本实验方案的目的是从成年小鼠背部皮肤中分离表皮角质形成细胞,用于多种后续应用,如分子生物学、生物化学、荧光激活细胞分选以及原代体外培养(例如,克隆形成性角质形成细胞)。
本实验方案的目的是从成年小鼠背部皮肤中分离表皮角质形成细胞,用于多种后续应用,如分子生物学、生物化学、荧光激活细胞分选以及原代体外培养(例如,克隆形成性角质形成细胞)。
本文所述方案是一种从成年雌性小鼠(54 ± 2 日龄)中可靠分离原代角质形成细胞的方法,每只小鼠可获得约 30 × 106 个活细胞。原代成年小鼠角质形成细胞取自雌性小鼠的背部皮肤。根据实验需求,也可使用雄性小鼠(约 6 周龄)进行角质形成细胞的分离。处死小鼠后,将其剃毛,并依次用聚维酮碘和乙醇溶液(70% 酒精)进行多次清洗消毒。消毒后,剥离小鼠背部皮肤,并用手术刀去除皮下脂肪和肌肉组织,弃去。将皮肤切成小片,采用温和的低温胰蛋白酶消化处理,使真皮下层与表皮分离。刮取的表皮组织在低速搅拌下悬浮,过滤去除毛发,计数后重新悬浮于培养基中。该方法可获得高质量的单细胞悬液,细胞培养活性高,适用于多种后续实验应用。
哺乳动物的皮肤覆盖整个身体,具有多种功能(例如,作为主要的物理屏障、调节体温以及保持水分)。在过去五十年中,对小鼠皮肤的基础研究揭示了皮肤结构与功能的新信息。小鼠皮肤模型极大地促进了人们对化学物质或紫外线辐射诱导癌变背后复杂分子机制基本生物学的理解。这些小鼠皮肤模型为理解人类皮肤疾病及其防治作出了重要贡献。为了进一步在毛囊发育生物学、干细胞研究、癌变过程以及表皮遗传学探索中进行分子层面的深入分析,通常需要从小鼠皮肤中分离并培养原代上皮角质形成细胞,以便与体内实验平行使用。开发该方法的主要动因是需要一种用于克隆形成性表皮及毛囊干细胞的体外检测手段1,2。此外,还迫切需要获得适用于克隆形成分析3、荧光激活细胞分选以及流式细胞术3,4的表皮细胞单细胞悬液。该方法的优势在于收获细胞数量比其他方法提高一个数量级5,6,能够包含毛囊的上皮部分,并且所收获细胞具有很高的可培养性。在20世纪80年代,尚无已知方法能满足这些要求。在随后的年份中,该方法经过优化以进一步提高细胞产量。该方法的主要局限性在于可能会遮蔽某些对胰蛋白酶敏感的抗体,从而影响免疫反应活性6。
小鼠的饲养管理遵循特定病原体阴性(Specific Pathogen Free)指南。取1至5只雌性小鼠,年龄为54 ± 2天。在年龄较大的小鼠中,由于毛发周期的生长期(anagen phase),角质形成细胞的活力会降低。此外,与年轻小鼠相比,胰蛋白酶消化过程也更为困难。该组织收获方案已针对雌性小鼠较薄的皮肤进行了成功优化。通常不使用雄性小鼠进行角质形成细胞的分离,因为在饲养过程中雄性小鼠容易相互争斗,从而可能在皮肤上留下抓痕或伤口。
所有脊椎动物使用方案均已获得明尼苏达大学机构动物护理和使用委员会的批准,符合美国国立卫生研究院(NIH)和政府推荐的指南。
1. 饲养层的初始化与传代培养
2. X射线照射和接种用3T3饲养层的制备
3. 原代角质形成细胞的分离与接种
通常,每只小鼠可获得的表皮角质形成细胞产量约为 20 × 106 至 30 × 106 个拒染台盼蓝的细胞8,9。细胞活力范围为 80%–90%。典型的接种效率约为接种后 24 小时时有 30% 的细胞贴壁。在经照射的 3T3 饲养层上,C57BL/6 小鼠每 1,000 个有活力细胞可形成约 60 个克隆,而 Swiss 型小鼠每 1,000 个细胞可形成约 30 个克隆10,11。克隆形成实验的典型结果如图 1所示。C57BL/6 小鼠毛囊干细胞中 CD34+/CD49f+ 干细胞的比例约为 9%12。流式细胞术的典型结果见图 2。
四种不同培养基的生长特性如图3所示。测试的培养基包括KGM-gold、SFM、William's E培养基和Morris-2(一种由Morris实验室基于William's E改良的低钙培养基)。

图 1:成年小鼠角质形成细胞克隆形成实验的代表性结果。 本照片展示了来自54日龄CD-1雌性小鼠的角质形成细胞在局部施用以下处理后的集落形成情况:1)无处理;2)丙酮处理,一周后每周两次丙酮处理,持续两周;3)DMBA处理,一周后每周两次丙酮处理,持续两周;4)丙酮处理,一周后每周两次TPA处理,持续两周;5)DMBA处理,一周后每周两次TPA处理,持续两周。体内处理后,收集角质形成细胞并以每皿1,000个细胞接种于经辐照的3T3饲养层上,培养两周。随后用缓冲福尔马林固定培养皿,并用罗丹明B染色。每列中的培养皿为各小鼠处理组的重复样本。请注意,经DMBA处理后较大集落的数量增加;而在收获角质形成细胞前经TPA处理的小鼠中,总集落数量增加。缩写:DMBA:7,12-二甲基苯并[a]蒽;TPA:12-O-十四酰基佛波醇-13-乙酸酯。请点击此处查看本图的放大版本。

图2:成年小鼠毛囊干细胞流式细胞术的代表性示例。 简言之,从成年小鼠背部皮肤分离原代角质形成细胞,并使用细胞滤器去除细胞碎片。将分离得到的角质形成细胞悬液用CD49f或α6-整合素(PE标记)、CD34(FITC标记)抗体以及活死细胞染料和其他对照进行标记。补偿实验使用FITC和PE同型对照抗体(大鼠IgG2akappa)(见材料表)。干细胞通过CD49f(PE通道)和CD34(FITC通道)进行鉴定:CD49f识别位于表皮基底层细胞和毛囊细胞上的半桥粒外部组分,CD34则识别毛囊干细胞(即CD34-FITC+ 和 a6-PE+ 细胞,位于右上象限,共占5%)。右侧图示展示了不同角质形成细胞亚群,包括仅CD34-FITC阳性、CD34-FITC与a6-PE双阳性(干细胞群体)、仅a6-PE阳性以及未染色细胞。请注意,如先前报道6,14,存在两个CD34+ 干细胞亚群。请点击此处查看本图的放大版本。

图3:四种不同培养基对成年雌性小鼠表皮细胞原代培养的影响比较。 从成年雌性小鼠背部皮肤分离得到的原代角质形成细胞,使用四种不同培养基(KGM、SFM、William's-E 和 Morris-2)进行接种计数。将等量的角质形成细胞接种后,观察其总体形态和生长模式。需注意,增殖中的角质形成细胞具有略微不同的形态。KGM、SFM 和 Morris-2 均为低钙培养基,在培养14天后表现出最显著的生长活性。相比之下,在含有1.4 mM钙离子及高钾钠比的William's E培养基中,细胞无法长期存活。令人意外的是,添加补充物及20%胎牛血清的William's E培养基在支持角质形成细胞克隆培养方面显著优于其他测试培养基,这可能是因为营养强化的William's E培养基更有利于3T3饲养层细胞发挥“喂养”作用。请点击此处查看该图的放大版本。
| 溶液与培养基 | 评论 |
| 收获溶液 | |
| 2.5% 胰蛋白酶(5 mL) | |
| Dulbecco's PBS(500 mL) | |
| 庆大霉素(2 mL) | |
| 含2倍浓度庆大霉素的PBS(45 mL) | |
| 含2倍浓度庆大霉素的磷酸盐缓冲液(PBS) | |
| 胰蛋白酶溶液 | |
| 细胞培养溶液 | |
| Purecol-纤维连接蛋白包被溶液: | |
| 1 M HEPES(1 mL) | |
| 116 mM CaCl2(1 mL) | |
| 牛血清白蛋白 1.0 mg/mL (10 mL) | |
| 细胞培养基(100 mL) | |
| 纤维连接蛋白(1 mg) | |
| Purecol 胶原蛋白(1 mL) | |
| 细胞冻存液 | |
| DMSO(2 mL) | |
| 含10% BCS和青霉素-链霉素的DMEM | |
| 收获培养基 | 需不含钙 |
| 2x 庆大霉素(1 mL) | |
| FBS(50 mL) | |
| SMEM(500 mL) | |
| 高钙Williams' E培养基,含: | |
| EGF(5 µg/mL) 1 mL | |
| 谷氨酰胺 14.5 mL | |
| 氢化可的松(1 mg/mL)0.5 mL | |
| 胰岛素 1 mL | |
| LinoAcid-BSA(0.1 mg/mL)0.5 mL | |
| MEM必需氨基酸 4 mL | |
| MEM维生素 5 mL | |
| 青霉素-链霉素 5 mL | |
| 转铁蛋白(5 mg/mL)1 mL | |
| 维生素A(1 mg/1,000 µL) 57.5 µL | |
| 维生素E 1 mg/mL (4°C) 3.5 µL | |
| 维生素 D2(10 mg/mL) 50 µL | |
| 3T3成纤维细胞完全生长培养基(CGM) | |
| BCS(100 mL) | |
| DMEM(900 mL) | |
| 青霉素-链霉素溶液(10 mL) | |
| KGM | 用于大规模培养的培养基是一种钙含量降低的培养基 |
| 含 Williams' E 相同补充剂的 Morris 2 培养基 | 一种含补充剂的威廉姆斯E培养基低钙变体 |
表1:溶液与培养基配方。
本文所述的角质形成细胞分离方法旨在从成年雌性小鼠背部获得高产量且具有高度可培养性的原代表皮角质形成细胞。这些角质形成细胞适用于流式细胞术、分子生物学应用以及原代细胞培养,包括本文报道的克隆形成实验。该角质形成细胞分离方法也已成功应用于皮肤化学致癌及肿瘤促进作用中其他下游环节的研究1,13。
该方案中有几个关键步骤。首先,为了确保实验的严谨性和可重复性,采用了年龄为54 ± 2天的雌性小鼠。这使我们能够从多种小鼠品系中进行灵敏且定量的克隆形成实验,并将其作为表型用于连锁分析,从而鉴定出至少一个全新的干细胞调控基因。10,11其次,将皮肤切成较小的碎片有助于提高胰蛋白酶消化的效果,比保持皮肤完整更有效。第三,胰蛋白酶漂浮处理的时间和温度对后续的细胞培养能力至关重要。此外,操作者需要 "明显刺入" 利用滤膜上残留的毛发来松动附着的细胞。此步骤对于获得较高产量的细胞至关重要。此外,32 °C的培养箱温度对于成年小鼠角质形成细胞的长期培养具有重要意义。最后,在本方案中,体外与体内实验可并行进行检测。1 基于原代培养而非传代培养或细胞系。值得注意的是,若首次采用本方案收获原代角质形成细胞,建议在刮取后保留剩余的真皮组织,以便通过组织病理学观察确认毛囊随表皮组织被完全去除。
本方案在分离成年小鼠角质形成细胞方面的主要优势在于,能够获得高产量且可培养的细胞,适用于多种下游应用。其主要局限性在于,某些细胞表面表位可能对胰蛋白酶消化敏感,从而影响免疫染色效果。因此,在测试新的细胞表面抗体时,建议采用基于分散酶6或热蛋白酶5的方法进行细胞收获,并与本方案进行比较。本方案的意义在于,其已得到严格验证、定量评估,并成功应用于多种不同研究场景,包括克隆性干细胞检测1,9,10,11、生物化学中的大规模培养8、干细胞分析中的FACS分选3,4、分子生物学实验3,12,以及正在进行的RNA和DNA测序研究。
作者无任何利益冲突需要披露。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.4% 台盼蓝 1× 溶液(溶于 0.9% 生理盐水) | Life Technologies Gibco | 15250-061 | |
| 1 M HEPES 缓冲液 | Sigma | H0887 | 无菌 |
| 1.5 英寸带枢轴环磁力搅拌子 | Bel-Art, Wayne | 371101128 | 置于 2 oz Nalgene 广口瓶中 |
| 10 mL 一次性移液管 | BD Falcon | 357551 | |
| 15 mL 无菌锥形离心管 | BD Falcon | 352097 | |
| 150 cm2 (T-150) 培养瓶 | Corning | 430825 | |
| 2 mL 螺口离心管(锥形) | Sarstedt | 72.608 | |
| 2 oz Nalgene 广口瓶 | Thermo Fisher Scientific | 2118-0002 | 60 mL |
| 2.5% 胰蛋白酶溶液 10× | Life Technologies Gibco | 15090-046 | |
| 225 cm2 (T-225) 培养瓶 | Corning | 431082 | |
| 32 oz Nalgene 方形储存瓶:PETG 材质 | Thermo Fisher Scientific | 2019-1000 | 1000 mL |
| 35 mm 无菌培养皿 | Corning | 430165 | |
| 5 mL 一次性移液管 | BD Falcon | 357543 | |
| 50 mL 无菌锥形离心管 | BD Falcon | 352098 | |
| 60 mm 无菌培养皿 | Corning | 430166 | |
| 70% 乙醇 | |||
| 90 mm 直径 Spectra Mesh 滤膜,孔径 74 µm | Spectrum Laboratories | 145956 | |
| 抗生素(青霉素-链霉素) | Life Technologies Gibco | 15140-122 | |
| 新生牛血清 (BCS) | Thermo Fisher Scientific Hyclone | SH30073.03 | |
| 牛血清白蛋白 | BD Biosciences | 354331 | |
| CD34 Ram34 FITC 标记抗体 | BD Pharmingen | 553733 | |
| CD49f (alpha6-整合素, GOH3) PE 标记抗体 | BD Pharmingen | 555736 | |
| 细胞筛,70 µm,无菌 | BD Discovery Labware | 352350 | |
| 牛胶原蛋白 I 型,30 mg | BD Biosciences | 354231 | |
| CoolCell 经济型细胞冻存盒,适用于 1 或 2 mL 冻存管 | Biocison | BCS-136PK | |
| Corning 2 mL 聚丙烯冻存管,自立式圆底 | Corning | 430659 | |
| 二甲基亚砜 (DMSO) | Sigma | D2650 | |
| 新鲜制备的去离子水(Milli-Q 水) | 现配;经两次蒸馏的反渗透水 | ||
| Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液 1×,不含 Ca2+ 和 Mg2+ | Life Technologies Gibco | 14190-144 | 无菌 |
| DMEM 培养基(Dulbecco 改良 Eagle 培养基) | ATCC | 30-2002 | |
| 胎牛血清 (FBS) | Thermo Fisher Scientific Hyclone | SH 300070.03 | |
| 纤连蛋白 | Sigma | F1141-5MG | |
| Fisherbrand 4 oz 无菌样本容器 | Fisher Scientific | 16-320-730 | |
| 庆大霉素 50 mg/mL 10× | Life Technologies Gibco | 15750-060 | |
| KGM 培养基 | Lonza | CC-3103 | |
| Nalgene “Mr. Frosty" 细胞冻存盒 | Thermo Fisher Scientific | 5100-0001 | |
| Nalgene PC 直壁广口瓶,16 oz | Thermo Fisher Scientific | 2116-0500 | |
| 22 号无菌不锈钢刀片 | BD Bard-Parker | 371222 | |
| 4 号手术刀柄 | Biomedical Research Instruments | 26-1200 | 置于盛有 70% 乙醇的容器中 |
| 一对全弯眼科镊 | Militex | 18-784 | 置于盛有 70% 乙醇的容器中 |
| 一把剪刀 | Biomedical Research Instruments | 25-1050 | 置于盛有 70% 乙醇的容器中 |
| 一对拇指镊 | Militex | 6-4 | 置于盛有 70% 乙醇的容器中 |
| Oster Pro-Cord/无线修剪器,40 号刀头 | Jarden Consumer Solutions/Oster | 78997-010 | |
| 塑料培养皿,100 mm × 20 mm,无菌 | Corning | 430167 | |
| Pyrex 品牌无茎玻璃漏斗 | Corning | 6240-75 | |
| 大鼠 IgG2aκ FITC 同型对照抗体 | BD Pharmingen | 553929 | |
| 大鼠 IgG2aκ PE 同型对照抗体 | BD Pharmingen | 555844 | |
| SFM 培养基 | Life Technologies Gibco | 10725-018 | |
| SMEM 培养基 | Life Technologies Gibco | 11380-037 | |
| SMEM:不含 Ca2+ 和 Mg2+ 的最低必需培养基,用于悬浮培养 | Life Technologies Gibco | 11380-037 | |
| 无菌方形塑料培养皿 | BD Falcon | 351112 | |
| Swiss 小鼠 3T3 成纤维细胞 | ATCC | CCL-92 | 传代次数不超过 10 代 |
| Triadine;10% 聚维酮碘皮肤消毒液,16 oz | Triad Group | 10-8216 | |
| VWR 塑料培养皿,无菌,节省空间型 100 × 10 | VWR | 25384-324 | |
| Williams E 培养基 | Life Technologies Gibco | 12551-032 | |
| Ziploc 密封袋 |
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