本文描述了四种利用新生小鼠睾丸原代细胞生成睾丸类器官的方法,即细胞外基质(ECM)依赖性和非依赖性的二维(2D)及三维(3D)培养环境。这些技术具有多种研究应用价值,尤其适用于体外研究睾丸的发育过程和生理功能。
本文描述了四种利用新生小鼠睾丸原代细胞生成睾丸类器官的方法,即细胞外基质(ECM)依赖性和非依赖性的二维(2D)及三维(3D)培养环境。这些技术具有多种研究应用价值,尤其适用于体外研究睾丸的发育过程和生理功能。
睾丸类器官为在体外研究睾丸发育、精子发生及内分泌功能提供了工具。目前已开发出多种构建睾丸类器官的方法。其中许多方法依赖于细胞外基质(ECM)以促进组织的从头组装,但在组织的仿生形态和功能方面,不同方法之间存在差异。此外,已发表的方法之间很少有直接比较。本文通过比较类器官生成方案及其结果,进行了直接对比研究。文中描述了四种典型的生成方法:(1)二维无ECM培养、(2)二维含ECM培养、(3)三维无ECM培养、(4)三维含ECM培养。评估睾丸类器官生成效果采用了三个主要基准:细胞自组装能力、是否包含主要细胞类型(支持细胞、间质细胞、生殖细胞和管周细胞),以及组织结构是否具有适当的区室化特征。在测试的四种培养环境之中,二维含ECM培养和三维无ECM培养所生成的类器官其内部形态最接近天然睾丸,包括管状结构与间质细胞类型的区室化分隔、管样结构的形成,以及稳定的长期内分泌功能。所有研究的方法均使用未经分选的原代小鼠睾丸细胞悬液,并采用常规可获取的培养资源。这些睾丸类器官生成技术为体外研究睾丸器官发生和生理功能提供了高度可及且可重复的实验工具包。
睾丸类器官是一种前沿技术,可用于在体外研究睾丸发育、精子发生及生理功能1,2,3,4。目前已有多种方法被用于类器官的构建,包括使用不同种类的细胞外基质(ECM)和无细胞外基质的培养系统,以及二维(2D)和三维(3D)培养模式。不同的构建方法可促进细胞以特定方式组装,从而导致已发表的睾丸类器官模型在形态和功能上表现出高度异质性。本文旨在综述当前体外睾丸模型的研究现状,并为未来研究人员设计睾丸类器官实验提供参考模板。在本研究中,定义并表征了四种不同的培养系统原型,涵盖其实验流程与生物学结果,分别为:2D无ECM培养、2D含ECM培养、3D无ECM培养和3D含ECM培养方法。本文所介绍的策略力求简洁、易于实施,并可在不同实验室和研究团队之间实现高度可重复性。
对于睾丸而言,“体外”(in vitro)这一术语历史上曾用于指代多种不同的睾丸组织和细胞培养方法。这些方法包括器官型组织/器官培养法(即组织块培养)5、分离的曲细精管培养6、睾丸细胞培养7,以及从头组织形态发生的方法(即生物构建体和类器官)1。最早关于体外精子发生的探索可追溯至大约100年前,1920年首次对兔睾丸组织块进行培养8,随后于1937年在小鼠组织块中开展类似实验9。在这些早期实验中,精原细胞在培养的第一周内大多发生退化,尽管也观察到一些进入减数分裂的分化细胞。与这些历史报道相似,睾丸组织块培养技术在2011年被重新启动并优化,成为研究睾丸功能的一种可行技术10。自2011年以来,已有多个研究报告通过组织块培养获得了具备生育能力的精子11,12,13。然而,由于组织块培养依赖于预先存在的天然睾丸曲细精管结构,这些近期进展更准确地应被描述为“离体”(ex vivo)睾丸功能和精子发生,即组织在从机体中取出后维持或恢复的功能。尽管该方法在文献中广泛使用,但在睾丸组织块中实现生殖细胞的长期维持和分化仍具有挑战性14,15,16,17,18,尤其是在足以完整观察体外精子发生的较长时间尺度上(小鼠约35天19,人类为74天20)。值得注意的是,百年前研究者所面临的许多相同挑战,至今仍在离体精子发生研究中持续存在。
与离体(ex vivo)方法不同,睾丸类器官是完全在体外由细胞来源(即原代睾丸细胞)从头组装而成的微组织。睾丸类器官提供了一种创新策略,可摆脱该领域长期以来对现有天然组织的依赖,实现在体外完全模拟睾丸生物学功能。大多数类器官组织模型具有若干共同要求,包括:(1)模拟体内组织形态或结构;(2)包含所代表组织的多种主要细胞类型;(3)在生成过程中具备自组装或自组织能力;(4)能够模拟所代表组织一定程度的功能和生理特性21,22,23,24。对于睾丸类器官而言,这些特征可归纳为四个主要标志:(1)包含睾丸的主要细胞类型,即生殖细胞、支持细胞(Sertoli)、间质细胞(Leydig)、管周细胞及其他间质细胞;(2)由细胞主导的组织组装过程;(3)细胞类型正确分区,分别形成管状结构区(生殖细胞和支持细胞)和间质区域(其他所有细胞类型);(4)具备一定程度的组织功能(例如生殖激素分泌或组织应答,以及生殖细胞的维持与分化)。鉴于长期以来在体外和离体条件下维持生殖细胞分化的挑战,构建出模拟体内睾丸结构(即具有类似生精小管的结构)并具备提示睾丸生理功能(如内分泌功能)的额外标志物的类器官,是实现未来可能支持体外精子发生的关键里程碑。
目前大多数已发表的睾丸类器官方法利用了市售的细胞外基质(ECM)(例如胶原蛋白或专有的ECM配方)25,26,27,或定制来源的ECM(即脱细胞睾丸ECM衍生的水凝胶)28,29,30。外源性ECM通过为组织生成提供支持性支架,促进新生组织的形成。这些ECM方法已实现了较高水平的组织形成,包括一定程度的生殖细胞存在和模拟睾丸组织的形态结构25,28。然而,所使用的ECM并非总是普遍可得(例如脱细胞ECM衍生的水凝胶),且部分方法需要复杂的凝胶结构和细胞接种方式(例如三层ECM梯度结构或3D打印)25,31,32。无支架方法(例如悬滴法和非黏附培养板)33,34,35也已成功生成结构稳定且高度可重复的类器官,无需使用ECM凝胶或支架。然而,这些无支架类器官的组织形态通常与体内睾丸组织差异较大,且大多数此类研究仍需添加生化ECM成分以促进组织形成33,34,36,或依赖离心力强制细胞聚集和压缩34,因此在研究细胞自主迁移和自组织过程方面存在局限性。
本文介绍的四种类器官生成方法包括依赖细胞外基质(ECM)和非依赖ECM的策略,均采用简单的细胞接种方式,可实现对细胞驱动类器官自组装过程的观察。这四种技术均可使用相同的细胞悬液,也可利用定制的或特定细胞类型富集的细胞群体。这些方法的优势在于能够实时观察类器官的自组装过程,并直接比较不同培养微环境中睾丸结构的自组装方式。研究者应根据自身科研问题或研究主题,考虑这四种培养方法之间的表型差异。每种方法均能在24小时或更短时间内形成具有生物学功能的结构或类器官。总之,本文所述方法为体外研究睾丸类器官的组装、组织发育及睾丸生理功能提供了一套类器官构建技术工具箱。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有小鼠实验均经西北大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准,所有操作均按照IACUC批准的方案进行。
1. 酶解组织解离溶液的制备
2. 睾丸组织解离
注意:所有小鼠均饲养于聚丙烯笼具中,并可自由获取食物和水。小鼠饲喂经辐照处理且不含植物雌激素的饲料。所有实验均使用出生后5天(dpp)的CD-1幼鼠,在实施安乐死和组织采集前,通过连接异氟烷挥发器(氧气流速2.5 L/min)的麻醉舱进行麻醉。2通过脚趾刺激无反应确认小鼠完全麻醉后,采用断头法处死小鼠。
3. 类器官培养皿的准备与细胞接种
注意:为确保细胞外基质(ECM)均匀,实验前需将冻存的ECM分装样品在4 °C冰箱或冷室中置于冰桶内过夜预解冻,以保证温度缓慢、逐步上升。所有ECM在培养时均以1:1比例与基础培养基(BM)混合稀释。解冻后的ECM以及1:1稀释的ECM在使用前应始终置于冰上,否则ECM可能发生过早聚合。
4. 类器官的维持
5. 类器官收集
注意:所有类器官均可使用 PBS 中 4% 多聚甲醛固定,用于后续免疫标记和组织学分析。室温下旋转固定 2 小时,或 4 °C 过夜固定。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
如果睾丸细胞在培养72小时内未能发生自组装,则认为类器官生成失败;然而,当使用幼年(5日龄)小鼠细胞时,本文所介绍的所有方法均能在24小时内完成组装。生物结构生成失败的表现是细胞持续处于游离悬浮状态(图1中0小时列),即使延长培养时间(72小时)仍无改变。在缺乏组织自组装的情况下,任何看似形成的细胞团在轻微操作(如移液)下极易分散为单个细胞。成功生成的组织最初表现为三维细胞“团簇”(图1中6小时列的黄色箭头所示)。在无细胞外基质(ECM)环境(二维和三维)中,这些结构在培养的前24小时内明显出现“压缩”现象,尤其是在三维琼脂糖培养皿中(图1A,C)。在含ECM环境(二维和三维)中,细胞团簇与其周围环境之间具有清晰的边界(图1B,D)。还观察到细胞团簇在ECM上迁移并融合形成更大的团簇(图1B<...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
完成本类器官生成方案后,研究者将掌握四种不同的培养技术,可用于在细胞外基质(ECM)或无ECM环境中构建睾丸类器官和组织结构。重要的是,这四种方法均允许研究者通过延时成像或视频记录,非侵入性地观察类器官的自组装过程,并可在不干扰组织培养状态的前提下,非侵入性地收集条件培养基,用于分析分泌的激素和细胞因子。在所有方法中,实验人员可在24小时内根据细胞数量生成多达数百个类器官/睾丸结构。这些方法可促进组织自组装形成具有不同大小和形态的结构;类器官的尺寸取决于培养中所用的细胞数量和浓度,这一点与其他类器官研究报道一致34。减小类器官的尺寸或直径可能有助于减少较大类器官中偶尔出现的中心区域坏死。二维ECM和三维无ECM方案的一个显著优势在于,能够生成在形态上模拟睾丸的类器官,其中包含管状结构与间质细胞类型的新生区室化分隔。此外,三维无ECM组装的类器官为生精小管样结构(TLS)的新生管状形成提供了模型,其中支持细胞(Sertoli cells)和管周细胞(peritubular cells)实现了适当的空间区室化和方向性排列。这是研究睾丸类器官的一个重要表型,但在目前已发表的不同睾丸类器官研究中,...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国立卫生研究院下属的国立儿童健康与人类发展研究所(NICHD)F31 HD089693项目、国立环境卫生科学研究所/国立转化科学促进中心(NIEHS/NCATS)UH3TR001207和4UH3ES029073-03项目,以及托马斯·J·沃金斯纪念教授职位资助。
作者感谢 Eric W. Roth 在透射电子显微镜方面的协助。本研究使用了西北大学 NUANCE 中心的 BioCryo 实验室,该中心获得了软材料与混合纳米技术实验资源(SHyNE Resource,NSF ECCS-1542205);材料研究中心的 MRSEC 项目(NSF DMR-1720139);国际纳米技术研究所(IIN);以及通过 IIN 获得的伊利诺伊州政府的支持。本研究还使用了 CryoCluster 设备,该设备获得了 MRI 项目(NSF DMR-1229693)的支持。图 1 中的示意图使用 BioRender.com 设计。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.22 µm 培养基无菌滤器 | Millipore Sigma | scgpu05re | 用于培养基的无菌过滤 |
| 3βHSD 一抗 | Cosmo Bio Co | K0607 | 间质细胞标记物,1:500 稀释 |
| AlexaFluor 568 α-小鼠二抗 | Thermo Fisher Scientific | A-21202 | 荧光标记的二抗 |
| AlexaFluor 568 α-兔二抗 | Thermo Fisher Scientific | A10042 | 荧光标记的二抗 |
| α-最低必需培养基 | Thermo Fisher Scientific | 11-095-080 | 培养基基础成分 |
| 胶原酶 I | Worthington Bio | LS004197 | 用于解离液 1 |
| Corning Matrigel 基底膜基质,无 LDEV | Corning | 354234 | 用于制备二维和三维 ECM 培养凝胶的细胞外基质 |
| Countess 细胞计数仪 | Thermo Fisher Scientific | C10227 | 自动细胞计数仪(血球计数板仪器) |
| Countess 细胞计数板载玻片 | Thermo Fisher Scientific | C10228 | 与 Countess 自动计数仪配套使用的血球计数板载玻片 |
| DDX4 一抗 | Abcam | 138540 | 精原细胞标记物,1:500 稀释 |
| 脱氧核糖核酸酶 I(2,280 u/mgDW) | Worthington Bio | LS002140 | 用于解离液 1 |
| DPBS 1×,含 CaCl 和 MgCl | Thermo Fisher Scientific | 14040182 | 用于重组透明质酸酶 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 +Ca/+Mg | Thermo Fisher Scientific | 14040117 | PBS |
| 胚胎级 H₂O | Millipore Sigma | W1503 | 用于重组胶原酶 I 和 DNase I |
| 胎牛血清 | Thermo Fisher Scientific | 16000044 | 用于终止酶解解离溶液 |
| 卵泡刺激素 | Abcam | ab51888 | 用于长期类器官培养 |
| 人绒毛膜促性腺激素 | Millipore Sigma | C1063 | 用于长期类器官培养 |
| 透明质酸酶(来源于牛睾丸) | Millipore Sigma | H4272 | 用于解离液 2 |
| 抑制素 B 酶联免疫吸附测定试剂盒 | Ansh Labs | AL-107 | 抑制素 B ELISA 试剂盒 |
| KnockOut 血清替代物 | Thermo Fisher Scientific | 10828-028 | 基础培养基中的血清来源 |
| MicroTissues 3D 培养皿微模具球体(24-35,5×7 阵列) | Millipore Sigma | Z764051 | 用于无 ECM 的三维类器官制备 |
| Nunc Lab Tek II 多孔腔室载玻片系统,4 孔 | Thermo Fisher Scientific | 12-565-7 | 用于无 ECM 的二维、二维及三维 ECM 培养 |
| 青霉素/链霉素 | Thermo Fisher Scientific | 15-140-122 | 培养基用抗生素 |
| Richard-Allan Scientific Histogel 样本处理凝胶 | Thermo Fisher Scientific | HG-4000-012 | 辅助石蜡包埋 |
| SOX9 一抗 | Millipore Sigma | AB5535 | 支持细胞标记物,1:500 稀释 |
| Teklad Global 小鼠饲料(繁殖用) | Teklad Global | 2920 | 不含植物雌激素的小鼠饲料 |
| Teklad Global 小鼠饲料(维持用) | Teklad Global | 2916 | 不含植物雌激素的小鼠饲料 |
| 睾酮酶联免疫吸附测定试剂盒 | Calbiotech | TE373S | 睾酮 ELISA 试剂盒 |
| 台盼蓝溶液,0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | 用于细胞计数 |
| αSMA 一抗 | Millipore Sigma | A2547 | 管周细胞标记物,1:500 稀释 |
| β连环蛋白一抗 | BD Biosciences | 610154 | 支持细胞胞质标记物,1:100 稀释 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可