三维(3D)细胞系统是研究器官发生的相关模型。本文提出一种基于水凝胶的胆管囊泡生成及其表征方法。该方案克服了三维结构表征的障碍,提供了一种简单且可靠的方法,用于评估囊泡形成效率、尺寸大小及其功能特性。
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三维(3D)细胞系统是研究器官发生的相关模型。本文提出一种基于水凝胶的胆管囊泡生成及其表征方法。该方案克服了三维结构表征的障碍,提供了一种简单且可靠的方法,用于评估囊泡形成效率、尺寸大小及其功能特性。
胆管上皮细胞(cholangiocytes)是排列在肝脏胆管内壁的上皮细胞,负责胆汁的生成与修饰。在过去二十年中,针对肝脏疾病的研究背景下,基于胆管上皮细胞的三维(3D)模型逐渐发展起来,例如囊肿、球状体或管状结构,用于模拟组织拓扑结构,以开展器官发生、疾病建模和药物筛选研究。这些结构主要通过将胆管上皮细胞包埋于水凝胶中获得。其主要目的是通过研究上皮极性、功能特性及形态学特征,探讨细胞的自组织能力。然而,极少有研究关注囊肿形成效率。即使涉及该指标,效率通常也仅通过单层图像进行量化。功能检测与结构分析往往未反映因水凝胶聚合不均及副作用所导致的囊肿分布潜在异质性。因此,现有的定量分析方法难以在不同研究之间进行比较。此外,该方法也无法比较不同基质或细胞类型在三维生长潜能上的差异。同时,目前尚无文献提及囊肿免疫染色实验中的问题排查方法。本文提供了一种可靠且通用的方法,证明初始细胞分布与囊肿在水凝胶垂直方向上的异质性分布密切相关。我们对包埋于水凝胶中的胆管上皮细胞进行为期10天的时间序列观察,并利用Z轴层扫分析贯穿水凝胶深度的细胞动态变化。通过该方法,可获得稳健的囊肿形成效率及生长动力学数据。我们还介绍了评估囊肿极性与分泌功能的方法。最后,提供了优化免疫染色方案的额外建议,以减少成像过程中囊肿塌陷的问题。该策略可推广应用于其他三维细胞培养研究,从而为不同系统间的比较提供了可能。
在过去三十年中,体外研究领域已逐步发展为三维(3D)培养体系。目前已涌现出多种三维细胞培养方案,可用于形成类球体或细胞聚集体,培养方式包括使用或不使用支架/基质、液滴培养、振荡培养、微流控装置培养或悬浮培养1。与二维(2D)培养相比,三维培养方法已显示出其显著优势,尤其对于上皮细胞而言,这些细胞可在三维环境中自组织形成被称为囊泡或腺泡的结构。在此情况下,细胞形成单层结构,围绕一个管腔排列,并获得完整的上皮表型,其生理特异性功能也得到增强2。
大量研究推动了在天然基质中形成这些上皮类器官方法的发展。这使得体内细胞间以及细胞与微环境之间的相互作用得以重现,从而建立并维持上皮表型的稳定性3,4,5,6,7。近年来,特别是为了开发可用于移植的类器官,并解析微环境在调控上皮程序中的必要性,研究人员已开发出合成水凝胶以促进上皮腺泡的形成8,9,10。然而,这些研究仅报告了定性数据,或采用内部参照的计算方法,例如在二维平面上囊状结构与非囊状结构的比值8,9,10。这使得不同研究之间在上皮类器官的形成效率、稳定性以及形态学和生理学特征方面无法进行比较。
利用微流控装置将上皮细胞微囊化成珠状,可获得更为真实可靠的定量与比较结果。通过该技术,已基于不同三维细胞结构的形态特征,形成并分化出多种细胞类型的类器官11,12。然而,该技术操作难度较高,且需要在洁净室环境中制备微流控装置。目前该技术仅适用于少数几种水凝胶,若要应用于其他类型的水凝胶,则需进行技术上的调整,从而限制了其通用性。因此,大多数旨在开发上皮类器官的研究仍依赖于将上皮细胞包埋于块状水凝胶中。在这些方法中,整个三维培养体系内凝胶结构和细胞分布的高度异质性常被忽视。因此,大多数分析仅基于单张二维图像,而这些图像仅能粗略反映各类细胞结构在整个三维空间中的分布情况。
影响胆管的疾病,如胆管癌、胆道闭锁、原发性硬化性胆管炎等,是导致死亡率和发病率升高的重要原因。除肝移植外,目前尚无有效疗法可治疗这些疾病13。对胆管形成机制、病因及疾病进展的研究将有助于开发新的治疗手段14。
已开发出使用正常或患者来源的、分化的或前体细胞来源的胆管上皮细胞系构建胆道类器官模型,包括囊状、球状或管状结构15,16,17,18,19,20。多项研究成功重现了胆管上皮细胞的极性、胆管上皮细胞标志物的表达、纤毛的存在、胆管上皮细胞的分泌与重吸收能力,以及管腔形成与阻塞等特征;这些均代表了胆管上皮细胞表型、形态和功能的重要特性15,17,19。另有研究报道可长期维持患者来源的胆道类器官20。近期,我们研究了生化与生物物理信号对胆道囊肿类器官发生的调控作用21。重要的是,胆道闭锁的发病机制已在胆道球状体和管状结构中得到研究7,22。此外,利用胆道球状体已成功研究了原发性硬化性胆管炎的关键特征,如胆管上皮细胞衰老、促炎性细胞因子的分泌以及巨噬细胞的募集15,20。然而,目前仍缺乏可重复的、体外三维定量模型,以生理相关的方式调控胆管上皮细胞的表型、生理功能及微环境,从而系统回答上述科学问题。此外,仅有少数文献报道了囊肿形成效率21,23,而这一点在研究类器官发生、疾病成因以及药物反应与胆管上皮细胞功能和极性之间相关性时尤为关键。另外,由于不同实验方案所使用的支架/基质存在差异,导致不同系统之间的结果难以比较。为解决这些问题,我们提出了一种定量、可靠且通用的方法,用于构建模拟管腔形成、胆管上皮细胞极性建立以及胆管上皮细胞分泌功能的胆道囊肿模型。重要的是,我们在评估囊肿随时间变化的形成效率、大小、活力、极性及功能时,进行了沿Z轴贯穿三维凝胶的系统性分析。此外,本方案以天然水凝胶和正常大鼠胆管上皮细胞(NRCs)为例进行演示,但其他天然或合成水凝胶以及上皮细胞亦可用于构建三维囊状结构。
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1. 包囊的制备
注意:如果凝胶化过程允许细胞包埋,则本方案可适用于任何类型的水凝胶。
2. 包囊定量
在投影上(Y=1, 2, 4, 7 或 10)。
3. 细胞活力
4. 分泌活性
注意:通过胆管上皮细胞顶膜的分泌活性可通过管腔内荧光素的分泌情况进行评估。可通过使用多药耐药(MDR)转运蛋白抑制剂维拉帕米进行相同实验,以评价其特异性24。
5. 通过免疫荧光评估上皮细胞极性
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囊泡的形成与表征
三维细胞培养系统是研究器官发生和疾病建模的重要工具25。然而,大多数现有方法均为定性分析,或仅通过单平面内囊泡与非囊泡数量的内部量化进行比较,且常在体积不一致且未明确说明的条件下进行,导致不同研究之间无法对囊泡形成效率进行有效比较7,8,9,10,15,18,23。本实验方案所提出的方法通过记录实验期间全部囊泡的数量及其各自大小,可实现对囊泡形成与生长动态演变的分析(图4)。
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为了研究器官发生以及三维细胞结构的维持,研究人员已利用不同的细胞来源以及包括合成水凝胶在内的多种类型细胞外基质对各种组织进行了建模8,9,10,21。然而,由于缺乏可用于在类器官形成或功能方面对不同方法进行比较的三维定量分析技术7,8,9,10,15,18,水凝胶或药物筛选的进一步标准化仍难以实现。
为解决这些不足,我们提出一种基于水凝胶...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢美国明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所的 Nicholas LaRusso 博士,他慷慨提供了 NRC 细胞系。
本工作获得了iLite RHU项目(资助号ANR-16-RHUS-0005)和DHU Hepatinov的经费支持。
感谢 Isabelle Garcin 和巴黎萨克雷细胞成像网络在成像方面提供的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 µl- 移液器 Eppendorf Research Plus | Thermo Fisher Scientific | 3120000020 | |
| 100 µl - 移液器 Eppendorf Research Plus | Thermo Fisher Scientific | 3120000046 | |
| 1000 µl - 移液器 Eppendorf Research Plus | Thermo Fisher Scientific | 3120000062 | |
| 1X PBS | Thermo Fisher Scientific | 14190-094 | |
| 200 µl - 移液器 Eppendorf Research Plus | Thermo Fisher Scientific | 3120000054 | |
| 3,3′,5-三碘-L-甲状腺原氨酸钠盐 | Sigma-Aldrich | T5516 | NRC完全培养基终浓度 = 3.4 µg/mL |
| 乙酸 | VWR | 20104-298 | 终浓度0.02N |
| 气溶胶屏障移液器吸头 10 µl (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 2707439 | |
| 气溶胶屏障移液器吸头 1000 µl (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 2707404 | |
| 气溶胶屏障移液器吸头 200 µl (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 2707430 | |
| 抗生素-抗真菌素溶液 (100X) | Sigma-Aldrich | A5955 | NRC完全培养基终浓度 = 1:100 稀释 |
| 牛垂体提取物 | Thermo Fisher Scientific | 13028-014 | NRC完全培养基终浓度 = 30 µg/mL |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A2153 | 1:1000 稀释 |
| 化学成分明确的脂质浓缩液 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 11905-031 | NRC完全培养基终浓度 = 1:100 稀释 |
| 高浓度胶原蛋白,大鼠尾部来源 | Thermo Fisher Scientific | 354249 | 终浓度 50 µg/mL |
| 地塞米松 | Sigma-Aldrich | D4902 | NRC完全培养基终浓度 = 0.393 µg/mL |
| DMEM F12 | Thermo Fisher Scientific | 21331-020 | NRC完全培养基终浓度 = 1X |
| E-钙黏蛋白 兔抗人、大鼠 多克隆抗体 | Thermo Fisher Scientific | PA5-32178 | 1:400 稀释 |
| Eclipse TE300 倒置显微镜 | Nikon | 成像 | |
| 乙醇胺 | Sigma-Aldrich | E9508 | NRC完全培养基终浓度 = 0.32 mM |
| 胎牛血清 | Thermo Fisher Scientific | 10270-106 | NRC完全培养基终浓度 = 5:100 稀释 |
| 含DAPI的Fluoroshield(封片剂) | Sigma-Aldrich | F6057 | |
| 甲醛 16% (W/V) | Thermo Fisher Scientific | 28906 | 4% (W/V) |
| 山羊血清 | Thermo Fisher Scientific | 16210-064 | 1:10 稀释 |
| Hamamatsu相机(数字相机 C11440 ORCA - flash 4.OLT) | Hamamatsu | 成像 | |
| Hoechst 33258 | Sigma-Aldrich | B1155 | 终浓度 5 µg/mL |
| IgG (H+L) 高度交叉吸附 山羊抗兔 Alexa Fluor Plus 647 | Thermo Fisher Scientific | A32733 | 1:500 稀释 |
| ImageJ 版本 2.0.0-rc-69/1.52n | 开源图像处理软件 | ||
| 胰岛素-转铁蛋白-硒 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 51300-044 | NRC完全培养基终浓度 = 1:100 稀释 |
| L-谷氨酰胺 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 25030-024 | NRC完全培养基终浓度 = 1:100 稀释 |
| Matrigel GFR(储存浓度 9.7 mg/mL) | Thermo Fisher Scientific | 356231 | 4:10 稀释 |
| NIS Elements 软件版本 4.50.00 | Nikon | 图像采集与显示 | |
| 非必需氨基酸溶液 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 11140-035 | NRC完全培养基终浓度 = 1:100 稀释 |
| 物镜 Plan Fluor 10X/0.30 Ph1 DL (∞/1.2 WD 15.2) | Nikon | ||
| Prolong Gold 抗荧光淬灭试剂 | Thermo Fisher Scientific | P36931 | |
| 碘化丙啶 (PI) | Sigma-Aldrich | P4170 | 终浓度 20 µg/mL |
| 罗丹明鬼笔环肽 | Thermo Fisher Scientific | R415 | 终浓度 16.2 nM |
| Sir-Actin / Verapamil 试剂盒 | Spirochrome | SC001 | 终浓度 10 µM |
| 大豆胰蛋白酶抑制剂 | Thermo Fisher Scientific | 17075-029 | NRC完全培养基终浓度 = 50 µg/mL |
| 无菌细胞筛 40 µm (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 22363547 | |
| 无菌移液管 10 mL (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 1367811E | |
| 无菌移液管 5 mL (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 1367811D | |
| 无菌离心管 1.5 mL (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 11926955 | |
| 无菌离心管 15 mL (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 7200886 | |
| 无菌离心管 50 mL (Fisherbrand) | Thermo Fisher Scientific | 553913 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S0389 | 5:100 稀释 |
| 组织培养处理过的培养瓶 25cm2 (Falcon) | Thermo Fisher Scientific | 353108 | |
| 吐温-20 | Sigma-Aldrich | P1379 | 5:10000 稀释 |
| 胰蛋白酶-EDTA (0.05%) 含酚红 | Thermo Fisher Scientific | 25300-054 | 1X |
| 曲拉通 X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | 5:1000 稀释 |
| 维生素 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 11120-037 | NRC完全培养基终浓度 = 1:100 稀释 |
| μ-Slide 8 孔 ibiTreat, Ibidi | Clinisciences | 80826 |
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