本方案描述了在手术主动脉瓣置换术过程中或从尸体组织中获取人类主动脉瓣,并随后分离、扩增和鉴定患者特异性的原代瓣膜内皮细胞和间质细胞的方法。文中包含了确保细胞活力和表型特异性的关键操作步骤细节。
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本方案描述了在手术主动脉瓣置换术过程中或从尸体组织中获取人类主动脉瓣,并随后分离、扩增和鉴定患者特异性的原代瓣膜内皮细胞和间质细胞的方法。文中包含了确保细胞活力和表型特异性的关键操作步骤细节。
主动脉瓣钙化性疾病(CAVD)存在于近三分之一的老年人群中。主动脉瓣的增厚、僵硬和钙化会导致主动脉瓣狭窄,并促进心力衰竭和中风的发生。该疾病的发病机制是多因素的,炎症、细胞外基质重塑、湍流以及机械应力和应变等刺激因素均会促进瓣膜内皮细胞和瓣膜间质细胞向成骨方向分化。然而,驱动健康细胞向钙化细胞发生成骨转化的精确起始因素尚未完全明确。此外,目前针对CAVD引起的主动脉瓣狭窄的唯一治疗方法是主动脉瓣置换术,即通过手术切除原生瓣膜(外科主动脉瓣置换术,SAVR),或经导管植入完全可折叠的替代瓣膜(经导管主动脉瓣置换术,TAVR)。这些外科手术成本高昂且伴随严重风险;因此,发现新的药物治疗靶点至关重要。为此,本研究建立了一种工作流程,利用患者手术切除组织和供体尸体组织,体外构建患者特异性的瓣膜细胞原代细胞系,用于疾病建模。该方案引入了一种常用于器官移植的低温保存液,以减轻组织切除后至实验室处理期间因常较长的获取时间所造成的损伤,从而显著稳定切除组织中细胞的状态。本研究结果表明,分离得到的瓣膜细胞在供体瓣膜切除后数天内,仍能在体外培养中保持其增殖能力以及内皮细胞和间质细胞的表型特征。利用这些材料,可同时获取对照组和CAVD患者的细胞,并建立相应的对照和疾病细胞系。
主动脉瓣钙化性疾病(CAVD)是一种慢性病理过程,其特征是主动脉瓣叶发生炎症、纤维化和大范围钙化。瓣叶进行性重构和钙化(称为主动脉硬化)可导致血流受阻(即主动脉瓣狭窄),进而引发中风,并导致心力衰竭。目前,CAVD的唯一治疗方法是外科主动脉瓣置换术或经导管主动脉瓣置换术(分别为SAVR和TAVR)。尚无非手术手段能够阻止或逆转CAVD的进展;若不进行瓣膜置换,患者在2至3年内的死亡率接近50%1,2,3。明确驱动该疾病发展的潜在机制,将有助于发现潜在的新型治疗策略。
在健康的成年人中,主动脉瓣瓣叶厚度约为一毫米,其主要功能是维持血液从左心室单向流出4。三个瓣叶中的每一个均由一层瓣膜内皮细胞(VECs)构成,该层细胞覆盖在瓣叶的外表面并发挥屏障作用。VECs通过调节通透性、炎症细胞黏附以及旁分泌信号传导来维持瓣膜稳态5,6,7。瓣膜间质细胞(VICs)构成了瓣叶内大多数细胞8。VICs在瓣叶中排列为三个不同的层次,分别为心室层(ventricularis)、疏松层(spongiosa)和纤维层(fibrosa)9。心室层面向左心室,含有胶原纤维和弹性蛋白纤维。中间的疏松层含有丰富的蛋白聚糖,可在心动周期中提供剪切柔韧性。外层的纤维层位于主动脉侧的流出道表面附近,富含I型和III型纤维状胶原,可在舒张期提供足够的强度以维持瓣叶闭合10,11,12。VICs通常处于静息状态,但炎症、细胞外基质(ECM)重塑以及机械应力等因素可能破坏VIC的稳态8,9,13,14,15,16。当稳态失衡时,VICs被激活,并获得类似肌成纤维细胞的表型,具备增殖、收缩以及分泌可重塑细胞外微环境的蛋白质的能力17。活化的VICs可进一步转化为钙化细胞,这一过程类似于间充质干细胞(MSC)向成骨细胞的分化过程15,17,18,19,20,21,22,23,24,25。
钙化似乎起源于富含胶原蛋白的纤维层,由VEC和VIC共同参与,随后扩展并侵入瓣膜的其他层次8。因此,可以明确的是,VEC和VIC均能响应刺激,上调成骨相关基因的表达;然而,驱动成骨基因激活的具体事件,以及细胞与瓣膜细胞外基质之间复杂的相互作用,目前仍不明确。小鼠模型并非研究非遗传性CAVD发病机制的理想来源,因为小鼠不会自发形成CAVD26,27,因此必须使用原代人组织及其分离出的原代细胞系。特别是,获得数量充足且质量良好的细胞至关重要,因为三维细胞培养和类器官建模领域正在不断发展,未来有望成为基于人体组织的、替代小鼠模型的体外研究手段。
本方法的目的是分享一种工作流程,该流程已确立了有效分离和培养从人类供体手术切除瓣膜中获得的血管内皮细胞(VECs)和瓣膜间质细胞(VICs)的条件。先前的研究表明 成功分离猪的血管内皮细胞和血管间质细胞28 和小鼠瓣膜29据我们所知,这是首次描述从人体组织中分离这些细胞的方法。本文所述方案适用于人切除瓣膜,并通过引入一种冷保存液显著克服并改善了组织切除后至实验室处理之间因常较长的获取时间所造成的损伤;该缓冲溶液在器官移植临床中常用,可有效稳定切除组织中的细胞。本文所述方案还展示了如何确定细胞表型,并确保细胞存活率高且交叉污染极少。
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所有患者样本均来自经匹兹堡大学机构审查委员会批准的研究项目中的受试者,研究遵循《赫尔辛基宣言》的规定。通过器官获取与教育中心(CORE)获得的遗体组织样本,已获匹兹堡大学涉及遗体的研究与临床培训监督委员会(CORID)批准。
1. 批准与安全
2. 后勤与准备
3. 试剂准备
4. 组织制备与处理
注意:在开始实验前,必须获得使用人体组织的机构批准。在处理组织时,必须穿戴以下个人防护装备(PPE):一次性防液体渗透的围裙式隔离衣,或专用的前扣式实验服并搭配防液体渗透的围裙及一次性袖套;全面罩面屏,或佩戴安全眼镜并配合外科口罩;双层手套;包覆脚趾的鞋子;以及覆盖腿部的衣物。组织制备用于钙化评估(第5节)和细胞分离(第6和第7节)的完整工作流程图分别如图1A、B所示。
5. 钙含量的Von Kossa染色
注意:这可以在细胞分离和细胞系建立后较长时间进行,但务必将来自治疗组织的钙化水平与所建立的原代细胞系相关文件关联起来。
6. 瓣膜内皮细胞(VEC)的分离、扩增与鉴定
7. 瓣膜间质细胞(VIC)的分离、扩增与保存
8. 细胞的长期保存
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上述方案概述了处理人类瓣膜组织并从中分离和建立可存活细胞系所需的步骤。主动脉瓣瓣叶被分别处理,用于石蜡包埋、快速冷冻以长期保存用于生化或遗传分析,以及消化以分离血管内皮细胞(VECs)和瓣膜间质细胞(VICs)(图1)。尽管手术标本通常具有主动脉瓣狭窄的临床诊断,并可能表现出肉眼可见的严重钙化结节,但在大量老年人群(>65岁)中也普遍存在主动脉瓣钙化现象32。鉴于该现象的高发性,所有组织样本——无论是手术来源还是尸体来源——均需进行Von Kossa染色或类似处理,以评估是否存在钙化(图2)。
研究发现,使用低温保存液可显著稳定切除瓣膜组织中的细胞。低温保存液常用于活体器官移植,在供体器官摘取前后通过灌注方式注入器官,并在冰上运输期间保留在该器官的血管系统中。观察发现,相较于手术组织,供体样本更容易建立血管内皮细胞(VEC)系,且供体来源的细胞系更有可能在多次传代后仍保持其内皮细胞形态。这一点令人困惑,因为供体组织通...
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获取人类的正常组织与病变组织对于体外和离体疾病建模至关重要;然而,尽管人们经常讨论从实验室到临床转化的挑战,反过来从手术室到实验室的过程——即从手术切除到实验研究——同样充满困难。基础科学家若要获得原代人类组织样本,必须与有投入的外科科学家开展合作,后者需拥有包括护士、手术技术人员、医师助理、医学生、住院医师以及临床方案管理人员在内的团队,能够完成患者的入组与知情同意,参与并协助切除组织的正确处理,并协调组织取材所需的各项后勤工作。若所有相关人员未能尽最大努力缩短组织切除至细胞分离之间的时间,则关键的细胞材料及其所携带的信息将发生不可逆的改变或丢失。
保持组织标本活性的关键在于使用冷保存液。该溶液与UPMC及其他移植医疗中心的器官移植团队所使用的溶液相同。相较于从手术室较快获取但保存在冷PBS中的组织,从供体切除后数小时才获取的尸体组织获得了更高的细胞得率。这一偶然发现对于从人体组织中获取细胞至关重要。手术组织从切除到送至实验室的获取时间通常为1至5小时,而尸体组织则可长达24小时以上。相比之下,动物组织的获取与处理通常可在安乐死后数分钟内完成,这更有利于维持细胞活性。在缺乏冷保存...
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IS 获得 Atricure 和 Medtronic 提供的机构科研支持,并担任 Medtronic Vascular 的顾问。上述利益冲突均与本研究无关。其他所有作者均无任何需要披露的内容。
我们感谢 Jason Dobbins 对本文的深入讨论和审阅。感谢器官获取与教育中心(Center for Organ Recovery and Education)提供的帮助与支持,并感谢组织捐献者及其家属使本研究得以进行。所有患者样本均来自个体,这些个体参与的研究已获得匹兹堡大学机构审查委员会批准,并遵循《赫尔辛基宣言》的规定。通过器官获取与教育中心(CORE)获得的遗体组织,已获匹兹堡大学遗体研究与临床培训监督委员会(CORID)批准。
部分图示使用 Biorender.com 创建。
CSH 受美国国家心肺血液研究所 K22 HL117917 和 R01 HL142932 项目以及美国心脏协会 20IPA35260111 项目资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.45 μm 滤膜 | Thermo Scientific | 7211345 | 制备胶原蛋白包被的培养板 |
| 10 cm 细胞培养板 | Greiner Bio-One | 664160 | 细胞培养/细胞系扩增 |
| 10 mL 血清移液管 | Fisher | 14955234 | VEC/VIC 分离、细胞培养、细胞系扩增 |
| 1000 μL 滤芯吸头 | VWR | 76322-154 | 细胞培养/细胞系扩增 |
| 10XL 滤芯吸头 | VWR | 76322-132 | 细胞培养/细胞系扩增 |
| 15 mL 锥形管 | Thermo Scientific | 339650 | 组织储存、VIC/VEC 分离 |
| 16% 甲醛水溶液 | Electron Microscopy Sciences | 15710S | 组织和细胞固定剂 |
| 190 证明乙醇 | Decon | 2801 | 消毒 |
| 1x DPBS:无钙、无镁 | Gibco | 14190250 | 生理盐水溶液。VIC/VEC 分离 |
| 1x PBS | Fisher | BP2944100 | 生理盐水溶液。组织制备、VIC/VEC 分离 |
| 20 μL 滤芯吸头 | VWR | 76322-134 | 细胞培养/细胞系扩增 |
| 200 证明乙醇 | Decon | 2701 | 脱蜡组织样本 |
| 2-丙醇 | Fisher | A416P 4 | 制备胶原蛋白包被的培养板 |
| 5 mL 血清移液管 | Fisher | 14955233 | VEC/VIC 分离、细胞培养、细胞系扩增 |
| 50 mL 锥形管 | Thermo Scientific | 339652 | 组织储存、VIC/VEC 分离 |
| 60 mm 培养皿 | GenClone | 25-260 | VEC 分离 |
| 6 孔细胞培养板 | Corning | 3516 | 细胞培养/细胞系扩增 |
| 冰醋酸 | Fisher | BP2401 500 | 制备胶原蛋白包被的培养板 |
| AlexaFluor 488 鬼笔环肽 | Invitrogen | A12379 | 荧光 F-肌动蛋白复染剂 |
| Belzer UW 冷保存移植溶液 | Bridge to Life | BUW0011L | 组织保存溶液 |
| 牛血清白蛋白,第五组分 — 无脂肪酸 25g | Bioworld | 220700233 | 使用 CD31+ Dynabeads 验证 VEC |
| Calponin 1 抗体 | Abcam | ab46794 | 一抗(VIC 阳性染色) |
| CD31 (PECAM-1) (89C2) | Cell Signaling | 3528 | 一抗(VEC 阳性染色) |
| CD31+ Dynabeads | Invitrogen | 11155D | 使用 CD31+ Dynabeads 验证 VEC |
| CDH5 | Cell Signaling | 2500 | 一抗(VEC 阳性染色) |
| 孔径为 0.70 μm 的细胞筛 | Corning | 431751 | VIC 分离 |
| 胶原蛋白 I,大鼠尾部蛋白 | Gibco | A1048301 | 制备胶原蛋白包被的培养板 |
| 胶原酶 II | Worthington Biochemical Corporation | LS004176 | 组织消化。组织制备、VIC/VEC 分离 |
| Conflikt 即用型消毒喷雾 | Decon | 4101 | 消毒 |
| Countess II 自动细胞计数仪 | Invitrogen | A27977 | 自动细胞计数 |
| Countess II 可重复使用载玻片盖片 | Invitrogen | 2026h | 自动细胞计数仪所需盖片 |
| 盖玻片 | Fisher | 125485E | 安装瓣膜样本 |
| 冻存管 | Olympus Plastics | 24-202 | 冷冻细胞/组织样本 |
| 含 CLOROMAX 的消毒漂白剂 - 浓缩配方 | Clorox | N/A | 消毒 |
| DMEM | Gibco | 10569044 | 生长培养基。VIC 扩增 |
| EBM - 内皮细胞基础培养基,无酚红 500 | Lonza Walkersville | CC3129 | 生长培养基。VEC 扩增 |
| EGM-2 内皮细胞培养基-2 - 1 套装 SingleQuot 试剂盒 | Lonza Walkersville | CC4176 | 生长培养基补充剂。VEC 扩增 |
| EVOS FL 显微镜 | Life Technologies | 型号:AME3300 | 荧光成像 |
| EVOS XL 显微镜 | Life Technologies | AMEX1000 | 细胞系扩增过程中观察细胞 |
| 胎牛血清 - 优质选择 | R&D Systems | S11550 | VIC 扩增 |
| 精细剪刀 | Fine Science Tools | 14088-10 | 组织制备、VIC/VEC 分离 |
| Fisherbrand 细胞刮刀 | Fisher | 08-100-241 | VIC 扩增 |
| Fungizone | Gibco | 15290-026 | 抗真菌剂:组织制备、VIC/VEC 分离 |
| 庆大霉素 | Gibco | 15710-064 | 抗生素:组织制备、VIC/VEC 分离 |
| 载玻片 | Globe Scientific Inc | 1358L | 安装瓣膜样本 |
| 山羊抗小鼠 488 | Invitrogen | A11001 | 荧光二抗 |
| 山羊抗小鼠 594 | Invitrogen | A11005 | 荧光二抗 |
| 山羊抗兔 488 | Invitrogen | A11008 | 荧光二抗 |
| 山羊抗兔 594 | Invitrogen | A11012 | 荧光二抗 |
| Invitrogen Countess II FL 可重复使用载玻片 | Invitrogen | A25750 | 自动细胞计数仪所需载玻片 |
| Invitrogen NucBlue 固定细胞 ReadyProbes 试剂(DAPI) | Invitrogen | R37606 | 荧光核复染剂 |
| LM-HyCryo-STEM - 2X 干细胞冻存培养基 | HyClone Laboratories, Inc. | SR30002 | 冷冻细胞储存 |
| 封片剂 | Fisher Chemical Permount | SP15-100 | 安装瓣膜样本 |
| Mr. Frosty 冷冻容器 | Nalgene | 51000001 | 用于控制样品冷冻的容器 |
| Mycoplasma-ExS 喷雾剂 | PromoCell | PK-CC91-5051 | 消毒 |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140163 | 抗生素。VIC 扩增 |
| Plasmocin | Invivogen | ANTMPT | 抗支原体。VIC/VEC 分离与扩增 |
| SM22a 抗体 | Abcam | ab14106 | 一抗(VIC 阳性染色) |
| 标准型剪刀 | Fine Science Tools | 14001-14 | 组织制备、VIC/VEC 分离 |
| 无菌棉签 | Puritan | 25806 10WC | VEC 分离 |
| Swingsette 人体组织包埋盒 | Simport Scientific | M515-2 | 组织包埋容器 |
| Taylor 镊子(17cm) | Fine Science Tools | 11016-17 | 组织制备、VIC/VEC 分离 |
| 台盼蓝溶液,0.4% | Gibco | 15250061 | 细胞计数溶液 |
| TrypLE Express 酶 | Gibco | 12604021 | 消化传代 VIC/VEC |
| Von Kossa 试剂盒 | Polysciences | 246331 | 对组织石蜡切片进行钙化染色 |
| von Willebrand 因子抗体 | Abcam | ab68545 | 一抗(VEC 阳性染色) |
| 二甲苯 | Fisher Chemical | X3S-4 | 脱蜡组织样本 |
| αSMA 抗体 | Abcam | ab7817 | 一抗(VIC 阳性染色) |
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