本文介绍了体外乳腺球自我更新定量实验的结果实施与解读方法。
本文介绍了体外乳腺球自我更新定量实验的结果实施与解读方法。
乳腺具有强大的再生能力,因其在女性生命周期中会经历显著的激素变化。乳腺干细胞(MaSCs)的作用在生理/发育背景以及乳腺癌发生方面均受到广泛关注。在这一领域,针对MaSC特性的体外研究备受重视。乳腺球培养是器官形成的替代模型,已成为基础研究和转化研究中的重要工具。本文介绍了一种建立小鼠原代乳腺球培养体系及定量分析MaSC生长特性的详细方案。该方案包括乳腺组织的采集与消化、原代乳腺上皮细胞(MECs)的分离、原代乳腺球培养体系的建立、连续传代、乳腺球生长参数的定量分析以及结果解读。作为示例,我们展示了低水平组成型Myc表达对正常MECs的影响,可导致其自我更新能力和增殖能力增强。
乳腺上皮干细胞和前体细胞的分离及体外培养已成为理解其在乳腺细胞生物学中特性的关键。巧妙的谱系示踪和连续移植实验使得研究人员能够在体内微环境背景下研究干细胞(SCs)及其他组织亚群。然而,该方法耗时较长,且需要构建报告基因小鼠模型1,2,3,4,5。因此,在体外培养和扩增乳腺干细胞(MaSCs)的同时保留其关键的干性特征,即自我更新能力和分化潜能,是该领域面临的最大挑战之一。近年来,乳腺球形成实验被广泛用于模拟正常乳腺组织和乳腺癌的生长过程,用于定量分析正常或肿瘤干细胞(CSCs),并以其自我更新能力作为替代指标,评估其在相应体内环境中的活性6,7,8,9,10,11。
乳腺球实验是一种高效且经济的方法,该方法将新分离的乳腺上皮细胞(MECs)在非黏附条件下进行培养,其原理是只有乳腺干细胞(MaSCs)能够存活并在悬浮状态下形成球状结构,而其他所有类型的细胞则会因失巢凋亡(anoikis)而死亡。此外,在连续的非黏附传代培养中能够形成多代乳腺球的能力,反映了MaSCs的自我更新能力6,9,11。本文描述了一种定量乳腺球实验的详细方案,该方案最初由Dontu及其同事7建立,是对早期神经球实验12的改进,能够在非黏附、无血清的条件下,通过添加适当的生长因子,促进假定干细胞(SCs)的生长7,12。
体内实验严格按照欧盟指令2010/63执行,并经本机构动物福利组织(Organism for Animal Wellbeing——OPBA)及意大利卫生部批准(IACUC编号:762/2015和537/2017)。
1. 小鼠乳腺组织的采集与消化
2. 小鼠原代乳腺上皮细胞的分离
3. 连续乳腺球重铺板
4. 使用数字图像分析(DIA)进行类球体计数
5. 累积生长曲线计算
注意:每次传代(PN)结束时,每个孔中计数的乳腺球数量反映了在PN开始时接种的乳腺球起始细胞数量。
Myc 在正常乳腺上皮细胞中的过表达导致乳腺球起始细胞频率增加。这一效应通过双重机制实现:Myc 提高乳腺干细胞对称分裂的速率,并增加前体细胞重编程为新的乳腺干细胞的频率。11为了检测低水平组成型Myc表达的影响,我们使用了Rosa26-MycER转基因小鼠模型,其中Myc活性可通过4-羟基他莫昔芬(4-OHT)诱导15我们首先将MECs接种于超低黏附6孔板中,以去除成纤维细胞,此过程未添加4-OHT。第一次传代后,将细胞培养物分为两组:两个孔保持未处理状态(对照组),另两个孔加入200 nM 4-OHT处理(MycER)。在三个独立实验中,连续计数5次传代的细胞球数量和细胞数量表1。每代次的累积细胞数和球体数显示在 表 2. 4-OHT诱导可提高成球率和细胞生长速度,如图所示 图1.

图1:代表性实验结果。 对照组与 MycER 乳腺球的累积球体数量(A)和细胞数(B)生长曲线。数据展示为3次独立实验的平均值及标准差。请点击此处查看该图的放大版本。
| 第一次铺板 | 第二次铺板 | 第三次铺板 | 第四次铺板 | 第五次铺板 | ||||||||||||
| 铺板细胞数 | 细胞计数 | 类球体计数 | 铺板细胞数 | 细胞计数 | 类球体计数 | 铺板细胞数 | 细胞计数 | 类球体计数 | 铺板细胞数 | 细胞计数 | 类球体计数 | 铺板细胞数 | 细胞计数 | 类球体计数 | ||
| 实验1 | 对照组 | 77,000 | 50,000 | 31 | 65,000 | 58,500 | 41 | 57,000 | 30,000 | 32 | 30,000 | 22,000 | 5 | 22,000 | 0 | 0 |
| 77,000 | 81,000 | 41 | 65,000 | 55,000 | 23 | |||||||||||
| MycER | 77,000 | 31,0000 | 193 | 80,000 | 375,000 | 323 | 80,000 | 380,000 | 217 | 80,000 | 220,000 | 223 | 80,000 | 170,000 | 155 | |
| 77,000 | 110,000 | 142 | 80,000 | 505,000 | 396 | 80,000 | 270,000 | 149 | 80,000 | 290,000 | 194 | 80,000 | 250,000 | 160 | ||
| 实验2 | 对照组 | 75,000 | 75,000 | 71 | 60,000 | 17,000 | 34 | 28,000 | 45,000 | 29 | 45,000 | 13,000 | 2 | 13,000 | 0 | 0 |
| 75,000 | 47,000 | 45 | 60,000 | 11,000 | 47 | |||||||||||
| MycER | 75,000 | 200,000 | 188 | 80,000 | 225,000 | 277 | 80,000 | 230,000 | 155 | 80,000 | 210,000 | 211 | 80,000 | 100,000 | 95 | |
| 75,000 | 250,000 | 192 | 80,000 | 202,500 | 283 | 80,000 | 305,000 | 185 | 80,000 | 160,000 | 237 | 80,000 | 100,000 | 133 | ||
| 实验3 | 对照组 | 82,500 | 130,000 | 121 | 80,000 | 45,000 | 105 | 80,000 | 110,000 | 86 | 80,000 | 58,500 | 75 | 58,500 | 58,500 | 78 |
| 82,500 | 125,000 | 177 | 80,000 | 71,250 | 42 | |||||||||||
| MycER | 82,500 | 325,000 | 457 | 80,000 | 610,000 | 327 | 80,000 | 367,000 | 309 | 80,000 | 500,000 | 260 | 80,000 | 115,000 | 146 | |
| 82,500 | 475,000 | 463 | 80,000 | 455,000 | 392 | 80,000 | 415,000 | 204 | 80,000 | 470,000 | 295 | 80,000 | 185,000 | 161 | ||
表1:每代培养中计数的细胞球数量以及接种并计数的细胞数量。

表 2:接种的类球体数量及累积类球体数量与细胞数量的计算。 请点击此处查看此表格的放大版本。(右键单击以下载。)
本文介绍了一种在体外对乳腺干细胞(MaSC)生长特性进行定量描述的实验方案。以低水平组成型Myc表达对正常小鼠MaSCs的影响为例进行了说明。然而,该方法同样适用于多种不同实验条件。人或小鼠的原代细胞以及已建立的细胞系均可在无贴壁依赖的条件下培养,以建立可连续传代的乳腺球培养体系。通过在第一次传代末期(步骤3.5之后)加入病毒转导步骤,可方便地在该方案中引入基因过表达或RNA干扰。或者,也可先在贴壁条件下感染细胞,再将其接种为乳腺球进行培养。
本实验方案的一个关键环节是细胞接种密度,该密度应足够低,以避免形成聚集体而干扰结果的解读16,17。乳腺球的形态有助于解决这一模糊性问题。每次传代结束时,仅应计数结构致密、呈圆形的球体。球状体的圆度和大小均需纳入考量。通过DIA的自动化分析流程,可在客观且绝对的基础上,利用适当的阈值确保此步骤的准确性。通常,前体细胞会形成腺泡样结构或较小的细胞簇,这些应从乳腺球计数中排除。作为经验法则,我们采用100 µm直径作为阈值。最后,需注意避免将完整或未完全解离的乳腺球从一次传代转移至下一次。另一方面,过度吹打会导致细胞死亡增加。因此,若遇到此类困难,建议采用温和的胰蛋白酶消化或使用Accutase处理,并将解离后的细胞球通过40 µm滤网,以确保获得单细胞悬液。
集落形成效率(SFE)已被用作体外乳腺球培养中干细胞(SC)或肿瘤干细胞(CSC)定量的替代指标。SFE 确实可反映特定细胞群体中具有干细胞样特性的细胞比例。然而,该方法较为粗略,因其仅能提供特定时间点的信息。相比之下,通过计算累积球体数量并绘制累积生长曲线,可推断出从初始细胞接种开始,直至培养物耗尽(或对于永生化培养物而言,达到所需传代次数)期间的细胞生长速率。对生长特性的评估,首先可通过决定系数 R2 判断其偏离指数生长的程度,继而进一步评估 GR 值本身。
重要的是,累积性乳腺球生长曲线可用于评估小分子抑制剂或其他化疗药物在肿瘤干细胞(CSC)水平上的选择性作用6,11。与功能性上在5-7代后即耗竭的正常原代乳腺球不同,肿瘤来源的乳腺球往往能够无限扩增。这一特性与肿瘤干细胞无限的自我更新能力相关。通过分别绘制肿瘤细胞和乳腺球的生长曲线,可将对增殖和肿瘤干细胞自我更新的影响区分开来。预期肿瘤干细胞特异性的作用将导致累积性乳腺球生长速率下降,而对累积性细胞生长速率可能产生或不产生影响6,11。
最后,另一个研究热点是成体组织干细胞的重编程。完全发育的乳腺球由表型异质性的细胞群体组成,其中仅有一小部分细胞保留干细胞样特性,包括乳腺球形成能力以及移植到体内后再生乳腺组织的能力。6,9,11,18,19因此,可以通过体外标记保留实验分离乳腺前体细胞6,9,11 或利用已确立的表面标志物进行离体实验2,3值得注意的是,乳腺前体细胞无法在失巢凋亡中存活,也不能形成乳腺球。已有研究表明,强制性表达Myc可赋予经PKHneg分离的乳腺前体细胞以启动乳腺球形成的能力。11,从而获得可无限传代的细胞系。类似地,也可利用相同的实验方法检测生理重编程的负向调控因子的干扰作用。在此过程中,可能出现的一个常见问题是细胞起始数量有限。若起始细胞数低于10,000个,建议在24孔板中进行接种(每毫升最多接种5,000个活细胞)。然而,无贴壁依赖的培养条件可能对重编程效率的评估过于严苛,尤其是在重编程效应不立即显现的情况下。此时,使用支持性基质及三维类器官培养体系可能更为合适。20.
总体而言,乳腺球形成实验是一种经济高效的方案,可广泛用于评估正常及肿瘤性乳腺上皮细胞群体中的干细胞样特性。本实验方案采用定量方法,便于对不同培养条件或经不同刺激处理的细胞培养结果进行比较。若严格遵循本方案操作,可提供一个相对简单的体外模型系统,有助于解析体内决定干细胞特性的多种因素,从而为更深入的机制研究创造可能。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢布鲁诺·阿马蒂(Bruno Amati)惠赠Rosa26-MycER转基因小鼠模型。本工作由世界癌症研究基金会(WWCR)、意大利癌症研究协会(AIRC)、欧洲研究委员会(ERC)和意大利卫生部资助,资助对象为P.G.P.。T.V.和X.A.由意大利癌症研究基金会(FIRC)支持,A.S.由FUV基金资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ACK 裂解缓冲液 | Lonza | 10-548E | 氯化铵-氯化钾裂解缓冲液,100 mL。 |
| B27 | Invitrogen | 17504-044 | B27 添加剂 50 倍浓缩液(10 mL)。终浓度为 2%(v/v)。 |
| bFGF | Peprotech | 100-18B | 人重组碱性成纤维细胞生长因子,50 μg。储存液为 100 μg/μL,溶于 5 mM Tris 缓冲液(pH 7.6)。终稀释比例为 0.02%(v/v)。 |
| 胶原酶 | Sigma | C2674 | 来源于Clostridium histolyticum的胶原酶,I-A 型,冻干粉末,1 g。储存液为 20,000 U/mL,溶于 DMEM。终稀释比例为 1%(v/v)。 |
| DMEM | Lonza | 12-614F | 杜氏改良伊格尔培养基 |
| DPBS | Microgem | S17859L0615 | 杜氏磷酸盐缓冲液 |
| EGF | Tebu-Bio | AF-100-15 | 人重组表皮生长因子。储存液为 100 μg/mL,溶于无菌 dH2O。终稀释比例为 0.02%(v/v)。 |
| 谷氨酰胺 | Lonza | 17-605E | L-谷氨酰胺,200 mM。终稀释比例为 1%(v/v)。 |
| 肝素 | PharmaTex | 34692032 | 储存液浓度为 5,000 IU/mL。终稀释比例为 0.008%(v/v)。 |
| 透明质酸酶 | Sigma | H4272 | IV-S 型,粉末,固体中酶活性为 750–3,000 U/mg,30 mg。储存液为 10 mg/mL,溶于无菌 dH2O。终稀释比例为 1%(v/v)。 |
| 氢化可的松 | Sigma | H0888 | 储存液浓度为 100 μg/mL。终稀释比例为 0.5%(v/v)。 |
| 胰岛素 | SAFCBiosciences | 91077C | 人重组胰岛素,干粉,250 mg。储存液浓度为 1 mg/mL。终稀释比例为 0.5%(v/v)。 |
| 低吸附 6 孔板 | Corning | 351146 | 无菌 6 孔未处理细胞培养板,带透明平底和盖子。 |
| MEBM | Lonza | CC-3151 | 乳腺上皮细胞生长基础培养基 |
| 青霉素-链霉素混合液 | Lonza | 17-602F | 每毫升含 10,000 U 钾盐青霉素和 10,000 µg 硫酸链霉素,溶于 0.85% 生理盐水。终稀释比例为 1%(v/v)。 |
| Poly-HEMA | Sigma | P3932 | 溶于 95% 乙醇中,55 °C 过夜溶解。储存液浓度为 12%(w/v)。使用前以 95% 乙醇稀释至 1%(v/v),过滤(0.22 μm)。 |