本文介绍了一种在三维悬浮培养体系中系统培养表皮球体的实验方案。该方案可广泛应用于多种上皮组织类型,并可用于多种人类疾病和病理状态的建模研究。
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本文介绍了一种在三维悬浮培养体系中系统培养表皮球体的实验方案。该方案可广泛应用于多种上皮组织类型,并可用于多种人类疾病和病理状态的建模研究。
上皮功能紊乱是多种人类疾病和病症的关键环节,包括慢性伤口、炎症以及超过80%的人类癌症。作为覆盖组织,皮肤上皮经常遭受损伤,并在进化过程中通过获得必要的细胞可塑性来修复受损组织。多年来,研究人员已尝试利用体外(in vitro)和离体(ex vivo)细胞模型研究上皮可塑性。然而,这些方法在模拟上皮细胞可塑性的各个阶段方面存在局限性。本文介绍一种从原代新生儿人角质形成细胞生成三维表皮球体及其衍生细胞的实验方案。该方案阐明了表皮球体培养体系在功能上模拟角质形成细胞不同发育可塑性阶段的能力,并证明通过表皮球体重铺板可富集具有增强干样特性的整合素α6hi/EGFRlo角质形成细胞亚群,从而提高正常人角质形成细胞(NHKc)培养物的异质性。本研究报告了一种高通量系统的建立与维持方法,用于研究皮肤角质形成细胞的可塑性及表皮再生过程。
哺乳动物的复层上皮是所有生命系统中最复杂的上皮结构,最常受到损伤和伤害。作为一种保护性组织,复层上皮在进化过程中形成了复杂而有效的组织损伤应答机制。在受到损伤时,这些细胞必须激活谱系可塑性程序,使其能够迁移到损伤部位并执行修复功能1,2,3。这一多层面的应答过程包含多个连续的步骤,目前仍了解甚少。
研究上皮再生这一复杂过程的主要障碍在于缺乏能够捕获细胞再生特定阶段动态细胞活动的高通量模型系统。尽管体内小鼠模型可为伤口愈合提供相关见解,并最接近地模拟人类再生过程,但其构建需要大量人力投入和高昂成本,限制了其通量能力。因此,迫切需要建立能够在高通量规模下实现人类上皮组织再生功能研究的系统。
近年来,人们已做出多项尝试以应对可扩展性挑战,这体现在创新的体外 和离体细胞模型的迅速发展上,这些模型能够高度模拟体内再生环境。其中包括器官芯片4、球状体5、类器官6以及组织型培养系统7等方面的进展。这些基于三维细胞的体系各自具有独特的优势,同时也存在不同的实验局限性。迄今为止,球状体培养仍是成本效益最高且应用最广泛的三维细胞培养模型。尽管已有若干研究报告表明球状体培养可用于研究皮肤干细胞特性,但这些研究大多使用动物组织8,9或真皮成纤维细胞10进行,几乎未见对人表皮球状体培养再生特性的系统性表征。在本实验方案中,我们详细描述了由正常人角质形成细胞(NHKc)建立的表皮球状体培养体系的功能性构建、培养与维持方法。同时,我们也阐述了该体系在体外模拟表皮再生各阶段过程以及角质形成细胞干细胞可塑性的应用价值。
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南卡罗来纳大学(UofSC)机构审查委员会(IRB)已审核皮肤标本采集与处理以及人角质形成细胞分离的实验方案,并将其归类为 "不涉及人类受试者的研究",因为包皮样本是在常规手术程序(新生儿男婴包皮环切术)中产生的手术废弃组织,且完全不含任何可识别个人信息。该方案还定期接受南卡罗来纳大学生物安全委员会(UofSC Biosafety Committee)的审查与批准,所有实验室人员均接受了实验室生物安全培训。所有操作均符合南卡罗来纳大学(UofSC)的安全与伦理标准。
1. 从新生儿包皮组织中分离和培养人角质形成细胞
2. 体外生成皮肤表皮球培养物
3. 表皮球体重新接种实验
4. 三维荧光细胞追踪
5. 通过流式细胞术对球状体衍生(SD)亚群进行表征
6. 表皮球体中基底干细胞标志物的免疫荧光与染色
7. 表皮球培养物的转录分析
8. 评估 SD-NHKc 的集落形成效率
9. 确定 SD-NHKc 群体倍增次数
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在皮肤表皮球体实验中,将正常人角质形成细胞(NHKc)培养物接种于涂有琼脂糖的96孔板孔中(图1A)。球体形成细胞应在48小时内自发聚集。可早在24小时时使用标准倒置相差显微镜评估其自主形成球体的能力。皮肤表皮球体的形成及再接种实验可模拟表皮组织再生的多个阶段(图1B)。图2展示了在三维培养条件下检测多种NHKc品系表皮球体形成能力的高分辨率图像。应仔细观察细胞是否形成致密的球形聚集体,因为这是自发形成球体的典型特征。我们发现,使用超过2 × 104个细胞对于确保充分的自发聚集至关重要。非球形的细胞聚集(如图2A所示品系中所见)不被视为有效的表皮球体形成。将不能形成球体的细胞悬液重新接种至二维单层培养体系中,通常难以获得可存活的NHKc细胞生长。然而,将表皮球体接种至二维培养体系中,则可促进小体积的、具有活性的NHKc细胞增殖(图3
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三维球状体培养系统在评估细胞干性方面具有广泛应用。这些系统已被证明可增强组织干细胞的富集13,但其在人类表皮干细胞研究中的应用尚鲜有报道。本文中,我们描述了一种利用三维培养技术富集人类角质形成细胞干细胞的策略。在该系统中,正常人角质形成细胞(NHKc)以自组装的多细胞球状体悬浮形式进行培养,由多种角质形成细胞亚型组成,并悬浮于含有KSFM-scm的琼脂糖基质上方。该实验方案的建立对时间较为敏感,因为琼脂在室温下会迅速聚合。将血清移液管、微量移液器吸头、琼脂/细胞混合管以及培养基预热至42 °C,可显著减少过早聚合的发生。我们观察到,在将琼脂/培养基混合物加入孔板后,立即将96孔板置于4 °C环境中,可显著加快聚合速度,并确保琼脂垫充分固化,以便后续接种细胞。在整个聚合过程中,必须始终保持孔板水平,因为琼脂/培养基混合物聚合不良会导致细胞在软琼脂内部接种或生长,从而使实验失效。
本方案还介绍了一种在二维单层培养条件下扩增表皮球体以获得类干细胞的球体来源细胞的策略。表皮球体重铺板实验能够富集出一类具有整合素α6hi/...
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作者没有需要披露的财务关系。
南卡罗来纳大学医学院仪器资源中心(IRF)提供了成像和细胞分选设备的使用权限及技术协助。本工作部分由资助项目1R21CA201853支持。分子细胞生物学核心设施(MCF)和IRF还获得美国国立卫生研究院(NIH)资助项目P20GM103499(SC INBRE)的部分支持。MCF还获得NIH资助项目P20GM109091的支持。Yvon Woappi的部分研究工作由NIH资助项目2R25GM066526-06A1(PREP)和R25GM076277(IMSD)以及南卡罗来纳大学Grace Jordan McFadden教授项目奖学金资助。Geraldine Ezeka和Justin Vercellino由南卡罗来纳大学NIH资助项目2R25GM066526-10A1(PREP)支持。Sean M. Bloos获得了南卡罗来纳大学2016年Magellan学者奖的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Affymetrix 平台 | Affymetrix | 用于微阵列实验 | |
| Affymetrix’s HuGene-2_0-st 文库文件 | Affymetrix | 处理 | |
| Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent | 用于微阵列实验 | |
| All Prep DNA/RNA Mini Kit | Qiagen | 80204 | 用于 RNA 提取 |
| Analysis Console 软件版本 3.0.0.466 | 使用单因素被试间方差分析分析细胞类型特异性转录响应 | ||
| BD FACSAria II 流式细胞仪 | Beckman | 用于流式细胞术 | |
| Console 软件版本 3.0.0.466/Expression Console 软件 | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 用于确认数据质量 | |
| 细胞角蛋白 14 | Santa Cruz Biotechnology | sc-53253 | 1:200 稀释 |
| Dispase | Sigma-Aldrich | D4818 | 用于细胞培养基 |
| FITC 标记的抗整合素α6 抗体 | Abcam | ab30496 | 用于 FACS 分析 |
| GeneChip Command Console 4.0 软件 | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 用于确认数据质量 | |
| GeneChip Fluidics Station 450(Affymetrix/Thermo Fisher Scientific) | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 用于杂交阵列的洗涤和染色 | |
| GeneChip HuGene 2.0 ST 阵列 | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 用于总 RNA 的杂交和扩增 | |
| GeneChip 杂交炉 640 | Thermo Fisher Scientific | 用于总 RNA 的杂交和扩增 | 扩增标记的样本 | |
| GeneChip 杂交、洗涤和染色试剂盒(Affymetrix/Thermo Fisher Scientific) | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 用于杂交阵列的洗涤和染色 | |
| GeneChip Scanner 3000 7G 系统 | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 扫描杂交阵列 | |
| GeneChip WT PLUS 试剂盒 | Affymetrix/Thermo Fisher Scientific | 用于生物素化总 RNA 的扩增 | |
| 人碱性成纤维细胞生长因子(hFGF basic/FGF2) | Cell Signaling Technology | 8910 | 用于细胞培养基 |
| 人表皮生长因子(hEGF) | Cell Signaling Technology | 8916 | 用于细胞培养基 |
| 人胰岛素 | Millipore Sigma | 9011-M | 用于细胞培养基 |
| iQ SYBR Green Supermix(Bio-Rad) | Bio-Rad | 1708880 | 用于 RT-qPCR |
| iScript cDNA 合成试剂盒 | Bio-Rad | 1708890 | 用于 RT-qPCR |
| KSFM | ThermoFisher Scientific | 17005041 | 添加 1% 青霉素/链霉素、20 ng/ml EGF、10 ng/ml 碱性成纤维细胞生长因子、0.4% 牛血清白蛋白(BSA)和 4 µg/ml 胰岛素 |
| KSFM-scm | ThermoFisher Scientific | 17005042 | 添加 1% 青霉素/链霉素、20 ng/ml EGF、10 ng/ml 碱性成纤维细胞生长因子、0.4% 牛血清白蛋白(BSA)和 4 µg/ml 胰岛素 |
| MCDB 153-LB 基础培养基 | Sigma-Aldrich | M7403 | 含 HEPES 缓冲液的 MCDB 153-LB 基础培养基 |
| NEST Scientific 1 孔细胞培养腔载玻片,黑色壁玻璃载玻片,6/包,12/箱 | Stellar Scientific | NST230111 | 用于免疫染色 |
| P63 | Thermo Scientific | 703809 | 1:200 稀释 |
| PE 标记的抗 EGFR 抗体(San Jose, CA;货号) | BD Pharmingen | 555997 | 用于 FACS 分析 |
| pMSCV-IRES-EGFP 质粒载体 | Addgene | 20672 | 用于转染 |
| Promega TransFast 试剂盒 | Promega | E2431 | 用于转染 |
| Qiagen RNeasy Plus Micro Kit | Qiagen | 用于微阵列实验 | |
| Thermo Scientific™ 无菌一次性真空过滤装置 | Thermo Scientific | 09-740-63D | 用于细胞培养基 |
| Zeiss Axionvert 135 荧光显微镜 | Zeiss | 与 Axiovision Rel. 4.5 软件配合使用 |
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