我们介绍了一种分离和培养原代小鼠胚胎腭部间充质细胞的方案,用于进行二维(2D)生长和伤口修复实验的延时成像。同时提供了分析延时成像数据的方法,以确定细胞流的形成及定向运动能力。
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我们介绍了一种分离和培养原代小鼠胚胎腭部间充质细胞的方案,用于进行二维(2D)生长和伤口修复实验的延时成像。同时提供了分析延时成像数据的方法,以确定细胞流的形成及定向运动能力。
腭的发育是一个动态过程,包括两侧腭突在舌侧垂直生长,随后抬升并融合至舌上方。该过程中的缺陷可导致腭裂,这是一种常见的出生缺陷。近期研究表明,腭突抬升涉及一个重塑过程,使腭突的方向从垂直转变为水平。腭突间充质细胞在此动态重塑过程中的作用一直难以研究。基于延时成像的定量分析最近被用于显示小鼠胚胎原代腭间充质(MEPM)细胞能够自组织形成集体性运动。定量分析可识别出具有腭突抬升缺陷的小鼠模型中突变型MEPM细胞的差异。本文描述了从E13.5胚胎中分离和培养MEPM细胞的方法,特别适用于延时成像,并确定集体运动的各种细胞特性,包括细胞流形成、形态排列以及运动方向持续性的量化指标。本文提出,MEPM细胞可作为研究腭突间充质在抬升动态过程中作用的替代模型。这些定量方法将使颅面研究领域的研究人员能够评估和比较对照细胞与突变细胞中集体运动的特性,从而加深对腭突抬升过程中间充质重塑的理解。此外,MEPM细胞为研究集体细胞运动提供了一种罕见的间充质细胞模型。
腭的发育已被广泛研究,因为腭发生过程中的缺陷会导致腭裂——一种常见的出生缺陷,可单独出现,也可作为数百种综合征的一部分发生。1,2胚胎腭的发育是一个涉及胚胎组织运动和融合的动态过程。该过程可分为四个主要阶段:1)腭突的诱导,2)腭突在舌侧垂直生长,3)腭突抬升至舌上方,4)腭突在中线处融合。1,3,4在过去几十年中,已鉴定出许多表现出腭裂的小鼠突变体5,6,7,8. 对这些模型的表征已 表明在腭突诱导、增殖和融合阶段存在缺陷;然而,腭突抬升缺陷却较为罕见。因此,探究腭突抬升的动态过程成为一个引人关注的研究领域。
对一些具有腭突提升缺陷的小鼠突变体进行细致分析后,目前的模型表明,腭突的最前部区域似乎发生向上翻转,而在腭部中后区域则发生从垂直方向到水平方向的运动或 “重塑”""1,3,4,9,10,11。腭突的内侧缘上皮可能启动了这一重塑过程所需的信号,随后由腭突间充质驱动该过程。最近,许多研究人员在表现出涉及腭突的短暂口腔粘连的小鼠模型中发现了腭突提升延迟12,13。间充质的重塑包括细胞的重新排列,以在水平方向形成隆起,同时在垂直方向回缩腭突9,10,14。在多种被提出影响腭突提升及潜在间充质重塑的机制中,包括细胞增殖15,16,17、趋化梯度18以及细胞外基质成分19,20。由此产生了一个重要问题:在Specc1l-缺陷小鼠中观察到的腭突提升延迟是否也部分源于腭突重塑缺陷,而这种重塑缺陷是否可能表现为原代MEPM细胞行为的内在缺陷21?
原代MEPM细胞已广泛应用于颅面领域的多项研究,涉及基因表达22,23,24,25,26,27,28,29,少数研究涉及细胞增殖30,31和迁移25,31,32,但尚无用于集体细胞行为分析的研究。本研究通过二维培养和伤口修复实验进行MEPM细胞的延时成像,结果表明MEPM细胞表现出定向运动,并形成密度依赖性的细胞流,具备集体运动的特征21。此外,Specc1l 突变细胞形成的细胞流较窄,且细胞迁移轨迹高度不一致。这种运动协调性的缺失被认为可导致Specc1l 突变胚胎腭板抬升的延迟13,21。因此,利用原代MEPM细胞进行的这些相对简单的实验,可作为研究腭板抬升过程中间充质重塑的替代方法。本文描述了原代MEPM细胞的分离与培养,以及二维培养和伤口修复实验的延时成像与分析方法。
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所有涉及动物的实验均依照堪萨斯大学医学中心机构动物护理和使用委员会批准的方案进行,并遵循其指南和规定(方案编号:2018-2447)。
1. 收集 E13.5 胚胎
2. 从胚胎中分离腭突(图1)
注意:每次处理完一个胚胎后,需对不锈钢解剖器械(参见材料表)进行灭菌,先将其放入盛有100%乙醇(EtOH)的烧杯中,然后置于350 °C的器械灭菌器中加热10秒,最后再放入第二个盛有100%乙醇的烧杯中冷却。
3. MEPM 细胞的培养
注意:在此所述条件下,腭部上皮细胞无法存活至第一次传代,从而获得纯的腭部间充质细胞培养物。所有步骤均须在组织培养罩内采用无菌技术进行。
4. MEPM 细胞的冷冻保存
5. MEPM 细胞活体成像——二维集体迁移实验(图2)
6. MEPM 细胞在伤口修复实验中的活体成像(图3)
7. 延时图像序列的计算分析
注意:在配备标准计算工具(如 Python 解释器、C 编译器和 shell)的计算机上执行以下操作(参见材料表)。


图 4:单个细胞轨迹的分析。(A)相差显微镜延时图像经过(B, C)手动追踪处理,标记细胞(绿色点)。(D)每个被区分的细胞(以其编号标识)在每一帧 f 中的位置(x, y)被记录下来。(E)轨迹可叠加在显微图像上,并以颜色编码表示时间信息。例如,在每条轨迹中,从蓝色到红色的色谱表示逐渐靠后的轨迹片段,其中蓝色和红色分别标记细胞的起始和最终位置。(F)可提取轨迹的各种统计特性(如均方位移),用于表征不同细胞群体的运动能力,在本例中包括野生型(wt,蓝色)和敲低型(kd,红色)MEPM 细胞。比例尺代表 100 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
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。在合适的时间点t,通过这些单细胞测量值的群体平均值来表征培养物37。
对U(x)流场进行拟合,其中a, x0和U0为拟合参数。在三个拟合参数中,重点关注x0,即相关长度(图5I,J),它表示局部速度-速度相关性消失的特征距离。
图 5:培养细胞流形成特征的表征。(A,D)使用来自图 4A的相差时间推移图像来识别细胞运动。对于每个移动的细胞,将参考坐标系(蓝色)和空间分箱(白色)共同对齐,以将邻近细胞分类为位于前方、后方、左侧或右侧。(B,E)邻近细胞的速度(黑色矢量)相对于同一参考坐标系进行分析(C,F)。该过程对每个细胞和每个时间点重复进行。(G)在汇总这些局部信息后,每个分箱将包含多个速度矢量(灰色),可通过取平均值得到相对于一个平均运动细胞在不同位置处的平均共运动速度(品红色箭头)。(H)因此,平均速度图可表征相对于一个移动细胞在不同位置处的典型细胞速度。(I,J)最后,沿前后(平行)轴和左右(垂直)轴对该矢量场进行采样。请点击此处查看该图的放大版本。
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腭突的解剖过程如图1所示。切口顺序的设计旨在最大限度减少组织滑动。在移除头部后(图1A、B),去除下颌(图1B、C)。对头部上部进行切开(图1C、D),以便将组织倒置后固定(图1E),从而观察(图1E,虚线)、夹取(图1F)并切除腭突(图1G)。
将单个胚胎中切除的成对腭突在35 mm培养皿或6孔板的孔中进行胰蛋白酶消化并培养。不推荐使用较大的培养皿,因为细胞密度过低,不利于最...
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腭突板抬升是一种从垂直方向到水平方向的重塑事件1,3,4,9,11。据推测,这一重塑过程需要腭突板间充质细胞协调一致地活动。对野生型MEPM细胞的分析表明,这种细胞行为是内在的,并且可以被量化21。因此,这些检测方法可用于揭示新建立或已有腭裂小鼠模型中腭突板抬升的原发性缺陷。第1和第2节中所述方法可使研究人员分离、培养并冻存多份原代MEPM细胞。这些细胞可用于多种实验应用,包括本文所述的二维培养和伤口修复检测。二维培养结合延时成像,提供了一种简单的方法,可在不同细胞密度条件下测定细胞的基本特性。本文介绍了一种评估细胞排列和细胞流形成的方法,这两者是细胞集体运动的特征(图4)。伤口闭合检测常用于评估细胞迁移能力...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本项目部分得到了美国国立卫生研究院基金 DE026172(I.S.)和 GM102801(A.C.)的支持。I.S. 还部分得到了生物医学研究卓越中心(COBRE)基金(美国国立普通医学科学研究所 P20 GM104936)、堪萨斯生物医学研究卓越创新网络基金(美国国立普通医学科学研究所 P20 GM103418)以及堪萨斯智力与发育障碍研究中心(KIDDRC)基金(尤妮斯·肯尼迪·施莱佛国立儿童健康与人类发育研究所 U54 HD090216)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 250 mL 烧杯(x2) | Fisher Scientific | FB-100-250 | |
| CO2 | Matheson Gas | UN1013 | |
| 15 mL 圆锥管(x1) | Midwest Scientific | C15B | |
| Debian 操作系统 | 延时图像的计算分析 | ||
| 含 4 mM L-谷氨酰胺和丙酮酸钠的杜尔贝科改良伊格尔培养基/高糖 | Cytiva Life Sciences | SH30243.01 | |
| 乙醇,100% | Decon Laboratories | 2701 | |
| EVOS FL Auto | ThermoFisher Scientific | AMAFD1000 | |
| EVOS 载台培养箱 | ThermoFisher Scientific | AMC1000 | |
| EVOS 载台容器架,多孔板用 | ThermoFisher Scientific | AMEPVH028 | |
| 胎牛血清 | Corning | 35-010-CV | |
| 精细 #5 不锈钢镊子(x2) | Fine Science Tools | 11295-10 | 解剖 |
| 器械灭菌珠浴仪 | Fine Science Tools | 18000-45 | |
| 1.5 mL 微型离心管 | Avant | 2925 | |
| 直头不锈钢显微解剖剪 | Roboz | RS-5910 | 解剖 |
| NucBlue(Hoechst)活细胞即用型探针 | ThermoFisher Scientific | R37605 | |
| 青霉素-链霉素溶液,100x | Corning | 30-002-CI | |
| 硅胶插件,双孔 | Ibidi | 80209 | |
| 小型带孔不锈钢勺 | Fine Science Tools | MC17C | 解剖 |
| 弹簧剪,4 mm | Fine Science Tools | 15018-10 | |
| 无菌 10 cm 培养皿 | Corning | 430293 | |
| 无菌 12 孔板 | PR1MA | 667512 | |
| 无菌 6 孔板 | Thermo Fisher Scientific | 140675 | |
| 无菌 PBS | Corning | 21-031-CV | |
| 无菌塑料球状移液管 | ThermoFisher Scientific | 202-1S | |
| 胰蛋白酶,0.25% | ThermoFisher Scientific | 25200056 |
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