶点。这些疾病是进行性肾功能衰竭及终末期肾病发生的重要原因,后者是一种依赖透析或肾移植才能维持生命的疾病。因此,研究肾小球对于深入理解慢性肾脏病(CKD)的病理机制具有重要意义。
细胞培养系统对于研究肾小球生物学至关重要。由于足细胞在形成裂孔隔膜中起核心作用,且某些特定的蛋白尿疾病与裂孔隔膜蛋白的突变有关,因此大量研究合理地聚焦于分离状态的足细胞。这促使研究人员建立了可用于体外(in vitro)研究的原代足细胞系。这些细胞可在多种条件下培养,甚至可生长在可渗透性支持膜上以评估通透性4。然而,增殖细胞的分离过程往往筛选出已去分化的细胞 ,这些细胞丢失了部分足细胞标志物。为此,研究人员开发了条件性永生化足细胞,其来源于携带SV40大T抗原温度敏感型突变基因的转基因小鼠品系(例如 immortomouse),这类细胞既可在培养中增殖,又可在适当条件下诱导分化,表达全套足细胞标志物5。这些原代培养方法在理解足细胞生物学方面发挥了关键作用4,6,7。
然而,仅包含单一细胞类型的培养体系缺乏细胞间相互作用的关系 体内 以及支撑结构和基质,这些细胞的单层培养并不能完全模拟肾小球的三维结构。永生化足细胞的培养也可能繁琐且具有挑战性8,且需要拥有immortomouse或由已建立的研究者提供的起始细胞分装样本才能开始。此外,肾小球不仅包含足细胞,还包括毛细血管内皮细胞、基底膜以及为该结构提供支持的系膜细胞。因此,开发一种 离体 为所有研究者提供了一种可用于研究完整肾小球的方法,该方法可保留肾小球的天然结构及其构成正常肾小球的所有细胞。
1958年,Cook和Pickering首次描述了从兔肾中分离肾小球的方法。在观察到脂肪栓塞会滞留在肾小球后,他们推测相同大小的颗粒可用于特异性分离这些结构。事实上,将氧化铁颗粒灌注到肾脏后,这些颗粒会被肾小球捕获。通过对肾脏进行机械解离和筛分,再利用磁性分离法,即可完整且高纯度地分离出肾小球9。1971年,Misra证明可以省去氧化铁灌注步骤,直接通过筛分切碎的人、狗、兔或大鼠肾组织实现肾小球的分离10。此后,该技术根据研究者的目标进行了多种改进,但基本原理不变,最终均获得了可用于进一步研究或建立原代细胞培养的纯化肾小球样品11,12,13,14,15,16,17。
本文介绍一种从大鼠肾脏中分离完整且具有活性的肾小球的实验方案。整个流程仅需数小时即可完成。尽管肾小球不会增殖,但通过增加作为起始材料的肾脏数量,即可支持任意规模的实验设计。虽然已有发表的利用磁珠分离肾小球的方案,但这些方法需要静脉注射磁珠,成本较高,并且可能影响生物学特性,因为磁珠要么在培养过程中被肾小球滞留,要么需要通过离心进行肾小球的"裂解"并去除磁珠19。与小鼠肾小球相比,大鼠肾小球体积更大(两个月龄大鼠的肾小球直径接近100 µm18),因此使用简单的过筛技术即可更轻松地将其与其他肾脏结构分离。
作为其有效性的证据,我们对肾小球进行了表征,以展示其中不同类型的细胞。此外,还可将它们暴露于已知可损伤肾小球的试剂中 体内 我们展示了硫酸鱼精蛋白(PS)对这些培养物的不良影响。PS 是一种多聚阳离子,可中和肾小球毛细血管壁上的阴离子位点20这种中和作用对肾小球滤过屏障具有显著影响,因而会增加蛋白尿并导致足细胞足突融合。可通过免疫印迹检测nephrin和WT1等关键蛋白,以评估这些肾小球的整体健康状况。此外,还可利用光镜、免疫荧光显微镜和透射电镜对其结构进行评估。
总体而言,该方案对大多数研究人员而言均可行(仅需获得实验动物和一些简单设备即可)。由于形态学特征保持完好,研究人员能够分析肾小球,并观察肾小球内其他重要细胞类型及基质保存状况对功能和疾病进展的影响,而这是足细胞培养所不具备的优势。
本文所述所有方法均已获得匹兹堡大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1. 大鼠肾小球的分离
2. 肾小球损伤
3. 准备肾小球以进行分析
从实施安乐死到分离肾小球的整个操作流程最短可在2小时内完成,具有高通量和高效率的特点。若从8个大鼠肾脏开始操作,通过合理运用该技术,每肾可获得6,000 - 10,000个肾小球。最终悬浮液中肾小球密度高,总体纯度> 95%,仅含有极少的肾小管片段或其他细胞类型的污染(图1A, B)。此外,经OCT包埋的肾小球可用苏木精-伊红(H & E)染色以观察其形态结构(图1C)。这些肾小球在整个实验流程中(包括后续处理后)均能保持其结构完整性。我们证实,所分离的肾小球中含有结构完整且具有活性的足细胞(图2A)、系膜细胞(图2B)和内皮细胞(图2C)。
分离后,肾小球可暴露于已知的化学损伤因子中以模拟 体内 病理学。在此实验中,选择硫酸鱼精蛋白(PS)是因为其能够破坏肾小球滤过屏障的电荷,最终导致足细胞足突融合。经PS处理的肾小球中,nephrin(红色)显著减少,且WT1阳性细胞核(绿色)数量增多。 通过 免疫荧光图3A,B)。肾小球也可制备用于透射电子显微镜(图3C)。对照样本的足细胞形态正常,具有足突结构,而PS处理的肾小球则出现足突融合(图3D),这是足细胞功能障碍的标志,在 体内 使用PS构建的模型21。这也与免疫印迹检测到的nephrin减少相对应(图3E,F).
为评估细胞活力,检测了剪切型caspase-3作为凋亡的标志物。通过免疫荧光分析发现,剪切型caspase-3在细胞分离后2小时开始在少数细胞中出现(图4)。随着时间推移,表达该蛋白酶的细胞数量逐渐增多,在24小时和48小时达到最高水平。这表明细胞凋亡在培养早期即已发生,因此为了获得最佳实验结果,后续应用应在细胞分离后尽快进行。

图1.大鼠肾小球培养物分离后的典型形态。(A)肾小球培养物的明场图像。尽管本显微照片中选择的视野包含一条肾小管(箭头所示),但所获得的培养物纯度通常 > 95%。比例尺为100 µm。(B)单个肾小球的放大图像。(C)单个肾小球的苏木精-伊红染色。B和C中的比例尺均为10 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图2。分离的肾小球中保留了组成性细胞类型。 对nephrin(红色,足细胞)及细胞特异性标志物进行共聚焦免疫荧光显微镜检测,以鉴定足细胞、系膜细胞和血管内皮细胞。(A) nephrin与WT1(绿色,足细胞)的共染色。(B) nephrin与PDGFR-β(绿色,系膜细胞,箭头所示)。(C) nephrin与CD31(绿色,内皮细胞,箭头指示横截面血管)。所有图中比例尺 = 25 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 可通过诱导足细胞损伤 体外 使用分离的大鼠肾小球。 (A) 未处理肾小球培养物中nephrin和WT1的共聚焦免疫荧光显微镜图像。可见线性nephrin染色(红色)及WT1阳性细胞核(绿色),这通常是健康足细胞存在的典型表现。B经鱼精蛋白硫酸盐处理后,nephrin 表达减少且呈非线性分布,WT1 缺失,提示足细胞损伤。C透射电子显微镜(TEM)图像显示足细胞突起、基底膜以及有孔的内皮细胞,为典型的正常肾小球结构。标尺为500 nm。D) 鱼精蛋白硫酸盐作用后,足细胞足突伸长或消失(箭头),提示足细胞损伤。E)用鱼精蛋白硫酸盐处理后,nephrin 蛋白印迹显示 nephrin 减少。FWestern blot 的肌动蛋白上样对照如图所示。 请点击此处以查看该图的放大版本。

图 4.分离肾小球中细胞活力的评估。 进行了针对cleaved caspase-3(绿色)的共聚焦免疫荧光显微镜检测。同时对nephrin进行共染色,以便于定位肾小球。在肾小球分离后0小时和1小时时未见cleaved caspase-3阳性信号,但在2小时时已有少量细胞出现荧光信号。随着分离后时间延长,阳性细胞数量逐渐增多。在24小时和48小时时观察到最多数量的caspase-3阳性细胞。请点击此处查看该图的放大版本。
这是一种利用廉价且可重复使用的设备,通过简单方案从大鼠肾脏中高效回收肾小球的方法。与所有实验操作一样,该方法在应用上也存在一定的局限性。首先,尽管我们获得的纯度超过> 95%,但由于该方案依赖筛分原理,且起始材料本身存在杂质,因此无法完全排除所有污染物,培养物中仍会存在少量红细胞和偶见的肾小管片段。我们认为这些微量污染物在绝大多数应用中不会构成问题。第二,该筛分方案依赖于使用大鼠肾脏,其中肾小球的尺寸明显大于小鼠。若需获取小鼠肾小球,已有采用商用磁珠(例如,Dynabeads)的技术发表22。第三,已有研究表明,从分离的肾小球中检测到的某些特定mRNA(如纤溶酶原激活物抑制因子-1和I型胶原)几乎完全来源于肾小囊(Bowman's capsule),而非肾小球内细胞23。如果尝试从这些肾小球中进行mRNA提取,可能导致错误的结论。需要指出的是,在我们实验条件下,大多数肾小球已脱去肾小囊,因此应不会受到肾小囊成分的显著影响。第四,在培养条件下,细胞死亡相对较快地开始发生。
我们发现,凋亡程序在培养2小时时即被激活,表现为裂解型caspase-3的出现。这与先前的报道基本一致,已有研究通过DNA片段化、TUNEL染色和组织学分析证实,凋亡在分离后1–2小时内即开始发生24。然而,也应注意早期观察结果表明,分离并过筛的肾小球在培养至少3小时后仍可检测到代谢活性,提示在此时间点细胞仍具有较高的存活率16。尽管如此,基于我们的实验结果,我们认为为了获得最佳效果,应立即使用分离的肾小球进行后续实验。我们建议所有实验均应在72小时内完成,因为我们观察到超过该时间点后,整个肾小球结构开始出现退化。
相较于仅使用2个肾脏,起始时使用4-8个肾脏更容易获得较高的产量,因为部分肾小球会因粘附在各种筛网上而丢失;但一旦筛网表面完全被覆盖,便不会再有额外的损失。基于同样原因,在使用前需将筛网浸泡于BSA/PBS缓冲液中,以减少肾小球在干燥筛网上的粘附,并应尽量将组织接触限制在筛网的一个边缘。我们建议至少使用6个肾脏(3只大鼠)以获得合理的产量。
一些研究者已从分离的肾小球中获得了原代足细胞培养物,这些细胞在培养过程中倾向于从肾小球中迁移出来17。我们注意到,部分分离的肾小球会黏附于培养皿的塑料表面,并在较晚的时间点(分离后72小时)开始有细胞从肾小球结构中迁移出来。对这些细胞的研究超出了本分离方案的范围,且目前尚存争议:这些细胞究竟是足细胞、壁层上皮细胞,还是两者兼有15,25。值得注意的是,Mundel et al. 报道指出,从筛分获得的肾小球中收获的铺路石样细胞可在特定培养条件下被诱导分化为成熟足细胞26。关于细胞身份的某些混淆可能取决于分离的肾小球在筛分过程中是否保留包囊(包括含有壁层上皮细胞的鲍曼囊)或已被去囊。在我们的操作中,使用180、90和75 µm的连续筛网尺寸,导致大多数肾小球被去囊。
大多数蛋白尿性慢性肾病是由于肾小球通透性增加所致。一些研究者已采用分离的肾小球进行研究 离体 通透性实验。在一种方法中,通过改变周围介质的渗透压后肾小球体积的变化来估算通透性27最近,已有研究建立了一种方法,可通过定量分离出的肾小球中荧光探针的渗漏来测量通透性,并可在暴露于肾小球疾病实验模型的啮齿类动物中进行该检测。28.
我们注意到,在透射电镜制样过程中,有时会观察到足细胞足突从基底膜上脱离。我们认为这种情况在培养过程中并未发生,更可能是透射电镜样品制备过程中的假象。值得注意的是,即使出现此类现象,仍可清楚判断足突形态是"正常"还是已经足突融合。
总体而言,本方案提供了一种评估损伤后形态学和细胞变化的方法。我们预计,该技术可作为分离的足细胞培养的辅助技术,尤其适用于研究与细胞外基质或其他原代细胞类型相互作用的情况。该方法有望加深对蛋白尿性慢性肾病(CKD)的理解,从而提高未来针对这种致残性疾病开发治疗手段的能力。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了美国心脏协会基金 FTF 16990086、美国国立卫生研究院 P30 DK079307、美国肾脏病学会 Gottschalk 奖、匹兹堡大学医学中心竞争性医学研究基金奖以及匹兹堡大学医师学术基金会奖的支持。我们感谢 Gerard Apodaca 在肾小球组织学分析保存方面的技术建议,感谢 Mara Sullivan 和 Ming Sun 在电子显微镜方面的协助,以及 Yingjian Li 和 Youhua Liu 在本实验方案中的技术指导。我们还感谢 Cynthia St. Hilaire 提供 CD31 抗体。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 溶液、化学品与实验动物 | |||
| Sprague-Dawley 大鼠 | Envigo | 207M | |
| 牛血清白蛋白 | Fisher | BP1605100 | |
| 含 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 的 Hank's 平衡盐溶液 | 赛默飞世尔科技 | 14025092 | |
| 1×磷酸盐缓冲液 | VWR | 97063-660 | |
| 硫酸鱼精蛋白 | MP Bio | ICN15197105 | |
| 卡诺夫斯基固定液 | |||
| 明胶 | |||
| 多聚甲醛 | EMD | EM-PX0055-3 | |
| O.C.T. | Scigen | 23730571 | |
| RIPA缓冲液 | |||
| 蛋白酶抑制剂 | 赛默飞世尔科技 | PI78442 | |
| Nephrin 抗体 | Fitzgerald | 2OR-NP002 | |
| WT-1 抗体 | Abcam | ab89901-10ul | |
| PDGFR-β 抗体 | 细胞信号传导 | #3169S | |
| CD31 抗体 | LSBio | LS-C348736 | |
| cleaved caspase-3 抗体 | 细胞信号传导 | 9661S | |
| Poly/Bed 812(Luft)环氧树脂 | Polysciences | 08792-1 | |
| 仪器设备 | |||
| 二氧化碳培养箱 | |||
| 15 mL 锥形管 | |||
| 50 mL 锥形管 | |||
| 手术剪 | |||
| 手术镊 | |||
| 无菌纱布 | |||
| 培养皿,100 mm | |||
| 手术刀 | |||
| 剃刀刀片 | |||
| 无菌过滤装置 | |||
| 筛盘 | Alfa Aesar | AA39999ON | |
| 180微米筛网 | Alfa Aesar | AA39996ON | |
| 90微米筛网 | Alfa Aesar | AA39990ON | |
| 75微米筛网 | Alfa Aesar | AA39991ON | |
| 10 mL 注射器 | |||
| 600 mL烧杯 | |||
| 细胞培养箱 | |||
| Picofuge | |||
| 涡旋混合 | |||
| 组织匀浆器 | Fisher Scientific | 50550226 | |
| 20 号针头 | |||
| Leica Reichart Ultracut | 超薄切片机 |
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