本方案描述了如何利用培养30天的小鼠晚期胎儿肠类器官在体外模拟哺乳到断奶的过渡过程。
本方案描述了如何利用培养30天的小鼠晚期胎儿肠类器官在体外模拟哺乳到断奶的过渡过程。
哺乳期结束时,许多哺乳动物的肠上皮会发生显著变化,这些变化与消化固体食物的能力相关。该过程被称为哺乳期向断奶期的转变,其特征是新生上皮被成年上皮所取代,并伴随代谢和形态学上的调整。这些复杂的发育性变化源于肠上皮细胞内在的遗传程序,但在一定程度上可受到外源性因素的调控。对小鼠晚期胎儿来源的原代肠上皮细胞进行长期培养,可在体外重现哺乳期向断奶期的转变过程。本文介绍了一种适用于在体外模拟该过程的小鼠胎儿肠类器官培养的详细实验方案。我们描述了多种可用于随时间监测与哺乳期向断奶期转变相关的肠道功能变化的实用检测方法。此外,我们还提供了一个外源性因子在体内影响哺乳期向断奶期转变的示例,以代表在体外调控该转变时机的可能性。这种体外方法可用于研究哺乳期向断奶期转变的分子机制及其调控因子。重要的是,从动物实验伦理的角度出发,替代 i通过体外模型研究体内模型,有助于优化动物实验,甚至可能减少用于研究肠道成熟过程的动物使用数量。
在包括小鼠和人类在内的多种哺乳动物中,新生个体的肠道具有若干与完全成熟的肠上皮不同的特征。这些特征有助于新生肠上皮细胞消化和吸收富含脂肪、碳水化合物含量较低的乳汁,其中乳糖是主要的碳水化合物。新生肠上皮细胞的刷状缘表达双糖酶乳糖酶-根皮苷水解酶(Lct)1,以消化乳汁中的双糖乳糖。在哺乳期结束后,肠上皮细胞适应于消化富含复杂碳水化合物而脂肪含量较低的固体食物。这一转变表现为刷状缘双糖酶的表达由乳糖酶转变为蔗糖酶-异麦芽糖酶(Sis)和海藻糖酶(Treh),这些酶能够消化固体食物中存在的更复杂的碳水化合物2。另一个代谢转变与乳汁中精氨酸浓度较低有关。为了满足对精氨酸的需求,新生肠上皮细胞表达精氨酸生物合成的限速酶——精氨琥珀酸合成酶-1(Ass1),以合成精氨酸3。相比之下,成年肠上皮细胞表达精氨酸酶2(Arg2),该酶可分解在固体食物中含量丰富的精氨酸。此外,新生肠上皮表达免疫球蛋白的新生Fc受体(FcRn),介导母源IgG从乳汁吸收进入血液循环4。FcRn的表达在哺乳期向断奶期过渡过程中显著下降5。在小鼠中,潘氏细胞的成熟发生在出生后,与隐窝的形成和成熟同步,并以表达溶菌酶(Lyz)和防御素等抗菌肽为特征6。
所有这些变化均属于哺乳到断奶的转变过程,该过程在小鼠出生后逐渐发生,持续至一个月龄左右,此时肠上皮达到成熟的成年状态。哺乳到断奶的转变由肠道内在调控机制决定,并随发育程序进行。转录因子B淋巴细胞诱导成熟蛋白-1(Blimp-1)在这一内在成熟过程中发挥关键作用7。Blimp-1在新生期上皮中高表达,而在哺乳到断奶的转变过程中其表达逐渐下降并最终消失,因此可作为新生期肠上皮的可靠标志物。尽管该过程主要由内在机制调控,但也可受到外界因素的影响。例如,皮质醇的合成类似物地塞米松已被证实可在体内加速肠道成熟8,9。
目前用于研究肠道上皮成熟过程(包括哺乳期向断奶期转变)的体外模型,多采用成年上皮细胞系和/或成年类器官,这些模型具有成年肠道上皮的特征。我们近期已证明,从晚期胎儿肠道分离的原代肠道上皮细胞在体外培养形成类器官时,能够成熟并重现哺乳期向断奶期的转变过程10我们进一步证明,该肠道体外成熟过程的速度与体内过程相同。最后,我们采用地塞米松以加速成熟过程,其方式与文献中所述的相同。 体内 研究。
本文概述了一种用于分离和培养小鼠晚期胎儿肠道类器官的精确方案。我们描述了为长期类器官培养而采集样本的最佳方法,以及在体外监测哺乳期向断奶期过渡的技术。该方案可用于研究肠道上皮成熟过程及其调控因子的体外实验,有助于提高数据的通量、质量及转化价值,并减少动物使用量。
本研究严格遵循阿姆斯特丹大学动物实验伦理委员会制定的实验动物护理与使用机构指南,并完全符合欧盟关于为科学目的使用动物的指令2010/63/EU(ALC312)以及荷兰动物研究相关国家法规。
1. 胎儿小肠类器官的分离
2. 胎儿类器官的培养
3. RNA和蛋白质水平的成熟度分析
4. 外源性因素(以地塞米松为例)对类器官成熟过程的影响
胎儿肠上皮细胞的长期培养
体外模拟哺乳期向断奶期过渡的实验方案依赖于在长期培养过程中对胎儿类器官的正确操作。从小鼠 E18-E20 胚胎中分离出的近端和远端肠道组织按(图1)所示进行分离。分离后,将上皮细胞接种于细胞外基质凝胶滴中(图2)。胎儿类器官通常需要经过四次传代、约 28–30 天的培养,才能成熟至成体状态。在此期间,可收集处于不同成熟阶段的细胞(图3)。
体外模拟哺乳期到断奶期转变的代表性下游分析
为确认分离得到的胎儿类器官具有明确的近端或远端特征,需比较近端标志物如一剪切结构域家族成员2(Onecut2)和GATA结合蛋白4(Gata4)以及远端标志物如脂肪酸结合蛋白6(Fabp6)和鸟苷酸环化酶激活因子2A(Guca2a)在近端与远端类器官培养物中的表达水平(图4A,B)。体外哺乳期到断奶期的转变可通过两组基因进行监测:胎儿期标志物(图4C)和成体标志物(图4D)。在培养过程中,胎儿期标志物的表达应逐渐下降,而成体标志物的表达则应逐渐上升(图4C,D)。
利用外源性因子作为体外吮吸到断奶转变的调节剂
在本实验方案中,地塞米松(一种合成的糖皮质激素)被用作能够调节体外吮吸到断奶转变过程的外源性因子的示例。图5中的代表性数据表明,外源性因子的作用最好通过多种检测方法来确定,因为这些作用不一定是基因组层面的。例如,对于蔗糖-异麦芽糖酶,其RNA和蛋白质表达均在地塞米松处理后被诱导(图5A),而海藻糖酶的表达仅在蛋白质水平上发生变化(图5B)。

图1:小鼠胎儿小肠的分离。 (A)解剖并拉伸后的胎儿肠道照片,包括胃、近端和远端小肠、阑尾和结肠。黑线指示切割位置,以分离近端和远端小肠。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:胎儿类器官培养第3天、第17天和第28天近端与远端的代表性显微图像。 所有图像均在传代后第3天获取,显示随着时间推移类球体数量减少。比例尺:500 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
视频 1:代表性视频,展示胎儿类器官培养从第 4 天到第 6 天的动态过程。 请点击此处观看视频。(右键可下载。)

图3:随时间分析肠道成熟过程的类器官采集示意图。 近端和远端胎儿类器官培养物应培养一个月,每周传代一次。成熟度分析样本应在分离后第3天以及每次传代后的每3天采集。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:胎儿类器官近端与远端肠道成熟标志物的代表性qRT-PCR结果。 (A近端标记物 Onecut2 和 Gata4 主要在近端类器官培养物中表达,而(B远端标记物 Fabp6 和 Guca2a 主要在远端类器官培养物中表达。C胎儿标志物 Lct, Ass1, Blimp-1 和 FcRn 减少和(D成体标志物 Sis, Arg2,Treh 和 Lyz 在近端和远端类器官培养物中随时间增加。误差线代表标准误(SEM)。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图5:外源性因子地塞米松可调节胎儿类器官的成熟。 (A)与对照类器官相比,经地塞米松处理的类器官在培养第12天时,胎儿标志物Blimp-1的基因表达降低;而成人标志物蔗糖-异麦芽糖酶(Sis)的基因表达(B)和酶活性(C)均升高。 请点击此处查看该图的放大版本。
本方案描述了晚期胎儿肠道类器官的长期培养方法,以在体外模拟哺乳到断奶的转变过程。该培养过程中的成熟速度与体内相当,并在培养一个月后完成。文中详细介绍了利用定量RNA和蛋白质技术对此类培养物进行的下游分析。
本方案使用 E18-E20 小鼠胚胎的原代肠细胞。用于生成类器官的原代小鼠细胞的发育阶段在此方案中尤为关键。若使用更早期的发育阶段细胞,将形成肠类球体,这些类球体可在较长时间内维持其特异的胎儿基因表达,向成年类器官的转化极为有限15,16。只有晚期胎儿阶段的类球体才具备在体外转化为成年类器官的能力10。为了最大程度地利用外界因素对肠道成熟影响的时间窗口,建议采用晚期胎儿阶段的肠组织,而非已出生并暴露于微生物和母乳的幼鼠肠组织。已有报道指出,某些细菌代谢产物和乳汁成分可作为肠道成熟过程的调节因子17。
为了获得足够数量的细胞,以维持培养一个月,从而研究从出生到成年的整个成熟过程,同时收集用于下游分析的样本,应使用6-8个胚胎的肠道作为起始材料。建议使用相同发育阶段的胚胎进行培养。我们不建议将不同窝的胚胎混合使用,因为发育阶段的微小差异可能会影响成熟相关基因的表达。
本方案描述了从小肠近端和远端生成类器官的方法,以维持肠道不同节段的发育特征。作为替代方案,可使用全长小肠来研究整体成熟过程,通过特定标志物表达的上调或下调进行评估。在后一种情况下,可使用较少的胚胎来分离肠细胞以启动培养。
本实验方案采用三维类器官培养技术。由于类器官在培养过程中经历动态生长,因此在传代后相同时间点采集样本进行后续分析至关重要。在本方案中,我们选择传代后第3天进行采样,因为此时处于两次传代之间的中期阶段,类器官具有明显的芽状结构,且细胞死亡极少或几乎没有。也可选用传代后的其他时间点,但在整个实验过程中应保持一致。我们不建议在传代后培养超过7天,因为类器官腔内死亡细胞的增加可能影响实验结果。
在我们的实验中,我们以地塞米松作为外源性因子的示例,文献中已明确表明并深入研究其在体内加速肠道成熟的作用9,18。地塞米松通过基因组和非基因组两种途径发挥其作用。例如,在基因组调控层面,可观察到Sis mRNA 水平出现过早升高;在非基因组层面,我们观察到消化酶(如海藻糖酶)活性发生改变。这些现象均与文献所述的地塞米松对蔗糖酶基因激活的特异性作用以及对肠道刷状缘酶的非基因组激活效应一致19。外源性因子(如合成性糖皮质激素)能够在类器官培养中以类似于体内的方式调节哺乳期向断奶期转变的某些方面,这一事实进一步确立了小鼠胎儿肠道类器官作为研究各类肠道成熟调节剂的模型价值。
尽管人类肠道上皮的形态成熟在子宫内妊娠22周时已完成,但肠道屏障功能的成熟持续至儿童期,且与喂养方式、菌群发育及免疫应答密切相关。由于在这些发育阶段获取人类组织样本极为有限,体外小鼠模型的转化价值在于能够高通量筛选可调控肠道成熟过程的因素,该过程在哺乳期哺乳动物中具有保守性。
重要的是,就研究中的动物伦理而言,该模型有助于优化动物实验,因为它不涉及对动物实施的干预措施。通过重新设计研究问题,将其限定为一个或两个培养时间点,可以在一次培养中测试多个组分,从而进一步减少动物使用数量。
作者声明无任何利益冲突。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高级DMEM/F12 1:1 | Invitrogen | 12634-028 | |
| 精氨酸酶活性检测试剂盒 | Sigma-Aldrich | MAK112-1KT | |
| B27添加剂 | Invitrogen | 17504-044 | 100倍浓缩 |
| BCA蛋白定量试剂盒 | Fisher | 10741395 | |
| 细胞裂解缓冲液 | Cell Signaling Technology | 9803S | |
| 细胞回收溶液 | Corning B.V. | 354253 | |
| 70µM细胞筛 | BD/VWR | 734-0003 | |
| 地塞米松 | Sigma-Aldrich | D4902 | |
| EDTA | Merck | 10,84,18,250 | EDTA Titriplex III |
| 表皮生长因子(EGF) | Invitrogen | PMG8045 | |
| 乙醇 | Merck | 1,00,98,31,000 | |
| 葡萄糖溶液 | Sigma-Aldrich | G6918 | |
| Glutamax | Invitrogen | 35050-038 | 100倍浓缩 |
| HEPES缓冲液 | Invitrogen | 15630-056 | 1M |
| Isolate II RNA Mini Kit | Bioline | BIO-52073 | |
| 乳糖 | Sigma-Aldrich | L3625 | α-乳糖一水合物 |
| 马来酸缓冲液 | Sigma-Aldrich | M0375 | 马来酸 |
| 麦芽糖 | Sigma-Aldrich | M5885 | D-(+)-麦芽糖一水合物 >99% |
| Matrigel | Corning B.V. | 356231 | 生长因子减少型基底膜基质 |
| Millipore水 | N.A. | ||
| N2添加剂 | Invitrogen | 17502-048 | 100倍浓缩 |
| N-乙酰半胱氨酸 | Sigma-Aldrich | A9165 | |
| Noggin条件培养基 | 自制 | ||
| 邻二茴香胺(o-dianisidine) | Sigma-Aldrich | 191248 | |
| PBS缓冲液 | 自制 | ||
| 青霉素/链霉素 | Invitrogen | 15140-122 | 0.2 U/mL |
| PGO酶制剂 | Sigma-Aldrich | P-7119-10CAP | 含过氧化物酶/葡萄糖氧化酶的胶囊 |
| 对羟基汞苯甲酸钠 | Sigma-Aldrich | 55540 | |
| Rspondin条件培养基 | 自制 | ||
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | 84097 | |
| 海藻糖 | Sigma-Aldrich | T5251 | D-海藻糖二水合物 |
| Tris-HCl缓冲液 | 自制 | ||
| β-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M3148 |
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