我们介绍一种从成年小鼠舌部上皮组织衍生的口腔黏膜类器官培养物的生成与表征方法。
方法文章
我们介绍一种从成年小鼠舌部上皮组织衍生的口腔黏膜类器官培养物的生成与表征方法。
覆盖口腔内壁的黏膜层,即口腔黏膜,是一种高度区域化的组织,可分为颊黏膜、牙龈、唇部、腭部和舌部。其最表层为口腔上皮,由成体干细胞终生维持。成体上皮干细胞的增殖与分化已通过以下方法被广泛研究 体内 小鼠模型以及基于二维(2D)饲养细胞的 体外 模型。与这些方法相辅相成的是类器官技术,该技术将成体干细胞嵌入富含细胞外基质(ECM)的水凝胶中,并提供含有特定生长因子组合的培养基。在此条件下,成体干细胞增殖并自发形成三维(3D)细胞簇,即所谓的类器官。类器官培养最初由小鼠小肠上皮干细胞建立,但该方法现已拓展至其他类型的上皮干细胞。本文描述了一种小鼠口腔黏膜类器官培养物的建立与表征方案。从小鼠舌组织中分离原代上皮细胞,将其嵌入ECM水凝胶中,并在含有表皮生长因子(EGF)、R-spondin和成纤维细胞生长因子(FGF)10的培养基中进行培养。在初次接种后7至14天内,所形成的类器官即可传代以进一步扩增或冻存。我们还提供了通过3D全组织成像和基因表达分析对已建立的类器官培养物进行表征的技术策略。本方案可作为研究口腔上皮干细胞行为的工具 离体 以还原论的方式。
口腔黏膜是覆盖口腔内壁的黏膜层,作为消化道的入口,参与消化过程的启动1,2。此外,口腔黏膜还充当人体与外界环境之间的屏障,可抵御物理、化学和生物因素的侵害1。根据功能和组织学特征,哺乳动物的口腔黏膜可分为三种类型:咀嚼黏膜(包括硬腭和牙龈)、被覆黏膜(覆盖软腭表面、舌腹面和颊部表面)以及特殊黏膜(覆盖舌背表面)2。所有口腔黏膜组织均由两层构成:表层的复层鳞状上皮和其下方的固有层1。口腔上皮角质形成细胞是上皮中的主要细胞类型,也是朗格汉斯细胞等上皮内免疫细胞的所在位置1。间质部分即固有层,包含成纤维细胞、内皮细胞、神经细胞和免疫细胞等多种细胞类型1。与其他复层上皮一样,口腔上皮的干细胞和前体细胞位于基底层1。这些特化的细胞能够通过细胞分裂替代丢失的组织,从而维持成体生命过程中的细胞更新3。与其他上皮(如肠上皮4 或皮肤表皮5)相比,口腔上皮的研究仍较为有限。然而,近期研究发现了一些标记小鼠口腔上皮干细胞和前体细胞的基因,如 Krt14, Lrig1、Sox2、Bmi1、 和 Gli11,6,7,8。由于口腔上皮是口腔癌的起源部位,并在黏膜炎症、损伤与再生过程中发挥关键作用1,深入理解其基本细胞生物学特性,对于开发潜在的新疗法和药物发现至关重要。
动物模型已广泛用于口腔黏膜上皮的基础研究1。例如,前述的口腔上皮干细胞及祖细胞标志物,主要通过遗传谱系示踪小鼠模型得以定义1,6,7,8,9。然而,使用人源或鼠源细胞进行的体外(ex vivo)研究方法也已被广泛应用10。传统上,这类细胞培养工作主要依赖于源自口腔鳞状细胞癌(OSCC)的细胞系,或由(自发或基因诱导)永生化的原代细胞所建立的细胞系10。这些二维(2D)细胞培养方法在研究成体稳态方面存在若干重要局限性:(1)细胞永生化伴随显著的遗传不稳定性;(2)分化能力有限;(3)需要饲养层细胞;(4)培养基成分大多未明确定义,且含有血清11。综上所述,这些传统的体外(in vitro)金标准方法无法在不损害上皮干细胞增殖与分化能力、也不改变其野生型基因组的前提下,实现其长期培养。
类器官技术已发展成为一种用于建立接近天然上皮组织培养的工具 体外11在2009年的研究中,Sato等人描述了首个上皮类器官培养系统12其方法基于利用Wnt/β-catenin信号通路靶基因标记的单个小肠干细胞进行包埋 Lgr513 到富含三维细胞外基质(ECM)的水凝胶中12通过提供含有对干性至关重要的特定生长因子组合,接种的成体上皮干细胞在培养中得以充分增殖12最终,活跃增殖的干细胞形成了包含所有主要肠上皮细胞类型的细胞簇。12,有效模拟来源组织的特性11与传统的二维培养相比,类器官技术可在无饲养层条件下,使用无血清且成分完全明确的培养基,实现小鼠肠道上皮干细胞的长期维持10,11此外,该方法不会显著改变培养的干细胞的遗传组成或表型。11此外,长期培养保留了干细胞的增殖和分化能力,且无需进行细胞永生化处理。11在短短十余年的时间里,这一早期的上皮类器官培养体系经过改进,已可用于培养来自多种其他上皮组织的成体干细胞,例如结肠(大肠)12,14,15子宫内膜16肝脏17,18,肺19,20乳腺21,卵巢22,胰腺23,24皮肤表皮25和胃26. 尽管大多数方案使用来自人类等哺乳动物的成年上皮干细胞11,27,小鼠11,猫28,狗29和猪30甚至已经可以从蛇毒腺中生成上皮类器官31类器官技术已成为一种广泛应用且具有高度通用性的干细胞培养方法11. 由于上皮类器官在很大程度上保持其遗传特性32,33 且表型稳定,是基因编辑的理想模型34,35 研究基因功能36 或肿瘤发生27,37,38,39,40此外,类器官培养物可被移植到小鼠体内37,41 用于研究宿主-微生物相互作用42 (包括病原体感染)43,44,45)。此外,将类器官与微环境细胞(如免疫细胞)进行共培养46,47,48 和成纤维细胞49,50 已有相关描述。在疾病研究中,类器官已被用于建立活体组织生物样本库21,22,51 以及药物测试27 用于评估疗效52,53 毒性和毒性作用54.
在本实验方案中,我们描述了一种优化的方法,用于从小鼠舌上皮建立和维持口腔黏膜类器官培养。该方法基于先前报道的通过酶消化法分离舌上皮的技术55 ,以及从小鼠和人源口腔黏膜上皮衍生类器官的方法52,53。小鼠口腔黏膜类器官的生长培养基中含有维持干细胞状态的关键因子。R-spondin 可激活 Wnt/β-catenin 信号通路5,而表皮生长因子(EGF)和成纤维细胞生长因子(FGF)10 是细胞因子,也是受体酪氨酸激酶的配体,能够刺激包括 MAPK/ERK 通路和 PI3K/AKT/mTOR 通路在内的多种信号通路25。我们还详细描述了如何通过基因和蛋白质表达分析对类器官培养物进行表征,并将其与来源组织进行比较。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
此处描述的所有方法均符合欧盟和德国关于动物实验的法律法规。
注意:准备操作区域,包括无菌外科器械(精细镊子、精细剪刀和手术刀)以及盛有冷PBSO的培养皿。将BME在4 °C或冰上过夜解冻,并保存至使用前。在开始细胞分离前,将细胞培养板置于培养箱中预热过夜。所有材料均列于 材料表中。
1 小鼠口腔黏膜类器官培养体系的建立
小鼠口腔黏膜类器官的传代、冷冻保存与解冻
小鼠口腔黏膜组织和类器官的3个基因表达分析
小鼠口腔黏膜组织和类器官的4种蛋白质表达分析
注意:舌上皮组织的整体染色在24孔板中进行,每一步均用镊子将组织从一个孔转移至另一个孔。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本方案描述了使用酶混合液将舌部上皮与下方的固有层及肌肉组织分离的方法(图1)。分离得到的上皮组织可用于类器官的培养,也可用于多种基因和蛋白分析。同样,消化后的固有层和肌肉层也可用于后续选定的实验操作。
对于类器官培养,舌上皮组织需进一步用胰蛋白酶溶液消化为小细胞团块(约2-3个细胞)。完全消化成单个细胞并不推荐,因为这可能对类器官的生长产生不利影响52,53。将所得的细胞悬液接种至基底膜水凝胶中(图2A),随后使其凝固,形成富含细胞外基质的三维支架,以支持类器官生长。在7至14天内,源自小鼠舌上皮的口腔黏膜类器官将发育为具有角化内核的较大致密类器官(图2A)。
已建立的类器官培养物可通过传代进行维持。使用0.125%的胰蛋白酶溶液,可...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
组织消化
胶原酶消化有助于将上皮组织与下方的固有层和肌肉组织分离。此步骤可实现原始组织与后续生成的口腔黏膜类器官之间的更好比较。由于酶消化过度会影响成体上皮干细胞形成类器官的能力,我们建议胶原酶孵育时间不超过1 h,胰蛋白酶消化时间不超过30 min。经过胶原酶消化后,上皮组织非常脆弱,因此在分离上皮时需格外小心,以避免将其撕裂。在显微镜下检查分离效果时,应评估结缔组织(通常呈灰白色)是否已从舌上皮脱离。此外,舌背侧的特化上皮与舌腹侧的衬里上皮通过覆盖舌侧缘的过渡区相连。因此,在进一步处理上皮组织时,需注意舌背侧与舌腹侧的上皮无法完全分离。
类器官形态与操作
与小鼠皮肤表皮类器官25类似,口腔黏膜类器官以紧凑方式生长,不呈现其他上皮类器官培养中所描述的囊状球形表型11,12,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
K.K. 是一项与类器官技术相关且正在申请中的专利的发明人。
作者感谢Sabine Kranz提供的协助。我们感谢IZKF W的共聚焦显微镜与基于流式细胞术的细胞分选核心单元ü感谢rzburg对本研究的支持。本工作由德国癌症援助基金会(通过维尔茨堡IZKF/MSNZ资助K.K.)提供的资助支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>培养基 &和媒体组件 | |||
| 高级杜尔贝科培养基’DMEM/F12培养基 | 赛默飞世尔科技 | 12634-028 | |
| B27 补充剂 | 赛默飞世尔科技 | 17504-044 | |
| GlutaMAX-I(100倍浓缩液) | 赛默飞世尔科技 | 35050-038 | |
| HEPES | 赛默飞世尔科技 | 15630-056 | |
| N-乙酰-L-半胱氨酸 | Sigma Aldrich | A9165 | |
| 烟酰胺 | Sigma Aldrich | N0636 | |
| 青霉素/链霉素 | 赛默飞世尔科技 | 15140-122 | |
| Primocin | Invivogen | ant-pm1 | |
| RSPO3-Fc 融合蛋白条件培养基 | U-Protein Express BV | R001 | |
| 重组人EGF | Preprotech | AF-100-15 | |
| 重组人 FGF-10 | Preprotech | 100-26 | |
| ROCK(Rho 激酶)抑制剂 Y-27632 二盐酸盐 | Hölzel Biotech | M1817 | |
| <强>抗体 | |||
| 角蛋白-14 多克隆抗体 100µl | Biozol | BLD-905301 | |
| E-钙黏蛋白抗体 | Bio-Techne | AF748 | |
| 纯化小鼠抗-Ki-67 克隆 B56 (0.1 mg) | BD生物科学 | 556003 | |
| ALEXA FLUOR 594 驴抗小鼠 | 赛默飞世尔科技 | A21203 | |
| ALEXA FLUOR 647 驴抗兔 | 赛默飞世尔科技 | A31573 | |
| ALEXA FLUOR 488 驴抗山羊 | 赛默飞世尔科技 | A110555 | |
| <强>试剂 / 化学品 | |||
| BME 第2型,RGF Cultrex Pathclear | Bio-Techne | 3533-005-02 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma Aldrich | 34943-1L-M | |
| 胶原酶A | 罗氏 | 10103578001 | |
| 驴血清 | Sigma Aldrich | S30-100ML | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | 赛默飞世尔科技 | 100-100-15 | |
| EDTA | Sigma Aldrich | 221465-25G | |
| 乙醇,变性(96 %) | 卡尔·罗斯 | T171.3 | |
| 中性缓冲甲醛溶液,10% | Sigma Aldrich | HT501128-4L | |
| TritonX-100 | Sigma Aldrich | X100-500ML | |
| Tween-20 | Sigma Aldrich | P1379-500ML | |
| TrypLE Express 酶(1×),酚红 | 赛默飞世尔科技 | 12605-010 | |
| 二甲苯 | Sigma Aldrich | 534056-500ML | |
| <强>设备及其他 | |||
| 细胞培养12孔多孔板 | Greiner BioOne | 392-0047 | |
| 细胞滤网:100 µm | VWR | 732-2759 | |
| 盖玻片 | VWR | 631-1569P | |
| 玻璃底微孔板 VE=10 4580 | 康宁 | 13539050 | |
| 目标载玻片:Superfrost Plus | VWR | 631-0108P |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可