目前公认,细胞的三维环境在其行为、成熟和/或分化过程中可能发挥重要作用。本方案描述了一种三维细胞培养模型,旨在研究物理限制和机械约束对巨核细胞的影响。
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目前公认,细胞的三维环境在其行为、成熟和/或分化过程中可能发挥重要作用。本方案描述了一种三维细胞培养模型,旨在研究物理限制和机械约束对巨核细胞的影响。
三维环境所导致的限制性条件和力学约束正日益被视为影响细胞行为的重要决定因素。因此,三维培养技术已被开发出来,以更接近地模拟 体内 情况。巨核细胞由骨髓(BM)中的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)分化而来。骨髓是人体最柔软的组织之一,被包裹在骨内。由于骨在细胞尺度上几乎不可延展,巨核细胞因此同时处于低刚度和高度受限的环境中。本方案介绍了一种通过免疫磁珠分选法分离小鼠谱系阴性(Lin-)HSPCs,并在由甲基纤维素构成的三维(3D)培养基中将其分化为成熟巨核细胞的方法。甲基纤维素对巨核细胞无反应性,其刚度可调节至与正常骨髓相当的水平,或提高以模拟病理性纤维化骨髓。本方案还详细描述了后续细胞分析所需的巨核细胞回收步骤。尽管在三维环境中血小板前体的延伸受到抑制,但本文将说明如何将巨核细胞重悬于液体培养基中,并定量评估其延伸血小板前体的能力。相较于在液体环境中培养的巨核细胞,在三维水凝胶中培养的巨核细胞具有更强的形成血小板前体的能力。该三维培养体系能够:i)促进祖细胞向更高成熟阶段的巨核细胞分化;ii)重现可能在 体内 但在传统的液体培养中容易被忽视,以及 iii) 研究由三维环境提供的机械信号所诱导的转导通路。
细胞在体内经历复杂的三维微环境,并受到化学信号与力学物理信号之间相互作用的影响,包括来自组织的刚度以及邻近细胞和周围基质造成的空间限制 1,2,3刚度和空间限制对细胞行为的重要性直到最近几十年才被认识到。2006年,Engler 等人的开创性研究 4 强调了机械环境在细胞分化中的重要性。作者证明,细胞基质刚度的变化可引导干细胞向不同的分化谱系定向。自此,机械信号对细胞命运和行为的影响日益受到重视并被广泛研究。. 尽管骨髓是机体最柔软的组织之一,但它具有被骨骼限制在内的三维结构组织。骨髓的硬度虽然在技术上难以精确测量,但估计介于15至300 Pa之间 5, 6在基质中,细胞彼此之间紧密相邻。此外,其中大多数细胞正向窦状血管迁移,以进入血液循环。这些条件对邻近细胞产生了额外的机械约束,细胞必须适应这些力学作用力。力学信号是一个重要的参数,其对巨核细胞分化和血小板前体形成的影响直到最近才开始被研究。尽管巨核细胞能够分化 体外 在传统液体培养中,它们无法达到所观察到的成熟程度 体内,部分原因在于缺乏来自三维环境的机械信号刺激 7在水凝胶中培养祖细胞可提供液体环境中所缺乏的三维力学信号。
几十年来,水凝胶在血液学领域得到了广泛应用,尤其是在集落形成实验中用于培养细胞,以定量造血祖细胞。然而,这类水凝胶很少被用于研究三维力学环境对造血细胞成熟和分化过程的生物学影响。近年来,本实验室开发了一种基于甲基纤维素的三维培养模型8。这种非反应性物理凝胶是模拟原代巨核细胞所处物理约束环境的有效工具。它由纤维素通过羟基(-OH)被甲氧基(-OCH3)取代而制得。甲基取代程度以及甲基纤维素的浓度共同决定了水凝胶凝固后的刚度。在该技术的开发过程中,已证实当杨氏模量在30至60 Pa范围内时,是巨核细胞生长的最佳凝胶刚度9。
以下方案描述了一种在三维甲基纤维素水凝胶中培养小鼠巨核系祖细胞的方法。先前的研究表明,与标准的液体培养相比,该水凝胶培养可提高巨核细胞多倍体化的程度,改善细胞成熟度和细胞内结构组织,并增强巨核细胞在重悬于液体培养基后延伸前血小板的能力9。本文详细描述了从小鼠骨髓中分离Lin−细胞、将其包埋于甲基纤维素水凝胶中进行三维培养的实验步骤,以及对其产生前血小板能力的定量分析和细胞回收以用于后续检测的方法。
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所有实验均应遵循机构关于实验动物护理和使用的指导方针。视频中展示的所有方案均严格遵守欧洲法律以及法国血液机构(Etablissement Français du Sang,EFS)评审委员会的建议。该方案的首个版本最初于2018年发表在《分子生物学方法》(Methods in Molecular Biology)8。
注意:图1 展示了整个流程的示意图。该流程包括:1)骨组织解剖、骨髓获取及骨髓细胞的机械分离;2)使用磁珠分选法分离谱系阴性(Lin-)细胞;3)在液体培养基或甲基纤维素水凝胶中接种细胞;4)将三维凝胶中培养生成的巨核细胞重新悬浮,以在液体培养基中观察血小板前体的形成。
1. 从成年小鼠中采集骨骼
注意:本节中需尽量减少微生物污染。
2. 骨髓解离与Lin-细胞分离
注意:本实验步骤需在层流罩内进行。对于一个培养体系,所有孔均属于同一次实验,不能视为独立的生物学重复。需将所有小鼠的细胞混合在一起,以确保各孔之间的一致性,从而能够相互比较,并消除个体间可能存在的差异。如需设置独立的生物学重复,必须重复进行培养实验。
3. 细胞包埋于甲基纤维素水凝胶中
注意:以下方案描述的是制备单孔水凝胶细胞培养的方法,请根据所需孔数进行相应调整。
4. 用于血小板前体分析的细胞重悬
注意:在液体培养基和甲基纤维素培养的巨核细胞之间,必须在可比较的条件下进行血小板前体形成能力的分析。甲基纤维素水凝胶施加的物理限制会抑制血小板前体的延伸。因此,在培养的第3天,将甲基纤维素中生长的细胞重悬于新鲜液体培养基中,以允许其延伸血小板前体。甲基纤维素水凝胶是一种物理水凝胶,加入液体培养基后可轻易稀释。重要的是,为了避免重悬和离心带来的假象,液体培养基对照组的细胞必须与甲基纤维素培养的细胞同时以相同方式处理。参见实验的示意图(图1)。
5. 细胞固定与保存以备后续分析
警告:本方案使用的固定剂必须在通风橱中操作,并佩戴防护装备。
注意:目的是在细胞完全固定之前,始终保持凝胶对细胞的约束状态。因此,无论使用何种固定剂,都必须将其直接加入孔中并覆盖在甲基纤维素上层,注意不要扰动凝胶。液体培养物也采用相同的实验步骤。
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使用本方案获得的数据最初于2016年发表在《血液》杂志上9。
根据实验方案,细胞被接种于液体培养基或甲基纤维素水凝胶培养基中。在液体培养基中,细胞全部沉降至孔板底部,与坚硬的塑料表面接触,有时也与其他细胞接触。相比之下,包埋在甲基纤维素水凝胶中的细胞则在凝胶中均匀分布,并与邻近细胞相互隔离(图3A)。与液体培养相比,终浓度为2%的甲基纤维素凝胶使巨核细胞的平均直径略有增加(图3B),这与文献报道中较高的倍性水平一致9。相反,将甲基纤维素浓度再提高0.5%则会抑制巨核细胞的分化,表现为平均直径减小(图3B)。
液体培养中分化的巨核细胞与在其他条件下分化的巨核细胞在超微结构上存在明显差异 体内 在骨髓内。成熟巨核细胞的一个特征是存在复杂的胞质...
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在过去的十年中,力学生物学在生物学的许多领域引起了越来越多的关注。目前普遍认为,细胞周围的机械环境在其行为中确实发挥作用,这凸显了研究巨核细胞如何感知和响应细胞外机械信号的重要性。准确测量骨髓组织在体内的刚度具有挑战性in situ11,特别是当考虑造血性红骨髓时,因为在大型哺乳动物中,红骨髓位于骨小梁内部,而较易获取的骨干骨髓主要由脂肪细胞(黄骨髓)组成12。对于小鼠的分离骨髓而言,尽管其骨干主要含有红骨髓,但另一个问题是骨髓一旦从骨中提取出来便不再保持结构完整性。然而,Shin 及其合作者利用原子力显微镜测定了小鼠骨干骨髓的刚度,得到的值为 Emarrow = 0.3 ± 0.1 kPa,表明骨髓属于体内最柔软的组织之一6。
本方案的关键在于比较巨核细胞在液体培养基与水凝胶中的行为差异。在液体环境中,细胞均沉降至孔板底部,接触坚硬的塑料表面,并可能与其他细胞接触。相比之下,嵌入甲基纤维素水凝胶中...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Fabien Pertuy和Alicia Aguilar在实验室中最初开发了该技术,同时感谢Dominique Collin(斯特拉斯堡查尔斯·萨德隆研究所)对甲基纤维素水凝胶的粘弹性特性进行了表征。本研究得到了ARMESA(医学与公共卫生研究与发展协会)以及ARN基金(ANR-18-CE14-0037 PlatForMechanics)的支持。Julie Boscher获得了法国医学研究基金会资助(FRM基金编号FDT202012010422)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 18号针头 | Sigma-Aldrich | 1001735825 | |
| 21号针头 | BD Microlance | 301155 | |
| 23号针头 | Terumo | AN*2332R1 | |
| 25号针头 | BD Microlance | 300400 | |
| 4孔培养皿 | Thermo Scientific | 144444 | |
| 5 mL 注射器 | Terumo | SS+05S1 | |
| 细胞夹 | Microm Microtech | F/CLIPSH | |
| 带滤纸片的细胞沉降漏斗 | Microm Microtech | F/JC304 | |
| 细胞离心涂片机 | Thermo Scientific | Cytospin 4 | |
| Dakopen | Dako | ||
| DMEM 1x | Gibco, Life Technologies | 41 966-029 | |
| DPBS | Life Technologies | 14190-094 | 无菌 Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液 |
| EasySep 磁力架 | Stem Cell Technologies | 18000 | |
| EasySep 小鼠造血祖细胞分离试剂盒 | Stem Cell Technologies | 19856A | 生物素标记抗体(CD5、CD11b、CD19、CD45R/B220、Ly6G/C(Gr-1)、TER119、7–4)和链霉亲和素包被的磁珠 |
| EDTA | Invitrogen | 15575-020 | |
| 胎牛血清 | Healthcare Life Science | SH30071.01 | |
| 鲁尔锁扣 1 mL 注射器 | Sigma-Aldrich | Z551546-100EA | 或 BD MEDICAL 的 309628 型注射器 |
| 鲁尔锁扣注射器连接头 | Fisher Scientific | 11891120 | |
| MC 3% | R&D systems | HSC001 | |
| 多聚赖氨酸包被载玻片 | Thermo Scientific | J2800AMNZ | |
| PSG 100x | Gibco, Life Technologies | 1037-016 | 10,000 单位/mL 青霉素,10,000 μg/mL 链霉素,29.2 mg/mL 谷氨酰胺 |
| 大鼠血清 | Stem Cell Technologies | 13551 | |
| 重组水蛭素 | Transgène | rHV2-Lys47 | |
| 重组人血小板生成素 (rhTPO) | Stem Cell Technologies | 2822 | 10,000 单位/mL |
| 圆底 10 mL 塑料管 | Falcon | 352054 | |
| 圆底 5 mL 聚苯乙烯管 |
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