我们描述了牙髓(DP)原代细胞的分离、分散和接种,并在上层的transwell小室滤膜上共培养三叉神经节(TG)神经元。可通过免疫荧光或RNA/蛋白质分析来检测DP细胞的细胞反应。利用共聚焦显微镜进行神经元标志物的免疫荧光染色,可分析神经突的生长反应。
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我们描述了牙髓(DP)原代细胞的分离、分散和接种,并在上层的transwell小室滤膜上共培养三叉神经节(TG)神经元。可通过免疫荧光或RNA/蛋白质分析来检测DP细胞的细胞反应。利用共聚焦显微镜进行神经元标志物的免疫荧光染色,可分析神经突的生长反应。
牙体的神经支配使牙齿能够感知压力、温度和炎症,这些功能对于牙齿器官的使用和维护至关重要。若缺乏感觉神经支配,日常口腔活动将导致不可逆的损伤。尽管其重要性显著,但神经支配在牙齿发育和维持过程中的作用长期以来未受到足够重视。已有研究表明,牙髓(DP)细胞可分泌细胞外基质蛋白和旁分泌信号分子,以吸引并引导三叉神经节(TG)轴突进入牙齿并在其中延伸。然而,关于DP间充质与感觉神经传入纤维之间相互作用的研究仍较为有限。为填补这一知识空白,研究人员已开始采用共培养系统及多种技术手段来探究这些相互作用。本文展示了将原代DP细胞与TG神经元进行共培养的多个步骤:TG神经元被接种于上层Transwell小室的滤膜上,该滤膜具有较大直径的孔径,允许轴突穿过孔洞生长。实验中使用了目的基因两侧带有loxP位点的原代DP细胞,以便通过腺病毒介导的Cre-GFP重组酶系统实现基因敲除。利用Thy1-YFP转基因小鼠来源的TG神经元,可在共聚焦显微镜下实现清晰的传入神经成像,其荧光信号远高于背景水平。可通过收集和分析蛋白质或RNA,或对种植在可移除玻璃盖玻片上的DP细胞进行免疫荧光染色,来检测DP细胞的响应。培养基可采用蛋白质组学等方法进行分析,但由于培养基中含有胎牛血清,分析前需进行白蛋白去除处理。本实验方案提供了一种简便的方法,可通过调控共培养环境,研究TG神经元和DP细胞在形态学、遗传学及细胞骨架方面的响应。
牙齿的神经支配使牙齿能够感知压力、温度和炎症,这些感觉对于牙齿器官的使用和维护至关重要。当龋齿和外伤引起的牙痛无法被感知时,会导致疾病进展。因此,正常的神经支配是牙齿正常生长、功能发挥和维护的必要条件。
尽管大多数器官在出生时已完全具备功能并受到神经支配,但牙齿的发育过程会延续至成年期,且牙齿的神经支配与矿化过程在出生后的各个阶段协同进行1,2。有趣的是,在胚胎发育早期,牙髓(DP)间充质会分泌排斥性信号,以阻止轴突进入正在发育的牙齿器官;而随着牙齿接近萌出阶段,这种信号随后转变为分泌吸引性因子3,4。在出生后的发育阶段,三叉神经(TG)的感觉轴突在牙本质开始沉积前后侵入并贯穿整个牙齿(详见 Pagella, P. 等人5的综述)。已有多种体内研究表明,神经元-间充质相互作用可引导小鼠牙齿的神经支配过程(详见 Luukko, K. 等人6的综述),但关于其分子机制的具体细节仍知之甚少。
细胞共培养提供了可控的环境,使研究人员能够调控神经元与间充质细胞群体之间的相互作用。共培养实验有助于深入探究指导牙齿神经支配和发育的信号通路。然而,目前用于研究共培养细胞的传统方法存在一些技术挑战。例如,在三叉神经节(TG)组织块分散液中包含的施万细胞可能非特异性地被结晶紫染色,从而干扰轴突生长的观察,且颜色强度峰值可能在反应较小时即出现7。微流控小室是一种有吸引力的选择,但其成本显著高于Transwell滤膜系统8,9,且仅能用于研究神经元对牙乳头(DP)分泌物的反应。为解决上述问题,我们开发了一种实验方案,可实现以下目标:a)精确染色并成像牙乳头分泌物诱导的三叉神经节轴突生长;b)对牙乳头细胞和/或三叉神经节神经元进行遗传学修饰,以研究特定信号通路;c)研究牙乳头细胞对三叉神经节神经元所分泌因子的反应。该方案能够在体外共培养体系的可控环境中,精确探究牙齿神经支配的多个特征。
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所有涉及小鼠的实验均经阿拉巴马大学伯明翰分校机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准。
1. 培养板制备
注意:可在实验结束时使用盖玻片对毛乳头细胞进行成像。在无菌细胞培养操作台外进行所有孵育和洗涤步骤时,务必盖上培养板盖子,以防止样品处理过程中发生污染。
2. 细胞铺板及可选的基因操作

3. 样品采集与处理
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这些结果表明,与三叉神经节(TG)神经突单层培养的对照组相比,当底层小室中存在原代真皮乳头(DP)细胞时,TG神经突的生长显著增加(图2A,C)。神经突生长在不同实验之间存在一定变异性。因此,每次实验均应包含TG神经元单层培养作为对照,以检测神经突生长的基础水平。本方案中使用了来自Tgfbr2f/f小鼠的原代细胞,在确认Ad-Cre-GFP和Ad-eGFP感染的细胞数量相当后进行实验(图2D)。其中Ad-eGFP作为对照病毒载体。Ad-Cre-GFP可删除两侧带有loxP位点的Tgfbr2基因,半定量PCR结果证实了该效应(图2E)。在转化生长因子β受体2(Tgfbr2)基因敲除的培养体系中,神经突生长减少(图2A-C)。
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口腔的日常活动需要牙齿感知外部刺激和内部炎症,以实现正常的使用和维护。然而,目前关于驱动牙齿神经支配发育过程的信号机制的信息仍然有限。本实验方案提供了一种分离并共培养原代牙髓细胞与三叉神经节神经元的方法,用于研究这两类细胞群体之间的相互通讯。多个实验变量已得到优化,为进一步的研究提供了可能的方向,如下所述。
在本实验的每个步骤中,对照组都至关重要。每次实验均应包含一个仅含有三叉神经节(TG)神经元而无下方真皮乳头(DP)细胞的Transwell滤膜,以提供TG神经元生长的基线水平。当使用Ad-Cre-GFP重组酶删除目的基因时,应使用仅表达荧光标记的对照病毒,以确认感染的细胞数量相当。尽管本文已证明,在MOI为100和200时,Ad-eGFP和Ad-Cre-GFP分别可实现高水平感染且细胞死亡极少,但各实验室仍应对此步骤进行优化。由于荧光蛋白可能连接于不同的启动子,从而导致表达水平差异,因此应计数表达荧光的感染细胞数量,以确保感染细胞数相等。荧光的整体强度无关紧要,因其并不能准确反映感染状态。必须通过实验验证目标基因的删除效果,如本方案中采用半定量PCR所示(
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了以下资助:a) 美国国立卫生研究院/国家关节炎、肌肉骨骼和皮肤病研究所(NIH/NIAMS)(资助号 R01 AR062507 和 R01 AR053860,授予 RS);b) 美国国立牙科与颅面研究所/国立卫生研究院(NIDCR/NIH)向 SBP 提供的阿拉巴马大学伯明翰分校牙科学术研究培训(DART)资助(资助号 T90DE022736,项目负责人 MacDougall);c) 阿拉巴马大学伯明翰分校颅面、口腔与牙科疾病全球中心(GC-CODED)向 SBP 提供的试点与可行性资助;d) 美国国立牙科与颅面研究所/国立卫生研究院(NIDCR/NIH)向 SBP 提供的 K99 DE024406 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5-氟-2'-脱氧尿苷 | Sigma-Aldrich | F0503 | 在共培养培养基中用作有丝分裂抑制剂,第2天浓度为 15 μM |
| 24孔细胞培养板 | Corning | 3524 | 共培养板 |
| Alexa-546 抗鸡抗体 | Invitrogen | A-11040 | 用于标记抗GFP抗体标记的神经突起生长的二抗,稀释比例为1:500 |
| 抗GFP抗体 | Aves Lab, Inc | GFP-1010 | 用于标记Thy1-YFP神经元的一抗,稀释比例为1:200 |
| 抗神经丝蛋白200抗体 | Sigma-Aldrich | NO142 | 用于标记神经元的单克隆一抗,稀释比例为1:1000;若无YFP小鼠,可作为替代方案 |
| B6;129- Tgfbr2tm1Karl/J | The Jackson Laboratory | 12603 | 在优化方案中用于牙髓细胞的 Tgfbr2f/f 小鼠模型 |
| B6.Cg-Tg(Thy1-YFP)16Jrs/J | The Jackson Laboratory | 3709 | 用于三叉神经元的 Thy1-YFP 小鼠模型基因型 |
| II型胶原酶 | Millipore | 234155-100MG | 用于分散三叉神经元 |
| 胎牛血清 | Gibco | 10437 | 共培养培养基的添加成分 |
| 精细镊子 | Fine Science Tools | 11413-11 | 用于三叉神经节解剖的精细镊子 |
| 层粘连蛋白 | Sigma-Aldrich | L2020 | 用于包被Transwell小室插入膜,终浓度为 10 μg/ml,储存液浓度假设为 1.5 mg/ml |
| 裂解缓冲液(Buffer RLT) | Qiagen | 79216 | 用于共培养后提取牙髓细胞的RNA |
| L-谷氨酰胺 | Gibco | 25030081 | 共培养培养基的添加成分 |
| 显微解剖剪刀 | Sigma-Aldrich | S3146-1EA | 用于打开颅骨的解剖剪刀 |
| 显微镜盖玻片 | Fisherbrand | 12-545-81 | 圆形盖玻片,用于可选的细胞培养和免疫荧光处理 |
| 最低必需培养基a | Gibco | 12571063 | 共培养培养基基础成分 |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15070063 | 共培养培养基中的抗生素添加成分 |
| 磷酸酶抑制剂 | Sigma-Aldrich | 04 906 837 001 | 用于RIPA缓冲液中,以提取共培养后牙髓细胞的蛋白质 |
| 聚凝胺 | Millipore | TR-1003-G | 用于辅助牙髓细胞转染 |
| 多聚-D-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P7280 | 用于盖玻片包被,以促进牙髓细胞的黏附 |
| 蛋白酶抑制剂 | Millipore | 05 892 791 001 | 用于RIPA缓冲液中,以提取共培养后牙髓细胞的蛋白质 |
| 无RNA酶/DNA酶的Eppendorf管 | Denville | C-2172 | 预灭菌的1.7 ml离心管,用于实验结束时收集RNA、DNA或蛋白质 |
| ThinCert细胞培养插入膜 | Greiner Bio-One | 662631 | 用于共培养实验中三叉神经元的Transwell插入膜 |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.25%) | Gibco | 25200056 | 用于分散牙髓细胞 |
| II型胰蛋白酶 | Sigma-Aldrich | T-7409 | 用于分散三叉神经元 |
| 超细镊子 | Fine Science Tools | 11370-40 | 用于解剖的超细镊子 |
| 尿苷 | Sigma-Aldrich | U3750 | 在共培养培养基中用作有丝分裂抑制剂,第2天浓度为 1 μM |
| 真空过滤系统 | Millipore | SCNY00060 | Steriflip一次性滤器,50 μm尼龙网滤膜 |
| 瓶用镊子 | Fine Science Tools | 110006-15 | 用于将组织转移至离心管的长镊子 |
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