本实验方案的目的是描述利用简便且易于获取的技术,生成并进行血管化人皮肤等效物的长期培养及其体积分析。在尽可能的情况下,阐述了各步骤的设计原理,以便研究人员能够根据自身研究需求进行定制化调整。
本实验方案的目的是描述利用简便且易于获取的技术,生成并进行血管化人皮肤等效物的长期培养及其体积分析。在尽可能的情况下,阐述了各步骤的设计原理,以便研究人员能够根据自身研究需求进行定制化调整。
人皮肤等效物(HSEs)是组织工程构建物,用于模拟人类皮肤的表皮和真皮组分。这些模型已被用于研究皮肤发育、伤口愈合以及移植技术。目前许多HSEs仍缺乏血管系统,并且通常依赖培养后组织学切片进行分析,从而限制了对结构的三维体积评估。本文介绍了一种利用易得材料制备带血管化人皮肤等效物(VHSE)的简便方案,并进一步描述了对这些构建物进行三维成像与定量分析的技术。简言之,VHSE在12孔培养插入式小室中构建,将真皮和表皮细胞接种于大鼠尾部I型胶原凝胶中。真皮层由分散在胶原凝胶中的成纤维细胞和内皮细胞组成;表皮层则由角质形成细胞(皮肤上皮细胞)构成,其在气-液界面处发生分化。重要的是,该方法可根据研究人员的需求进行定制,实验结果展示了使用两种不同类型成纤维细胞构建VHSE的情况:人真皮成纤维细胞(hDF)和人肺成纤维细胞(IMR90s)。VHSE在培养4周和8周时,通过共聚焦显微镜成像,并利用计算软件进行三维体积分析。本文还描述了一种优化的固定、染色、成像和透明化VHSE以实现三维观察的流程。该综合模型及其成像与分析技术可灵活适配各个实验室特定的研究需求,无论研究者是否具备HSE相关经验。
人体皮肤具有多种重要的生物学功能,包括作为免疫/机械屏障、调节体温、参与水分保持以及感觉功能1,2,3,4。从解剖学角度看,皮肤是人体最大的器官,由三层主要结构(表皮、真皮和皮下组织)组成,并包含复杂的基质、血管、腺体以及免疫/神经系统成分,此外还有表皮细胞。表皮本身由四层细胞构成,这些细胞不断更新,以维持皮肤的屏障功能及其他天然结构(如汗腺、皮脂腺和指甲)3。皮肤生理学在免疫功能、伤口愈合、癌症生物学等领域具有重要意义,因此研究人员广泛采用多种模型,从体外单层培养到体内动物模型均有涉及。动物模型能够用于研究皮肤生理的全部复杂性,但常用动物模型(如小鼠)与人类相比存在显著的生理差异5。这些局限性以及动物模型日益增加的成本,促使许多研究人员致力于开发更贴近人类皮肤生理的体外模型1,6。其中一种较简单的模型类型为人表皮等效物(HEE;也称为半厚度皮肤模型),其结构仅包含位于无细胞真皮基质上的人表皮角质形成细胞,但可再现体内所见的表皮分化与分层现象。在此基础上,包含真皮和表皮成分(角质形成细胞和成纤维细胞)的模型通常被称为人皮肤等效物(HSE)、全厚度皮肤模型或类器官皮肤构建物(OSC)。简而言之,这些模型通过将真皮细胞包埋于凝胶基质中,并在其表面接种表皮细胞而构建。随后通过特殊培养基和空气暴露诱导实现表皮分化与分层7。皮肤等效物通常采用自组装技术构建,所用真皮凝胶主要为I型胶原(来源于大鼠尾部或牛皮)1,8,但也有类似模型引入了其他基质成分,如纤维蛋白9,10、成纤维细胞来源基质11,12、尸体来源去表皮膜13,14,15,16、市售凝胶及其他材料1,12,13,17,18,19。目前已有商业化的人工皮肤等效物产品(如先前综述所述1,2),但这些产品主要针对治疗用途开发,难以根据特定科研问题进行定制化调整。
HSE 已被应用于伤口愈合、移植、毒理学以及皮肤疾病/发育的研究中11,12,13,16,8,20,21,22,23。尽管与二维培养相比,三维培养能更全面地模拟人体组织的功能24,但引入更多样化的细胞类型以更准确地反映体内细胞群体,可实现对复杂组织中细胞间协调作用的研究24,25,26。目前大多数 HSE 仅包含真皮成纤维细胞和表皮角质形成细胞27,而体内 皮肤环境还包括许多其他类型的细胞。近期研究已开始纳入更多细胞群体,包括血管中的内皮细胞10,28,29,30,31,32,33,34、皮下组织中的脂肪细胞35,36、神经组分19,21、干细胞27,37,38、免疫细胞10,39,40,41,42,以及其他疾病/癌症特异性模型16, 40, 43,44,45,46,47。其中尤为重要的是血管系统;尽管部分 HSE 包含血管细胞,但总体上仍缺乏贯穿整个真皮层的完整毛细血管结构10,29、长期的体外 稳定性28以及适当的血管密度。此外,HSE 模型通常通过培养后的组织学切片进行评估,这限制了对 HSE 三维结构的分析。三维分析可实现对血管密度的体积评估48,49,以及对表皮厚度和分化程度区域差异的分析。
尽管HSE是常用的类器官模型之一,但在构建这些结构时仍存在诸多技术挑战,包括合适的细胞外基质和细胞密度的确定、培养基配方、正确的气液界面操作程序以及培养后的分析方法。此外,虽然已有HEE和HSE模型的发表方案,但目前尚无整合真皮血管系统并采用三维体积成像而非组织学分析的详细实验流程。本研究提供了一种易于实施的血管化人皮肤等效物(VHSE)培养方案,主要使用商业化细胞系。该方案设计为高度可定制化,便于根据不同细胞类型和研究需求进行直接调整。出于可及性、可获取性和成本考虑,本方案优先采用简单易得的产品和制备技术,而非依赖商业化的成品。此外,本文还描述了简便的三维体积成像与定量分析方法,可用于评估VHSE的三维结构。将该操作流程转化为一种可靠且易于推广的实验方案,可使非专业研究人员也能在个体化医学、血管化组织工程、移植材料开发及药物评价等领域应用这些重要的模型。
1. 三维培养的准备工作
2. 三维胶原真皮组分的制备
注意:步骤 2 是一个对时间敏感的操作,必须在一次连续操作中完成。建议在开始真皮组分接种前,对胶原蛋白原液进行质量检查,以确保其能够正常凝胶化并具有均匀性;参见讨论部分的故障排除建议。




3. 表皮组分的接种与分层诱导
4. 血管化人皮肤等效物的常规维护
5. 三维结构的固定与通透处理
注意:步骤 5 已针对本 3D 构建体特有的成像技术进行了优化,相关技术在本方案其余部分中详述。以下步骤对于生成 VHSE 并非必需。
6. 三维结构的免疫荧光染色
7. 三维结构的共聚焦成像
注意:通过组织培养塑料成像无法获得与通过盖玻片玻璃成像相同的图像质量,本方法描述了定制玻璃底孔的制备,以防止共聚焦成像过程中样本干燥。通常,该方法足以支持至少3小时的成像。
本文介绍了一种利用端粒酶逆转录酶(TERT)永生化角质形成细胞(N/TERT-120,59)、成人人类真皮成纤维细胞(hDF)和人类微血管内皮细胞(HMEC-1)在体外构建血管化人皮肤等效物(VHSE)的实验方案(图1)。此外,本方案还通过使用常见的肺成纤维细胞系(IMR90)替代hDF,展示了该方法在VHSE构建及其稳定性方面的可定制性。VHSE的构建过程由步骤1至4完成,而步骤5至7为可选的终点处理与成像技术,已针对此类VHSE进行了优化。需要注意的是,VHSE可根据具体研究问题进行相应处理,步骤5至7并非构建该结构所必需。为展示一种体积分析方法,已完成了三维成像、分析及三维重建。这些体积结构制备与成像方案可在微观和宏观水平上保持VHSE的结构完整性,从而实现全面的三维分析。
对表皮和真皮的表征显示,VHSE 构建体中的人类皮肤具有相应的免疫荧光标志物(图 2、3)。细胞角蛋白 10(CK10)是一种早期分化角质形成细胞标志物,通常标记皮肤等效物中的所有颗粒层以上各层18,30,68(图 2)。兜甲蛋白(involucrin)和丝聚合蛋白(filaggrin)是角质形成细胞的晚期分化标志物,标记皮肤等效物中最表层的颗粒层以上细胞层12,30,68,69(图 2)。使用远红荧光核染料(见材料列表)标记表皮和真皮中的细胞核,Col IV 标记真皮中的血管结构(图 2、图 3、图 4)。在 HSE 培养模型中,表皮基底膜(BM)组分并不总是能够正确表达15,16;本实验方案中,BM 的 Col IV 染色结果并不稳定。针对 BM 组分与结构的研究,可通过进一步优化培养基、细胞条件及成像参数获得改善14。
尽管通过VHSE培养物整体进行共聚焦成像通常能够获得高分辨率图像,足以用于表皮和真皮的计算分析,但本文所述的透明化方法可实现更深层组织的成像。透明化可提高共聚焦激光的穿透深度,对透明化后的样本,有效成像深度可超过1 mm(未透明化样本约为250 µm)。所描述的透明化技术(甲醇脱水和水杨酸甲酯处理)可充分匹配VHSE样本组织内部的折射率61。对VHSE进行透明化处理后,无需任何操作(例如重新定位构建物以分别成像真皮和表皮),即可直接对整个构建物进行完整成像,(图3)。
体积图像可用于生成三维重建,以绘制每个构建体中的血管网络(图4)。简言之,采集多个VHSE亚体积区域从真皮到表皮方向的共聚焦图像集,以检测IV型胶原染色(标记血管壁)和细胞核(由远红荧光核染料标记)。将图像堆栈载入计算软件(见材料列表),并使用基于以下文献48,70,71,72,73,74,75的自定义算法进行三维重建与定量分析,方法如前所述48。该算法根据IV型胶原染色自动分割血管成分。体积分割结果被传递至基于快速行进法的骨架化算法75,76,77。骨架化可确定每条IV型胶原标记血管的精确中心,所得数据可用于计算血管直径以及血管体积分数(图4)。若无法获得激光扫描显微镜,宽场荧光显微镜是一种可行的替代方案;血管网络和表皮均可通过宽场荧光显微镜成像(补充图2)。使用宽场成像对VHSE进行三维定量分析是可行的,尽管由于离焦光信号的存在,可能需要更多的图像滤波和去卷积处理。

图1:血管化人皮肤等效物生成的示意图时间线。A) 显示VHSE模型的进展过程:1)真皮组分接种,2)将角质形成细胞接种至真皮组分上,3)通过气液界面诱导上皮分层并维持培养。在培养终点可进行培养后处理和容积成像。B) 培养8周终点时,hDF VHSE在培养插件中的宏观结构相机图像。VHSE出现不同程度的收缩属于正常现象;如本方案所述,可通过优化减少收缩。(1 和 2)收缩较少的样本。(3 和 4)尽管收缩较明显,仍可获得结构正常的皮肤组织。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:通过免疫荧光标志物对表皮进行表征。 所有图像均通过共聚焦显微镜在体外皮肤等效物(VHSE)培养至第8周时间点时采集。相应的染色方法在方案步骤6中描述。在hDF VHSEs(左列)和IMR90 VHSEs(右列)中均可见正常的上皮标志物表达。兜甲蛋白(Involucrin)和丝聚蛋白(Filaggrin)是角质形成细胞晚期分化的标志物,表明两种VHSE类型的表皮均已完全分层。角蛋白10(Cytokeratin 10)是早期分化标志物,用于识别VHSE中的棘层及以上表皮层。细胞核在正交视图中以黄色显示。表面观与正交最大投影图像通过计算软件生成;图像经过单独缩放处理,并采用背景扣除与中值滤波以提高清晰度。比例尺为100 µm。(一抗与二抗信息以及实验室自配封闭缓冲液配方见表3)。请点击此处查看该图的高清版本。

图3:未透明化与透明化后VHSE的对比。该VHSE由IMR90细胞生成,并在培养4周时间点通过共聚焦显微镜成像。胶原蛋白IV以青色显示;细胞核以品红色显示;在透明化后的三维重建中,品红色代表VHSE表皮层中细胞核的集中分布。未透明化的VHSE图像展示了在较厚VHSE结构中激光衰减的典型情况;经过透明化处理(甲醇和水杨酸甲酯)后,可从结构的真皮侧实现对整个构建物的成像,且激光衰减极小或无衰减。为减少过饱和现象,透明化VHSE的成像参数(包括激光线、增益和针孔)已调低。透明化与成像操作均按方案中第6步和第7步所述完成。正交最大投影图像与三维重建由计算软件完成,三维重建基于透明化后构建物的图像生成。所有图像均经过独立缩放,并采用背景扣除与中值滤波以提高清晰度。比例尺为100 µm。 请点击此处查看该图的放大版本

图4:VHSE内血管系统的三维分析。 通过共聚焦显微镜获取的体积图像,结合计算图像分析方法,可在培养终点对血管参数进行量化。从VHSE子体积中检测胶原蛋白IV染色信号(青色)以标记血管内皮壁,并根据胶原蛋白IV的位置实现血管结构的分割;分割数据随后进行骨架化处理,并确定每条血管的中心线(品红色)。图中展示了4周和8周IMR90 VHSE样本(未透明化)的三维骨架化示例。利用一组IMR90 VHSE实验的数据,计算了每个构建物中四个子体积(每个在z轴方向为250 µm)的血管直径和血管分数,数据先按每个VHSE取平均值,再按培养时间点进一步平均。结果显示,在4周和8周的培养期间,血管网络保持稳态,其血管直径与体内人皮肤相当78,血管分数也处于与体内人皮肤相近的数量级79(已有研究表明胶原构建物中的血管分数具有可调控性48,未来还可进一步优化以提高该数值)。数据以均值±标准误(S.E.M)表示;每个时间点n = 3。请点击此处查看该图的放大版本。
| 培养基 | 成分 |
| 人真皮成纤维细胞系 (hDF) | DMEM HG |
| 5% 胎牛血清 (FBS) | |
| 1% 青霉素/链霉素 (P/S) | |
| IMR90 成纤维细胞系 | DMEM/HAM’S F12 50:50 |
| 10% FBS | |
| 1% P/S | |
| HMEC-1 内皮细胞系 | MCDB131 基础培养基 |
| 10% FBS | |
| 1% P/S | |
| L-谷氨酰胺 [10 mM] | |
| 表皮生长因子 (EGF) [10 ng/mL] | |
| 氢化可的松 [10 µg/mL] | |
| N/TERT-1 角质形成细胞系 | K-SFM 培养基基础液 |
| 1% P/S | |
| 牛垂体提取物 (BPE) [25 µg/mL],来自 K-SFM 补充剂试剂盒 | |
| 表皮生长因子 (EGF) [0.2 ng/mL],来自 K-SFM 补充剂试剂盒 | |
| CaCl₂ [0.3 mM] | |
| 人皮肤等效物 (HSE) 分化培养基 | 3:1 DMEM: Ham’s F12 |
| 1% P/S | |
| 0.5 µM 氢化可的松 | |
| 0.5 µM 异丙肾上腺素 | |
| 0.5 µg/mL 胰岛素 |
表1:培养基配方。 提供了人真皮成纤维细胞、IMR90成纤维细胞、HMEC-1细胞以及N/TERT-1角质形成细胞的二维培养条件下的培养基配方。这些配方用于在构建病毒性人皮肤等效物(VHSE)前扩增细胞系。人皮肤等效物(HSE)分化培养基用于生成VHSE;此处给出基础配方,在浸没培养和分层诱导阶段的不同时期,应按照方案步骤3所述逐步减少添加FBS的量。本HSE配方基于以下文献来源11,80。
| 胶原蛋白储备液浓度 (Cs) : | 8 | mg/mL | ||
| 所需终体积 (Vf): | 1 | mL | ||
| 用于中和的 NaOH 调整量*: | 1 | X | ||
| *每批胶原蛋白均需测试以确定将 pH 调至 7–7.4 所需的 NaOH 用量 | ||||
| 所需胶原蛋白浓度 (mg/mL) | ||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 10X PBS (Vpbs) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 胶原蛋白储备液 (Vs) | 0.25 | 0.375 | 0.5 | 0.625 |
| 1N NaOH (VNaOH) | 0.00575 | 0.008625 | 0.0115 | 0.014375 |
| 培养基 (Vmedia) | 0.64425 | 0.516375 | 0.3885 | 0.260625 |
表2:胶原蛋白计算参考表。该参考表基于8 mg/mL的胶原蛋白母液浓度和1 mL的终体积,列出了常用的胶原蛋白终浓度及其所需体积(单位均为mL)。这些数值的计算公式见实验方案第2.2步。每次使用胶原蛋白母液前必须检测其pH值;必要时应加入NaOH调节pH至7–7.4(在加入PBS、NaOH、胶原蛋白母液和培养基后)。本实验方案采用3 mg/mL的胶原蛋白浓度,已针对VHSE细胞系进行优化;对于不同细胞系或预期实验结果,可能需要调整胶原蛋白浓度48。
| 一抗 | 来源 | 浓度 | 用途 |
| Filaggrin (AKH1) 小鼠单克隆 IgG | Santa Cruz; sc-66192 (200 µg/mL) | [1:250] | 晚期分化标志物15 |
| Involucrin 兔多克隆 IgG | Proteintech; 55328-1-AP (30 µg/150 µL) | [1:250] | 晚期终末分化标志物15 |
| Cytokeratin 10 (DE-K10) 小鼠 IgG,上清液 | Santa Cruz; sc-52318 | [1:350] | 表皮棘层上部标志物14,36,59 |
| Collagen IV 兔多克隆抗体 | Proteintech; 55131-1-AP | [1:500] | 内皮血管壁标志物67 |
| DRAQ 7 | Cell Signaling; 7406 (0.3 mM) | [1:250] | 核标志物 |
| 二抗 | 来源 | 浓度 | 用途 |
| 山羊抗兔 IgG DyLight™ 488 标记 | Invitrogen; 35552 (1 mg/mL) | [1:500] | Collagen IV 二抗 |
| 抗兔 IgG (H&L) (GOAT) 抗体,DyLight™ 549 标记 | Rockland Immunochemicals; 611-142-002 | [1:500] | Involucrin 二抗 |
| 山羊抗小鼠 IgG (H&L), DyLight™ 488 | Thermo Scientific; 35502 (1 mg/mL) | [1:500] | Filaggrin 或 Cytokeratin 10 二抗 |
| 封闭缓冲液 (500 mL) | |||
| 试剂 | 用量 | ||
| ddH2O | 450 mL | ||
| 10 x PBS | 50 mL | ||
| 牛血清白蛋白 (BSA) | 5 g | ||
| Tween 20 | 0.5 mL | ||
| 冷溶性鱼明胶 | 1 g | ||
| 叠氮化钠 (10% 叠氮化钠溶于 diH2O) | 5 mL (终浓度 0.1 %) | ||
表3:一抗和二抗以及封闭缓冲液配方。 所列抗体和化学染料用于图2、图3、图4中所示的染色。染色按照第6步实验方案使用此处列出的封闭缓冲液配方完成。根据所选的培养技术和细胞系,可能需要对染色浓度和孵育时间进行一些优化。
补充表1:缩略语列表。为方便读者查阅,提供以下缩略语列表。请点击此处下载该表格。
补充 图1:VHSE 操作技术辅助示意图。VHSE 的操作具有挑战性,尤其是在固定、处理和染色过程中。A-D 对应步骤 5-7 中的操作说明。A 展示了从培养插件中取出多孔膜的技术操作,以确保染色充分。B 展示了在染色和储存过程中如何保持每个 VHSE 完全浸没。C 展示了将构建物转移至 PDMS 成像孔的最安全且最简便的方法。D 显示一个 VHSE 置于 PDMS 成像孔中的状态:PDMS 孔底部粘附于载玻片上,形成成像窗口;上方覆盖另一块载玻片,以在长时间成像过程中维持湿度。请点击此处下载该文件。
补充 图2:标准宽场荧光显微镜可用于评估血管化皮肤等效物(VHSEs)。在无法获得激光扫描显微镜的情况下,宽场成像可用于常规的容积成像评估。例如,从顶端和基底外侧两个方面对VHSEs进行成像,并以正面视图和正交(Ortho.)最大投影方式展示。(上图)使用包壳蛋白(involucrin)和细胞核作为标记物对表皮进行成像。(下图)使用IV型胶原作为标记物对真皮血管系统进行成像。图像经过背景扣除以提高清晰度。由于来自非焦平面的光线,正交视图中可见“条纹”或“光晕”伪影。宽场成像可用于定量分析,但可能需要更多的图像处理步骤。请点击此处下载该文件。
本方案展示了一种简单且可重复的血管类器官(VHSE)生成及其三维分析方法。该方法仅依赖少量专业技术和设备,因此适用于各类实验室。此外,通过有限的方案调整即可替换细胞类型,使研究人员能够根据自身需求灵活优化本实验流程。
正确的胶原蛋白凝胶化是建立皮肤培养过程中具有挑战性的步骤。尤其是使用未经纯化的粗制制剂时,痕量污染物可能会影响凝胶化过程。为确保实验的一致性,用于生成 VHSE 的实验组应使用同一批次的胶原蛋白储备液进行。此外,理想的凝胶化应在 pH 7–7.4 条件下进行,而痕量污染物可能导致 pH 值偏移。在使用任何胶原蛋白储备液之前,应先配制一份无细胞的凝胶样品,达到目标浓度后,在凝胶化前测量其 pH 值。在开始真皮组分接种前完成此项胶原蛋白质量检查,可提前发现凝胶化是否正常以及胶原蛋白是否均一等问题,避免在完整实验体系建立后出现问题。可将少量胶原蛋白直接滴加到能够检测全 pH 范围的 pH 试纸上,而非直接接种于培养插件上,以确认 pH 值处于 7–7.4 范围内。凝胶化效果可通过将胶原蛋白凝胶溶液滴加到盖玻片或组织培养用塑料孔板上进行评估(推荐使用孔板,以模拟培养插件的受限侧壁环境)。经过凝胶化时间后,胶原蛋白应呈固态,即当孔板倾斜时不会流动。在相差显微镜下观察,胶原蛋白应呈现均一且透明的外观。接种过程中偶尔出现的小气泡属于正常现象,但在透明凝胶内部若出现大块不透明的无定形团块,则提示存在问题,可能源于混合不充分、pH 值不当,和/或在混合过程中未能保持胶原蛋白处于低温状态。
细胞接种量和培养基可进行调整。在上述方案中,包埋细胞的数量已针对12孔插入式培养板进行了优化,每毫升胶原中包含7.5 × 104个成纤维细胞和7.5 × 105个内皮细胞,同时在真皮结构顶部接种1.7 × 105个角质形成细胞。该血管化人皮肤等效物(VHSE)方案中的细胞密度是基于前期研究以及既往关于不同胶原浓度下三维血管网络形成48和人皮肤等效物(HSE)构建22,80,81的研究结果优化确定的。在类似系统中,已发表的内皮细胞密度为1.0 × 106个细胞/mL胶原48;成纤维细胞浓度通常介于0.4 × 105个细胞/mL胶原22,28,82至1 × 105个细胞/mL胶原8,58,83,84,85之间;角质形成细胞浓度范围则为0.5 × 105 [个细胞/cm2]80至1 × 105 [个细胞/cm2]8。可根据特定细胞类型和研究问题进一步优化细胞密度。含有收缩性细胞(如成纤维细胞)的三维培养可能发生收缩,导致细胞活力下降甚至培养失败86,87。应开展预实验以检测真皮区室的收缩情况(该现象可能由更多真皮细胞、更强收缩活性的真皮细胞、更长的浸没培养时间或更软的基质引起),并评估表皮表面覆盖程度。此外,若出现明显的真皮收缩或需要不同的角质形成细胞覆盖速率,也可对浸没培养天数及血清浓度梯度降低速率进行个性化调整。例如,若在真皮浸没培养期间或角质形成细胞形成表面单层过程中观察到收缩现象,可加快血清梯度降低过程,并尽早将VHSE提升至气液界面(ALI)培养,有助于防止进一步收缩。同样地,若角质形成细胞覆盖不理想,调整无血清条件下VHSE浸没培养的天数可能有助于提高表皮单层覆盖度,并因去除血清而减轻收缩。上述细胞密度的调整或其他建议均需根据具体的培养体系和研究目标进行优化。
在气液界面(ALI)培养期间,为建立正常的表皮分层结构,必须定期检查并维持每孔中的液体水平,以确保在整个培养过程中维持气液界面状态及各构建物的适当水合状态。应每日检查并记录培养基液面,直至气液界面水平保持稳定。表皮层应呈现水润状态,而非干燥,但构建物表面不应有培养基积聚。在气液界面阶段,构建物将逐渐呈现正常的不透明乳白/黄色。表皮层的发育可能不均匀,常见情况包括:由于胶原接种或真皮层收缩,VHSE(全层皮肤等效物)出现倾斜。在较小规格的构建物(24孔板尺寸)中,常可见中央区域表皮层较高;而在12孔板尺寸的构建物中,常可见表皮在周边形成脊状结构。构建物的收缩13可能导致这些表面形态改变,或使上述现象完全不出现。
对VHSEs进行染色和成像会引入机械操作。规划并尽量减少对每份培养物的操作至关重要。当必须进行操作时,在将VHSEs从插入膜上取下、向构建物表面添加染色液或洗涤液,以及在成像准备过程中将VHSEs从储存/成像孔中取出和放回时,均应保持轻柔的操作动作。特别需要注意的是,表皮组分的顶端层可能较为脆弱,存在从基底表皮层脱落的风险。即使在天然组织中,表皮的顶端层也较为脆弱并会发生脱屑现象4,但为了准确分析表皮结构,应尽量减少损伤或丢失。如果表皮层从构建物上剥离,可将其单独成像。通常基底表皮层仍附着在真皮层上,而部分顶端层可能发生脱离。为了观察表皮结构,使用细胞核染色有助于识别,因为细胞核密集是表皮中下层的特征。
本方案中已讨论了VHSE固定后的共聚焦成像,但也可在培养过程中通过基于直立显微镜的光学相干断层扫描(optical coherence tomography, OCT)对VHSE进行成像88,89,90,91,92,93。VHSE具有足够的稳定性,可在无需孵育或加湿的条件下持续成像至少两小时,且无明显影响。由于OCT无需标记且具有非侵入性,因此可在成熟过程中连续监测表皮厚度。其他非侵入性成像方式也可能适用。
由于激光在VHSE深层发生衰减,对真皮和表皮结构进行整体成像可能具有挑战性。可通过从两个方向对构建物进行成像来缓解这一问题:从表皮侧(图1)和从真皮侧(图2),从而实现对真皮血管结构和表皮的良好分辨率。此外,可对样本进行透明化处理,以实现对整个结构的容积成像,并将信号衰减降至最低。尽管尝试了多种透明化方法,但采用甲醇/水杨酸甲酯法所获得的结果最佳。希望优化其他透明化方法的研究人员可参考以下综述49,61,62。若进行透明化处理,建议在处理前先对样本进行完整的成像,因为该方法可能损伤荧光团和/或组织结构。此外,透明化后应尽快完成成像,因为荧光可能在数天内逐渐减弱。
为简便性和可及性起见,本方案采用了先前文献中报道的最简单的培养基混合物11,80。尽管使用简单培养基混合物具有诸多优势,但该选择的局限性也应被充分认识。其他研究团队已探讨了特定培养基组分对表皮和真皮健康的影响,并发现其他培养基添加剂94(如外源性游离脂肪酸/脂质)可增强表皮角质层并改善皮肤屏障功能。尽管我们的免疫荧光标记显示表皮具有适当的分化和分层结构,但根据具体研究目的的不同,可能仍需进一步优化培养基。此外,在评估本文所呈现的血管化皮肤等效物(VHSEs)时,尚未对表皮基底膜(BM)进行深入分析。BM的完整性是评价皮肤等效物的重要指标;多个研究团队已对培养时长及其对BM标志物的影响95,以及成纤维细胞的存在和添加生长因子对BM表达的影响进行了研究14。值得注意的是,在使用本方案时,应对BM组分进行评估和优化。
本方案描述了一种生成 VHSE 的操作流程,并展示了在气液界面(ALI)培养 8 周后的结果。VHSE 培养物在 ALI 条件下已成功维持长达 12 周,未见明显变化或活力丧失,且其存活时间可能更长。重要的是,本方案可便捷地适配于常见的细胞类型,例如以 IMR90 肺成纤维细胞替代真皮成纤维细胞即为一例。根据研究者的需求和可用资源,可对培养体系中的细胞类型和培养基配方进行调整,但差异较大的细胞类型可能需要优化培养基条件。总之,这些操作步骤旨在为皮肤生物学与疾病研究中的 VHSE 培养提供清晰、可靠的指导。为最大限度提升可及性,本方案采用常见设备、细胞系和试剂,设计为一种简洁而稳健的最小有效方法,可进一步根据具体研究需求进行定制化调整。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Jim Rheinwald 博士59 和 Ellen H. van den Bogaard 博士20 慷慨惠赠 N/TERT 细胞系。本研究由美国心脏协会(19IPLOI34760636)提供资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 1 N NaOH | Fisher Chemical | S318-100 | (从实验室储备液稀释) |
| 4% 多聚甲醛 | ACROS Organics | #41678-5000,批号 # B0143461 | 使用 PBS 中的固体多聚甲醛配制,pH 调至 6.9 |
| 高压灭菌的镊子 | Fine Science Tools | #11295-00 | Dumont #5 镊子 |
| CaCl2 | Fisher 生物试剂 | 货号 BP510-250,批号 190231 | RNase、DNase、蛋白酶无污染 |
| 细胞系,内皮细胞:微血管内皮细胞(HMEC1) | ATCC | CRL-3243 | SV40 永生化微血管内皮细胞。注意,使用了每毫升 750,000 个细胞的胶原。 |
| 细胞系,成纤维细胞:成人皮肤人成纤维细胞 | ATCC | PCS-201-012 | 原代真皮细胞。注意,胶原中使用了75,000 个细胞/mL。 |
| 细胞系,成纤维细胞:人肺成纤维细胞(IMR90) | ATCC | CCL-186 | 原代胚胎细胞。注意使用了75,000 个细胞/mL 的胶原蛋白。 |
| 细胞系,角质形成细胞:N/TERT-1 | 通过hTERT表达实现永生化。N/TERT-1细胞系使用携带潮霉素抗性基因的逆转录病毒载体构建。该细胞系由Dickson等人于2000年建立。可使用ATCC PCS-200-010或PCS-200-011替代。注意每种构建体使用170,000个细胞;必须使用汇合度为30%的培养皿中的N/TERT1细胞——两个90 mm、汇合度为30%的组织培养皿可提供足量细胞。作者感谢Jim Rheinwald博士和Ellen H. van den Bogaard博士慷慨惠赠N/TERT细胞系。 | ||
| 离心 | 赛默飞世尔科技;Sorvall Legend X1R | (标准实验设备) | |
| 计算软件 | MATLAB | MATLAB 2020a | MathWorks,马萨诸塞州纳蒂克 |
| 共聚焦显微镜 | Leica TCS SPEII 共聚焦显微镜 | 激光扫描共聚焦显微镜。可替换为其他共聚焦显微镜或去卷积显微镜。 | |
| 盖玻片(22 × 22) | Fisher Scientific | 12-545F | 0.13-0.17 mm 1号厚度 |
| 氰基丙烯酸酯超级胶水或硅脂 | 胶粘剂专家 | #THI0102 | Glue Masters,厚型,瞬干胶,氰基丙烯酸酯;推荐使用强力胶 |
| DMEM 培养基基础液 | 康宁;美迪特克公司 | 货号 10-013-CM;批号 26119007 | DMEM,1×(Dulbecco 改良 Eagle 培养基),含 4.5 g/L 葡萄糖、L-谷氨酰胺 && 磷酸盐缓冲液(含丙酮酸钠) |
| DMEM/F-12 50/50 | 康宁;美迪特克公司 | 货号 10-090-CV;批号 21119006 | DMEM/F-12 50/50,1×(Dulbecco改良Eagle培养基/Ham's F12 50/50混合液),含L-谷氨酰胺 |
| 乙醇 | Decon Labs | #V1101 | (标准实验室试剂) |
| 胎牛血清 | Fisher Scientific | 货号 # FB12999102,批号 # AE29451050 | 研究级胎牛血清,三重0.1 μm无菌过滤 |
| 精细尖头镊子 | Fine Science Tools | #11295-00 | Dumont #5 镊子 |
| 人表皮生长因子(EGF) | Peprotech | 货号 AF-100-15-1MG,批号 0318AFC05 D0218 | 用 PBS 中含 0.1% BSA 的溶液配制 |
| 氢化可的松 | Alpha Easar | 批号 # 5002F2A | 用DMSO配制 |
| 胰岛素(人) | Peprotech | 批号 # 9352621 | |
| 倒置光学/相差显微镜 | VWR | 76317-470 | (标准实验设备) |
| 异丙肾上腺素 | Alfa Aesar | #AAJ6178806 | DL-异丙肾上腺素盐酸盐,98% |
| 角质形成细胞-SFM(1x)培养基基础液 | Gibco;Life Technologies 公司 | 货号:10724-011;批号:2085518 | 角质形成细胞无血清培养基(1X);无血清培养基 |
| L-抗坏血酸 | Fisher Chemical | 货号 A61-100,批号 181977,CAS 号 50-81-7 | 结晶状。L-抗坏血酸也可作为盐的形式购买 |
| L-谷氨酰胺(固体) | Fisher Bioreagents | 货号 # BP379-100,批号 # 172183,CAS # 56-85-9 | L-谷氨酰胺,白色晶体或结晶性粉末 |
| MCDB 131 培养基基础 | Gen Depot | CM034-050,批号 # 03062021 | MCDB 131 培养基基础,不含 L-谷氨酰胺,无菌过滤 |
| 金属打孔器 | Sona Enterprises (SE) | 791LP,12孔板 | 空心皮革打孔器套装,高碳钢,硬度:48HRC;(多种尺寸,包括):1/8", 5/32", 3/16", 7/32", 1/4", 9/32", 5/16", 3/4", 7/16", 1/2", 5/8:, 3/4"此打孔器套装很有帮助,但使用X-acto刀片也可达到类似效果。适用于12孔Transwell VHSE的金属打孔器理想尺寸为3/8英寸。" 或 1/2". |
| 甲醇 | Fisher Chemical | CAS # 67-56-1 | (可选)用于透明脱水步骤。 |
| 水杨酸甲酯 | Fisher Chemical | O3695-500;批号 # 164535;CAS # 119-36-8 | (可选)。用于透明化。 |
| 1.7 mL 微量离心管 | Genesee Scientific Corporation;Olympus Plastics | 货号 # 24-282;批号 # 19467 | 1.7 ml 微量离心管,透明;耐煮沸,聚丙烯材质,经认证无RNase、无DNase、无DNA、无PCR抑制剂且无内毒素 |
| PBS,10倍浓度,细胞培养级或经高压灭菌 | APEX Bioresearch Products | 货号 # 20-134,批号 # 202237 | PBS缓冲液,10倍浓缩干粉包;将整包内容物加入容器中,加水至1升,配制成10倍浓缩液。 |
| PBS,1× 细胞培养级,无钙,无镁 | Genesee Scientific Corporation | 货号 # 25-508;批号 # 07171015 | |
| PBS,1× 非细胞培养级 | APEX Bioresearch Products | 货号 # 20-134,批号 # 202237 | PBS缓冲液,10倍浓缩干粉包;将整包内容物加入容器中,加水至1升,配制成10倍浓缩液。使用时加水稀释至1倍工作浓度。 |
| 青霉素/链霉素 | Gibco;Life Technologies 公司 | 货号 # 15140-122,批号 # 2199839 | 青霉素-链霉素双抗溶液(10,000 单位/毫升 青霉素;10,000 微克/毫升 链霉素) |
| 小玻璃培养皿 | 康宁 | PYREX 316060 | (可选)。用作透明化容器 |
| 培养皿,100 mm | Fisher Scientific | FB0875713 | 用于配制PDMS。 |
| 聚二甲基硅氧烷(PDMS) | 道康宁 | GMID 02065622,批号 H04719H035 | Sylgard 184 硅弹性体基础剂,Dow Corning,Midland,MI |
| 道康宁 | GMID 02065622,批次号 H047JC4003 | DOWSIL 184 硅酮弹性体固化剂 | |
| 注:聚二甲基硅氧烷(PDMS)通常以套件形式出售,包含基础剂和固化剂两种组分。 | |||
| 正向置换移液器(1000 && 250 μL | Gilson | 1000 μL:HM05136,M1000;250 μL:T12269L | M1000 移液器量程(100–1000 μL);M250 移液器量程至 250 μL |
| 正向置换吸头/活塞(1000 && 250 μL | Gilson | 1000 uL:货号 # F148180,批号 # B01292902S;250 uL:货号 # F148114,批号 # B05549718S | 无菌毛细管和活塞 |
| 圆头刮勺 | (可选;标准实验设备)用于成像前对VHSEs进行操作 | ||
| 角质形成细胞无血清培养基(Keratinocyte-SFM)添加剂 | Gibco;Life Technologies 公司 | 货号 # 37000-015,批号 # 2154180 | 含人重组表皮生长因子(EGF,货号 # 10450-013)、牛垂体提取物(货号 # 13028-014) |
| 组织培养板插件,12孔板规格,3个 µm 孔径大小 | 康宁;康斯特 | 货号 3462 - 澄清;批号 14919057 | Transwell;12 mm 直径插件,3.0 μm 孔径,经组织培养处理,聚酯膜,聚苯乙烯板 |
| 12 孔组织培养板 | Greiner Bio-one;CellStar | 货号 # 665 180;批号 # E18103QT | 12孔细胞培养板;无菌,带盖;产品无菌,无可见DNA酶、RNA酶、人类DNA和热原。内容物无细胞毒性 |
| 组织培养板,60.8 cm² 培养面积 | Genesee Scientific Corporation | 货号 # 25-202;批号:191218-177B | 组织培养皿;经处理,生长面积 60.8 cm^2;无菌,无DNase、无RNase、无热原;本体聚苯乙烯 |
| Triton X-100 | Ricca Chemical Company | 货号 # 8698.5-16,批号 # 4708R34 | 润湿剂 |
| 0.25% 胰蛋白酶 | 康宁;美迪特公司 | 货号 # 25-053-CI | 0.25% 胰蛋白酶,2.21 mM EDTA,1× 不含碳酸氢钠 |
| 从大鼠尾部分离的I型胶原蛋白 | Pel-Freez 生物制品公司 | 56054-1 | Sprauge-Dawley 大鼠尾可从 Pel-Freez 或其他供应商处购买冷冻品。可从大鼠尾腱中分离胶原蛋白。分离方案参考文献 [Cross et al., 2010; Rajan et al., 2007; Bornstein, 1958]。或者,也可从包括 Corning(目录号:354249)在内的供应商处购买高浓度大鼠尾胶原蛋白。 |
| 真空室,台式 | Bel-Art | F42010-0000 | (标准实验设备) |
| 手持式精密刀具 | X-Acto | X3311 | (若已购买钢制打孔器,则可不使用X-Acto刀) |