本文中,从新生小鼠分离并培养了原代肺内皮细胞。
本文中,从新生小鼠分离并培养了原代肺内皮细胞。
内皮细胞在调节血管张力、免疫、凝血和通透性方面发挥关键作用。内皮功能障碍可见于糖尿病、动脉粥样硬化、脓毒症和急性肺损伤等疾病状态。为了研究内皮细胞在这些及其他疾病发病机制中的作用,需要一种可靠且可重复的小鼠内皮细胞分离方法。本方案中,从小鼠新生仔鼠(5–7日龄)中分离制备肺微血管内皮细胞。取出肺组织,剪碎后用I型胶原酶进行酶消化,释放的细胞过夜培养。随后使用与磁珠偶联的抗PECAM1(CD31)IgG抗体富集内皮细胞,并将细胞再次培养至融合。为进一步提高内皮细胞纯度,再使用与磁珠偶联的抗ICAM2(CD102)IgG抗体进行二次细胞筛选,随后再次将细胞培养至融合。整个过程约需7–10天,之后细胞即可用于实验。该简易方案可获得高纯度(纯度 >92% 的内皮细胞,可立即用于 体外 研究,包括聚焦于内皮细胞分泌细胞因子和趋化因子、白细胞-内皮细胞相互作用、内皮凝血通路以及内皮通透性的研究。由于存在多种基因敲除和转基因小鼠品系,该方法还可用于探究内皮细胞在健康及病理状态下对损伤、感染和炎症反应中所表达的特定基因的功能。
近年来,人们对研究血管内皮细胞的兴趣日益增加,因为微血管内皮细胞功能障碍出现在多种人类疾病中,例如中风、心血管疾病、糖尿病、急性肺损伤、脓毒症以及非感染性损伤1,2,3,4,5。为了明确这些疾病的发病机制,并理解特定基因在保护性及失调性内皮细胞反应中的作用,迫切需要建立可靠的方法,以从鼠类中分离并培养高纯度的微血管内皮细胞。尽管许多研究使用人源内皮细胞,如人脐静脉内皮细胞(HUVEC)或人肺微血管内皮细胞(HMVEC),但使用小鼠内皮细胞研究内皮功能与功能障碍具有多个优势。首先,来自不同人源供体的内皮细胞在反应上存在显著异质性,导致个体实验之间结果的变异性6,7,8。其次,在原代人源细胞系中沉默目标基因也可能导致蛋白表达水平的不一致9,10。相比之下,若实验组间遗传背景一致,则小鼠内皮细胞的反应异质性极小11。此外,可通过汇集多只新生小鼠的肺组织来制备大量小鼠内皮细胞。这些因素使得实验间的结果更加一致且可重复。最后,基因敲除或转基因小鼠的可获得性,也为分离缺乏特定目标蛋白的细胞类型提供了可能。
使用已发表方法分离健康且纯度较高的小鼠肺内皮细胞所面临的重要挑战12,13,14,15,16 从而开发出一种更可靠且简便的方法,用于分离高质量的小鼠肺微血管内皮细胞。本方案的优势包括使用易于获得的新生小鼠,从而减少动物饲养和维护成本。此外,根据我们的经验,新生小鼠来源的内皮细胞活力显著高于成年小鼠来源的内皮细胞。由于新生小鼠肺组织量较小,可通过以下方法收获内皮细胞 消化 将切除的肺组织放入胶原酶中 而不是采用推荐用于成年小鼠取材的气管内灌注胶原酶的方法16这还能缩短小鼠安乐死后将其内皮细胞接种至细胞培养基并放入培养箱所需的时间,且不影响内皮细胞的纯度、得率或内皮反应的可重复性。最后,无需使用流式细胞术即可分离获得高纯度的细胞群体,避免了该技术可能对内皮细胞造成的损伤或导致细胞得率降低的问题。14,15,17.
当前改进的方案在7-10天内 consistently 获得高纯度且具有活性的内皮细胞,可立即用于 体外 实验。直接从基因敲除动物中分离细胞还能在实验前最大限度地减少对细胞的干预。这些方法可用于研究各种蛋白质在内皮功能中的作用,从而发现基于内皮细胞的多种疾病治疗靶点。
所有动物实验程序均经加州大学旧金山分校机构动物护理和使用委员会批准。研究使用雄性C57BL/6新生小鼠(5-7日龄)。整个实验方案需时7-10天(图1)。
1. 内皮细胞培养基的制备
2. 抗大鼠磁珠的预包被13
3. 肺细胞的分离与接种
4. 内皮细胞的免疫磁珠初代分离与培养
5. 内皮细胞的二次免疫磁珠分离与培养
6. 通过流式细胞术确认内皮细胞表面标志物
该简单方案可在7-10天内实现小鼠微血管内皮细胞的分离、培养和鉴定(图1)。简言之,取出肺组织后进行酶消化,然后接种。接种后立即可见内皮细胞及其他细胞悬浮于细胞培养基中。至次日,内皮细胞及污染细胞将贴附于培养皿表面,此时需采用强力洗涤方法以去除碎片和未贴壁细胞。当细胞达到汇合状态后,进行首次免疫磁珠筛选。CD-31阳性细胞随后开始呈现铺路石样形态生长(图2)。不具有铺路石样形态或过度生长的细胞为污染细胞,不属于内皮细胞13,14,15,16。
随后使用包被抗CD-102抗体的免疫磁珠进行第二次免疫磁珠筛选,以提高内皮细胞的纯度,该方法与其他方案类似13,16。经过第二次免疫磁珠筛选后,细胞生长至融合状态即可用于实验。采用荧光激活细胞分选(FACS)技术确认细胞群体为CD-31阴性且CD-102阳性(图3)。
这些内皮细胞随后可用于多种应用,例如研究内皮炎症通路和内皮屏障功能。例如,观察到使用小鼠细胞因子混合物(murine cytomix,含 IFNg、TNFa 和 IL1b,每种均为 10 ng/mL)处理后,内皮细胞产生 IL-6 (图 4A)。随后采用电动细胞-基质阻抗传感技术(Electric Cell-substrate Impedance Sensing, ECIS)18 测量跨内皮电阻(transendothelial resistance, TER),以评估电流通过小鼠肺内皮细胞单层时的阻力。观察到经细胞因子混合物处理的细胞导致 TER 降低 (图 4B),这与内皮通透性增加一致。这些实例说明了利用本方案制备的内皮细胞可研究多种内皮相关过程。鉴于目前可获得的基因敲除和转基因小鼠品系日益增多,该方法可使研究人员更便捷地在内皮细胞中研究目标基因的功能。

图1:小鼠肺内皮细胞分离示意图。取5-7日龄新生幼鼠的肺组织,收获后剪碎。将剪碎的组织用I型胶原酶进行酶消化。细胞悬液接种并培养2-3天。随后使用CD31包被的免疫磁珠进行初次分离,并继续培养3-4天。再通过CD102包被的免疫磁珠进行第二次分离,之后再培养2-3天。此时细胞已可用于功能性实验。该图像由基于网页的绘图工具Biorender生成。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:小鼠肺内皮细胞的形态学特征。 培养的小鼠肺内皮细胞呈现铺路石样形态。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:通过流式细胞术分析内皮细胞。(A)所有事件均显示在前向散射(FSC)与侧向散射(SSC)的点图中。(B)散点图证实小鼠肺内皮细胞对内皮特异性细胞表面抗原 CD-31 和 CD-102 均呈阳性。(C)同型对照样本与使用 CD-31/CD-102 特异性抗体染色样本的直方图。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:细胞因子混合物诱导小鼠肺微血管内皮细胞产生IL-6并增加内皮细胞通透性。 来自C57BL/6小鼠的肺微血管内皮细胞用细胞因子混合物(IFNγ、TNFα 和 IL-1β,每种均为10 ng/mL)处理。(A) 培养15小时后,检测上清液中IL-6的水平(**p<0.01,n = 每组4个孔)。(B) 采用细胞电阻传感技术(Electric Cell-Substrate Impedance Sensing)在15小时内多次测定跨内皮电阻(TER)。数据以加入细胞因子混合物前的电阻值为基准进行归一化处理,并采用双因素方差分析(two-way ANOVA)进行统计分析,随后进行Tukey多重比较检验19(**p<0.01,n = 每组4个孔)。 请点击此处查看该图的放大版本。
该简单方案可从鼠肺中获得高纯度的内皮细胞。尽管从开始到结束的总时长为7-10天,但实际操作时间约为3-4小时。与其他方法13,14,15,16相比,本方案经过优化,保留了关键步骤,同时不降低得率和纯度。
值得注意的是,本方案中有一些关键要点。首先,必须使用新生小鼠而非成年小鼠。根据我们的经验,成年小鼠来源的内皮细胞增殖能力不如新生小鼠,且容易被具有纺锤形形态、符合成纤维细胞或间充质干细胞特征的细胞所过度生长而污染15,16。造成这种差异的可能原因是,新生小鼠肺部正处于肺泡发育阶段,其内皮细胞增殖速度较快20。此外,随着年龄增长,细胞可能在一定程度上出现衰老现象21。酶消化时间也必须精确控制:消化不足会导致单细胞悬液得率偏低;而过度消化则会引起大量细胞死亡。我们确定胶原酶消化的最佳时间为45分钟,随后使用钝头套管进行机械解离。已有文献报道在酶消化过程中通过气管内灌注胶原酶的方法14,15;然而,该方法较为耗时,在本研究中会导致消化不完全。最后,部分方案在酶消化后直接进行免疫磁珠分离13,16。但我们发现 ,在进行免疫磁珠筛选前,先将解离所得肺组织细胞在培养基中培养一至两天,可显著提高存活率高且纯度高的内皮细胞的收获量。这一现象可能与将分离细胞尽快接入组织培养基的速度有关,从而减少了从小鼠体内取出后早期阶段的细胞死亡,提高了初始接种密度,并为内皮细胞在首次免疫磁珠分离前提供足够的时间以贴壁并增殖。
小鼠内皮细胞制备与分析的局限性如下:每只小鼠仅能提供有限数量的细胞,且这些细胞必须在少数几代传代内使用。这一问题可通过合并多只小鼠的肺组织消化液来克服。遗憾的是,我们未能成功冻存并复苏这些细胞以供后续使用。尽管存在这些局限性,小鼠内皮细胞仍具有一些优势。它们在某些情况下尤为有用,例如当人源内皮细胞无法使用时(如基因敲除实验),或需要与人源细胞结果相互验证的互补性研究,或当不同人源供体来源的内皮细胞反应异质性导致实验间重复性困难时6。来自遗传背景一致的小鼠的同质性内皮细胞群体,可在稳定背景下实现实验间的可重复性,并有利于对特定基因和信号通路进行研究。
小鼠内皮细胞可用于多种研究,以深入了解不同疾病过程中内皮细胞的活化与功能障碍。例如,在脓毒症中,内皮细胞发挥着关键作用,通过介导局部和全身性炎症反应、促进白细胞在组织中的迁移与活化、调节凝血过程以及调控内皮通透性,参与有益和病理性的生理反应2,22,23。本简单实验方案可提供具有活性和功能的内皮细胞,适用于上述各项内皮细胞功能的研究实验。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由 NIH T32GM008440(JH/EW)和 NIH R01AI058106(JH)资助。我们感谢加州大学旧金山分校(UCSF)Parnassus 流式细胞术核心设施(RRID:SCR_018206),该设施部分由 NIH P30 DK063720 基金以及 NIH S10 仪器基金 S10 1S10OD021822-01 支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 50 mL 离心管 | 康宁生命科学 | 430829 | |
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| BioRender.com | BioRender | ||
| 钝头套管针 15 G × 1-1/2" | Covidien | 8881202314 | |
| CD-102 大鼠抗小鼠单克隆抗体(3C4 (MIC2/4)) | BD 生物科学 | 553326 | |
| CD-31 大鼠抗小鼠(MEC 13.3) | BD 生物科学 | 557355 | |
| I型胶原酶 | 沃辛顿生化公司 | LS004194 | |
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| 来自猪肠黏膜的肝素钠盐 | Sigma | H3393 | |
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| PE 小鼠抗小鼠 CD31(MEC 13.3) | BD 生物科学 | 553373 | |
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