本文展示了两种在三维培养条件下包封猪卵母细胞的实验方案。第一种方法是将卵丘-卵母细胞复合体(COCs)包封于纤维蛋白-海藻酸盐微珠中;第二种方法是将其与氟化乙烯丙烯粉末颗粒(微型生物反应器)共同封装。这两种系统均可提供最佳条件,以维持卵母细胞的三维结构。
本文展示了两种在三维培养条件下包封猪卵母细胞的实验方案。第一种方法是将卵丘-卵母细胞复合体(COCs)包封于纤维蛋白-海藻酸盐微珠中;第二种方法是将其与氟化乙烯丙烯粉末颗粒(微型生物反应器)共同封装。这两种系统均可提供最佳条件,以维持卵母细胞的三维结构。
在生殖生物学中,始于人工授精和胚胎移植技术的生物技术革命,推动了辅助生殖技术的发展,例如卵母细胞体外成熟(IVM)、体外受精(IVF)以及通过体细胞核移植实现的家畜克隆。其中,IVM技术具有特别重要的意义。该技术是为多种应用提供成熟、高质量卵母细胞的基础平台,这些应用包括缩短具有重要经济价值或濒危物种的世代间隔、人类体外生殖相关研究,以及用于细胞治疗的转基因动物生产。卵母细胞质量这一术语涵盖了其完成成熟、受精并最终产生健康后代的能力。这意味着高质量的卵母细胞对于包括IVF在内的成功受精过程至关重要。然而,要建立一种可靠的培养方法,不仅支持人类卵母细胞,还能支持其他大型哺乳动物卵母细胞的生长,仍面临诸多挑战。IVM的第一步是卵母细胞的体外培养。本研究描述了两种猪卵母细胞三维(3D)培养的方案。第一种方案中,将三维模型的卵丘-卵母细胞复合体(COCs)包埋于纤维蛋白-海藻酸盐微珠互穿网络结构中,其中纤维蛋白与海藻酸盐混合物同时发生凝胶化。第二种方案中,将COCs悬浮于液滴中,并用氟乙烯丙烯(FEP;六氟丙烯与四氟乙烯的共聚物)粉末颗粒包裹,形成被称为“液态弹珠”(LM)的微型生物反应器。这两种3D培养系统均能维持稳定的气体环境以支持体外培养。同时,它们通过防止COCs扁平化及其导致的间隙连接破坏,保持了COCs的三维结构,从而维系了卵母细胞与其周围卵泡细胞之间的功能关系。
开发各种培养系统(包括三维(3D)培养系统)旨在为从卵泡中分离出的早期阶段卵母细胞提供最佳的生长和成熟条件。这对于辅助生殖技术(ART)具有重要意义,特别是考虑到越来越多女性在癌症治疗后面临不孕问题1。卵母细胞在体外条件下的成熟(IVM)已成为一项成熟的技术,主要用于家畜繁殖中的体外胚胎生成2。然而,在大多数哺乳动物物种中,即使卵丘-卵母细胞复合体(COCs)的成熟率较高(范围为60至90 %)3,其发育潜能仍无法满足实际需求。这是因为通过该方式获得的受精卵即使发育至囊胚阶段的比例也较低,且移植到代孕动物体内后其妊娠至足月的存活率下降。因此,有必要提高经IVM程序处理的卵母细胞所获得胚胎的发育潜能4。为此,研究人员正在设计新的成熟培养基5,测试不同的体外培养时间6,7,并尝试在培养基中添加各种生长因子和分子8,9。
任何完整的体外成熟(IVM)系统的首要步骤是在体外培养期间为卵母细胞的可持续生长创造最佳条件。卵母细胞的生长是其恢复减数分裂能力的特异性指标之一10,11。此外,一个合适的卵母细胞体外培养系统必须能够支持其核成熟和胞质分化12。卵丘-卵母细胞复合体(COC)的形态是辅助生殖技术(ART)临床中用于选择最适合进行后续体外受精(IVF)程序的人类和家畜卵母细胞的另一个重要指标12,13。所考虑的COC形态学特征包括:卵母细胞直径、胞质颗粒化程度以及第一极体的完整性14,15。此外,卵母细胞的发育潜能还与其卵丘细胞的外观、致密程度以及围绕卵母细胞的细胞层数相关。适当的卵母细胞体外培养系统还必须维持卵母细胞与卵丘细胞之间的正常相互作用以及细胞骨架的稳定性16,17,18,19。迄今为止,已在人类卵丘-卵母细胞复合体中成功实现卵母细胞的体外生长20。使用牛的卵丘-卵母细胞复合体也已获得活产个体:这些复合体从不成熟卵巢卵泡中分离后,在体外培养14天,直至卵母细胞达到足够大小以进行IVF操作21。类似地,从狒狒窦状卵泡中分离的卵丘-卵母细胞复合体经体外培养后进行IVM,可产生能够重新启动减数分裂并发育至第二次减数分裂中期(MII期)且纺锤体结构正常的卵母细胞22。然而,在该研究中作者并未尝试对这些卵母细胞进行受精。尽管如此,这些结果表明,类似的程序不仅可应用于这些特定哺乳动物物种,也可应用于从卵泡中获取的人类卵丘-卵母细胞复合体,从而有望获得高质量的卵母细胞,适用于成功的IVF技术。
上述结果是在应用常规体外成熟(IVM)方案期间获得的,期间卵母细胞在二维(2D)培养系统中进行培养。在2D培养系统中的常规操作是将卵母细胞浸入适当培养液的液滴中,并以矿物油覆盖23,24假设在体外卵母细胞培养过程中使用油层覆盖可防止液体蒸发,从而确保培养环境的pH值和渗透压维持在适宜水平。尽管这种二维培养体系能够获得高达87%的成熟猪卵母细胞25已证实,矿物油覆盖层会导致对卵母细胞正常发育至关重要的脂溶性物质发生显著扩散26此外,由于类固醇(孕酮和雌激素)在卵母细胞培养过程中扩散至矿物油中,导致猪卵母细胞的核成熟延迟,且发育能力降低。这可能导致获得的受精卵数量较少,且这些受精卵进一步表现出向囊胚阶段发育的能力低下,以及移植至受体动物后存活率差的特点。27因此,研究人员正致力于通过为卵丘细胞(CCs)复合体中的卵母细胞创造最佳培养条件,以实现其细胞质和细胞核的同步成熟,从而提高体外成熟(IVM)后获得的卵母细胞所来源胚胎的发育潜能,尤其是采用三维(3D)培养系统。在过去二十年中,已开发出多种创新的3D体外培养系统。28,29这些设计旨在维持细胞的天然空间结构,避免其在培养皿中发生扁平化,而这在传统的二维培养中无法实现。通过保持卵丘-卵母细胞复合体(COCs)的正常结构以及各组分之间经由间隙连接的正常通讯,可确保其在培养过程中的结构完整性和功能活性。30已采用天然生物材料(如细胞外基质(ECM)中的胶原蛋白和透明质酸等组分)评估生物支架在卵丘-卵母细胞复合体三维体外培养中的适用性。31 或惰性聚合物(海藻酸盐)32这些在多个物种中进行的尝试,在卵母细胞减数分裂恢复及其完全成熟能力的获得方面取得了令人鼓舞的结果33,34,35然而,迄今为止,尚未开发出适用于从包括猪在内的大型家畜中分离的卵丘-卵母细胞复合体(COCs)成熟的3D培养系统。
本研究描述了两种可用于猪卵丘-卵母细胞复合体(COCs)三维培养的方案。第一种方案描述了在纤维蛋白-海藻酸盐微珠(FAB)中的包封技术。FAB可通过同时混合海藻酸盐溶液和纤维蛋白溶液并使其发生同步凝胶化过程而形成。这种组合提供了动态的机械环境,因为两种组分均对基质刚性有贡献。此前已有研究将类似溶液用于小鼠卵巢卵泡的培养与成熟36。在本方案中,为避免海藻酸盐-纤维蛋白网络过早降解,采用了适当较高浓度的氯化钙溶液,以确保凝胶化过程快速且稳定。该动态机械环境可模拟COCs在体内自然卵泡内环境中生长并增大的条件。此外,本研究还展示了COCs三维培养系统的代表性结果,其中将COCs悬浮于液滴中,并用氟乙烯丙烯(FEP;六氟丙烯与四氟乙烯的共聚物)粉末颗粒包裹,形成微型生物反应器(液态弹珠,LM)。液态弹珠是一种三维生物反应器形式,此前已被证明可支持多种生物体系的生长,包括活体微生物37、肿瘤球状体38和胚胎干细胞39。液态弹珠也已成功应用于绵羊卵母细胞的培养40。在大多数使用液态弹珠的实验中,生物反应器通常采用粒径为1 μm的聚四氟乙烯(PTFE)粉末床制备41。本方案采用FEP,其组成和性质与氟聚合物PTFE非常相似,但FEP比PTFE更易成型、质地更柔软,且尤为关键的是具有高度透明性。
两种3D系统均能维持体外培养的气体环境。它们还能通过防止卵丘复合体(COCs)变平以及间隙连接随之被破坏,保持其三维结构,从而维持卵母细胞与其周围卵泡细胞之间的功能关系。
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以下实验程序已获得雅盖隆大学动物学与生物医学研究中心动物福利委员会的批准。
1. 猪卵丘-卵母细胞复合体的分离
2. 纤维蛋白-海藻酸盐水凝胶微球中的包封
3. 超疏水氟化乙烯丙烯(FEP)微生物反应器中的封装。
注意:确保所有体外成熟(IVM)操作均在恒温控制台上进行,并在整个操作过程中将卵丘-卵母细胞复合体(COCs)维持在38 °C。
4. 使用两种三维系统对经96小时体外成熟(IVM)处理后的卵丘-卵母细胞复合体(COCs)进行表征
注意:为评估所用体外成熟(IVM)系统的效率,需在光学显微镜下对卵丘-卵母细胞复合体(COCs)进行形态学评分。此外,可采用钙黄绿素 AM 与碘化乙啶同型二聚体(EthD-1)进行双荧光染色,以分析 COCs 的存活率44。
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在使用两种IVM系统的COCs中,颗粒细胞彼此紧密黏附,且大多数回收的COCs具有完整的卵丘细胞层(图1A,B)。此外,仍有相当比例的卵丘细胞得以保留。
从卵丘-卵母细胞复合体(COCs)活力分析获得的结果证实,两种用于在三维体外条件下包封猪卵母细胞的系统均能确保最佳生长条件(图2)。在两组实验中均仅观察到高活力的卵母细胞,其中FAB组V1为13%,V2为87%,LM组V1为10%,V2为90%(表1)。
通过透射电子显微镜(TEM)观察,线粒体在卵母细胞中呈均匀分布,体外成熟(IVM)后的线粒体形态呈壳状45。仅有少数线粒体呈伸长形态,且其聚集现象偶见发生(图1C,D)。内质网可见,或与线粒体相关联,...
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不仅维持卵母细胞体外生长,同时维持其周围卵丘细胞的生长并支持卵母细胞成熟,这对于辅助生殖技术的成功以及深入理解体细胞与卵母细胞之间的相互作用至关重要,尤其是在人类或猪等经历较长卵泡发育周期的物种中尤为如此。不断改进的体外成熟(IVM)技术正成为一种有用的工具,可用于多囊卵巢综合征(PCOS)、卵巢早衰或确定性不孕(如癌症治疗后)等情况下生育力的保存。此外,由于某些卵巢功能障碍可能由卵泡发育调控异常引起,阐明调控卵母细胞正常发育的分子与细胞机制,可为这些疾病的病理生理学机制及合理治疗提供重要见解。为在IVM过程中维持卵丘-卵母细胞复合体(COCs)三维结构的体外培养系统,需将其包封于基质或生物反应器中的步骤。本文描述了一种适用于猪卵母细胞培养的实验方案。本文所介绍的两种用于诱导猪COCs生长与发育的三维体外培养系统均操作简便,可有效调控卵母细胞和卵丘细胞的存活。
本文首次介绍了一种利用卵丘-卵母细胞复合体(COCs)包埋于纤维蛋白-海藻酸盐水凝胶微珠(FAB)中的体外培养方法,可实现卵母细胞在具有活跃细胞响应性的基质环境中进行三维生长。此前发表的基于海藻酸盐水凝胶的实验方案通常用于研...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者非常感谢:雅盖隆大学动物学与生物医学研究所发育生物学与无脊椎动物形态学系的 dr Waclaw Tworzydlo 提供透射电子显微镜(TEM)技术设施;雅盖隆大学动物学与生物医学研究所内分泌学系的 Beata Snakowska 女士提供技术协助;以及雅盖隆大学动物学与生物医学研究所细胞生物学与成像系提供的 JEOL JEM 2100HT(JEOL,东京,日本)。本研究由波兰国家科学中心资助,项目编号为 2018/29/N/NZ9/00983。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 常规 | |||
| 抗生素-抗真菌剂(100倍浓缩液)100 ml | Thermo Fisher | 15240062 | 处理培养基中终浓度为2.5%。PBS中为1%(步骤1.2) |
| DMEM/F12(500 ml) | Sigma-Aldrich | D8062 | 处理培养基和成熟培养基 |
| DPBS(不含Ca、Mg),1×,500 ml | Thermo Fisher | 14190144 | |
| FCS(100 ml) | Thermo Fisher | 16140063 | 处理培养基和成熟培养基中终浓度均为10%(步骤:1.5,2.6) |
| PBS(1×,pH 7.4)500 ml | Thermo Fisher | 10010023 | |
| TBS储存液(10×,pH 7.4)500 ml | Cayman Chemicals | 600232 | 终浓度为1×。可使用其他品牌 |
| 成熟培养基 | |||
| hCG(1瓶,10,000 U) | Sigma-Aldrich | CG10 | |
| PMSG | BioVendor | RP1782721000 | |
| 纤维蛋白-海藻酸盐微珠 | |||
| 海藻酸盐裂解酶 | Sigma-Aldrich | A1603 | (步骤2.11.1) |
| 凝血酶 | Sigma-Aldrich | T9326-150UN | (步骤2.1) |
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich | C5670 | (步骤2.1) |
| 纤维蛋白原(250 mg) | Sigma-Aldrich | F3879 | (步骤2.2) |
| 海藻酸钠 | Sigma-Aldrich | W201502 | (步骤2.3)用于配制海藻酸盐溶液 |
| 液态弹珠 | |||
| FEP | Dyneon GmbH 3M AdMD | A-66670 | |
| 形态学检测 | |||
| 哺乳动物细胞活力/细胞毒性检测试剂盒(LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity Kit) | Thermo Fisher | L3224 | (步骤4.1)荧光发射波长:钙黄绿素为494 nm,EthD-1为528 nm;检测波长:钙黄绿素为517 nm,EthD-1为617 nm |
| VECTASHIELD 抗荧光淬灭封片剂 | Vector Laboratories | H-1000 | 封片介质 |
| 超微结构检测 | |||
| 戊二醛溶液 | Sigma-Aldrich | G5882 | 终浓度为2.5%(步骤4.2.1) |
| LR White 树脂 | Sigma-Aldrich | L9774 | (步骤4.2.4) |
| 亚甲蓝 | Sigma-Aldrich | M9140 | (步骤4.2.5) |
| 四氧化锇 | Sigma-Aldrich | O5500 | (步骤4.2.3) |
| 三水合二甲胂酸钠 | Sigma-Aldrich | C0250 | 用于配制0.1 M 二甲胂酸钠缓冲液(pH 7.2) |
| 醋酸铀 | POCH | 868540111 | (步骤4.2.4) |
| 专用仪器与工具 | |||
| 30 mm 培养皿 | TPP | 93040 | |
| 60 mm 体外受精培养皿 | Falcon | 353653 | |
| Ez-Grid Premium 细胞操作移液器 | RI Life Sciences | 8-72-288 | |
| Ez-Tip | RI Life Sciences | 8-72-4155/20 | |
| 加热台 | SEMIC | 可使用其他品牌 | |
| 培养箱 | Panasonic | MCO-170AIC-PE | 可使用其他品牌 |
| 无菌培养皿(10 cm) | NEST Biotechnology | 704002 | |
| 带0.2 µm 滤膜的无菌注射器滤器 | GOOGLAB SCIENTIFIC | GB-30-022PES | |
| 保温瓶 | Quechua | 5602589 | 可使用其他品牌 |
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