本方案描述了一种利用极性反转的小肠类器官构建的“类器官培养皿中的坏死性小肠结肠炎(NEC)”模型,该模型为顶膜外翻型,可直接接触顶膜表面。我们提供了一种免疫荧光染色方案,用于检测与坏死性小肠结肠炎相关的上皮结构破坏,并介绍了一种评估在“类器官培养皿中的坏死性小肠结肠炎”模型处理后顶膜外翻类器官存活率的方法。
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本方案描述了一种利用极性反转的小肠类器官构建的“类器官培养皿中的坏死性小肠结肠炎(NEC)”模型,该模型为顶膜外翻型,可直接接触顶膜表面。我们提供了一种免疫荧光染色方案,用于检测与坏死性小肠结肠炎相关的上皮结构破坏,并介绍了一种评估在“类器官培养皿中的坏死性小肠结肠炎”模型处理后顶膜外翻类器官存活率的方法。
坏死性小肠结肠炎(necrotizing enterocolitis, NEC)是一种影响早产儿的严重疾病,其特征为肠道炎症和坏死。近年来,肠类器官(enteroids)已成为模拟胃肠道病理过程的有前景体系。然而,目前常用的肠类器官操作方法,或无法接触上皮顶端表面(三维[3D]培养),或耗时且资源消耗大(二维[2D]单层培养)。这些方法通常还需额外步骤(如显微注射),才能使模型具备生理可转化性。本文介绍一种生理相关性强且成本低廉的研究NEC的方案 体外 通过逆转类肠体的极性,使其顶膜朝外(顶膜外翻)。本文还提供了一种免疫荧光染色方案,用于检测在常氧或低氧条件下暴露于肿瘤坏死因子-α(TNF-α)或脂多糖(LPS)后类肠体屏障完整性和连接蛋白的表达情况。同时评估了三维顶膜外翻类肠体在常氧或低氧条件下经LPS或TNF-α处理24小时后的细胞活力。结果显示,无论暴露于LPS或TNF-α,并联合低氧处理的类肠体均表现出上皮结构破坏、黏附连接蛋白表达减少以及细胞活力下降。本方案描述了一种新型的“体外坏死性小肠结肠炎(NEC)模型”——顶膜外翻类肠体模型,该模型提供了一个生理相关性强且成本较低的平台,可用于识别NEC治疗中潜在的上皮靶点,并研究早产肠道对治疗药物的反应。
坏死性小肠结肠炎(necrotizing enterocolitis, NEC)是一种发生于高达10%早产儿的小肠严重炎症性疾病,常伴随较高的发病率和死亡率1,2。在极低出生体重(<1500 g)且需外科干预的婴儿中,死亡率接近50%的情况并不少见3。尽管目前尚不完全清楚NEC的确切病因,但已知诸如配方奶喂养等危险因素可能与生理异常(如菌群失调、肠上皮发育不成熟以及肠屏障功能障碍)共同作用,促进疾病的发生2,4。尽管已付出大量努力,过去十年间在NEC的预防和治疗方面进展甚微5。为了深入理解该疾病的发病机制,亟需建立一种研究NEC及相关肠上皮屏障功能障碍的新型体外(in vitro)方法,因为来自动物模型的研究结果迄今未能有效转化为临床应用6。
若干 体外 已利用模型研究坏死性小肠结肠炎(NEC)发生过程中的机制。人肠上皮细胞系 Caco-2 是最常使用的模型之一 体外 坏死性小肠结肠炎模型7,8Caco-2 细胞能够模拟小肠刷状缘的形态特征,但作为一种细胞系,无法分化为多种多样的 体内 细胞类型,包括产生黏液的杯状细胞,这对于构建高可转化性模型至关重要。HT-29-MTX 是人结肠腺癌细胞,具有混合的肠上皮细胞和杯状细胞表型,但仍缺乏基于隐窝的肠上皮细胞类型。9IEC-6 和 IEC-18 是非转化细胞系,具有未成熟的回肠隐窝样形态,但并非来源于人类组织,因此其转化应用能力有限。FHs 74-Int 和 H4 肠道细胞系来源于人胎儿组织,但无法形成紧密连接或极化单层细胞。10,11,因此与即使是早产程度最严重的易感早产儿相比仍属不成熟。通常情况下,NEC 体外 模型利用脂多糖(LPS)处理诱导Toll样受体4(TLR4),后者是坏死性小肠结肠炎(NEC)中启动肠道炎症的主要受体12通过活性氧(ROS)处理(通常使用过氧化氢)介导的损伤常被用于诱导类似坏死性小肠结肠炎的氧化损伤和细胞凋亡13,14作为肠道炎症的主要驱动因子,肿瘤坏死因子-α(TNF-α)是炎症性 TLR4 信号通路的下游组分,也常被用于这些研究中 体外 模型以模拟 在体 发病机制15.
由诱导性多能干细胞(iPSCs)生成的类器官,近年来作为一种 体外 由于其能够重现肠道的复杂性,可作为肠道模型 体内 组织来源的结构与细胞类型组成16,17相关的 体外 类器官系统,肠类器官(enteroids),是由切除的肠隐窝衍生而来的类器官,相较于诱导性多能干细胞(iPSC)衍生的类器官,其建立和维持更为简便。肠类器官通常在三维(3D)细胞外基质(ECM)中培养,实验操作仅能接触细胞的基底外侧表面。诸如显微注射等方法18,19,已开发出用于克服向顶膜递送的屏障,但管腔内脱落的细胞碎片和黏液的积聚使得显微注射在技术上困难且结果不稳定。由于定制的机器人显微注射平台尚未广泛普及20,实验室之间在技术能力和常规操作上的差异成为显微注射方案中需要克服的重要变量。由解离的三维肠类器官衍生而来的二维(2D)单层细胞,仍包含肠上皮所有主要细胞类型,可暴露顶膜表面,但传统上若无间充质肌成纤维细胞作为饲养层则难以维持培养21尽管可以使用允许细胞培养的通透性支持物来接触类肠体单层的顶膜和基底膜外侧,而无需依赖底层的肌成纤维细胞,但这些插入式培养装置在使用共聚焦显微镜等传统显微技术前,需要对膜进行切割和固定,导致操作过程在技术上更为复杂且困难22已建立NEC模型 体外 使用传统的三维类肠器官23,24,25 和可渗透支持物26,27,最近已利用肠道芯片模型成功复制了肠道炎症28,29尽管整合了微流控技术的“芯片上肠道”模型目前是最先进且最具转化潜力的模型,但该技术成本高昂、操作复杂,大多数研究人员难以获取。30.
近年来,外翻类肠体技术的进步使得更便捷地接触三维类肠体的顶膜表面成为可能,同时避免了对其结构完整性的损害 体外 上皮31,32,33. 顶端朝外的类肠体具有与肠道相似的细胞类型组成和屏障功能 体内 肠上皮,但与典型的三维类肠体不同,这些细胞的顶面朝向培养基,从而更有利于开展与营养吸收、微生物感染及管腔分泌等生理过程相关的研究31顶点朝外型肠类器官的另一个优势是 能够将实验试剂均匀地分布到类肠体中。与显微注射不同,该方法无需根据类肠体大小调整加样体积,且类肠体可在悬浮培养中维持,从而避免了细胞外基质对实验试剂扩散的干扰32.
坏死性小肠结肠炎是一种多因素疾病,涉及多种肠上皮细胞类型以及多种环境和病理生理因素34肠道类器官具有多样化的细胞组成,相较于单层细胞培养,在模拟坏死性小肠结肠炎等复杂疾病方面具有明显优势。有趣的是,单次炎症刺激通常已足以诱导损伤发生 体外 单培养,肠类器官,与小鼠模型相同23,似乎需要至少两种炎症成分才能诱导出类似坏死性小肠结肠炎的损伤6在此,我们介绍一种采用顶膜朝外的肠类器官结合缺氧条件(坏死性小肠结肠炎的重要临床特征)构建的顶膜朝外的坏死性小肠结肠炎(NEC)体外模型6)以及LPS或TNF-α,作为一种改进且更具生理相关性的方法 体外 用于研究上皮细胞对类似坏死性小肠结肠炎(NEC)炎症的反应,并可能识别潜在治疗靶点。我们描述了一种逆转小肠三维类肠体极性的实验方案,以及一种免疫荧光染色方案,用于检测上皮屏障破坏和连接蛋白表达的变化。最后,我们进一步展示了一种简单的类肠体活力检测方法,以评估我们建立的“双打击、顶膜外翻”类肠体NEC体外模型的影响。
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本研究中的所有动物实验均经俄克拉荷马大学健康科学中心机构动物护理和使用委员会批准。早产非人灵长类动物(NHP,妊娠90%,橄榄狒狒,Papio anubis)的小肠便利样本是在另一项研究实施安乐死后获得的(方案编号 #101523-16-039-I)。
1. 建立顶膜朝外的肠类器官“肠坏死体外模型”
2. 免疫荧光染色与共聚焦显微镜观察
3. 顶端朝外的类肠隐窝器官芯片细胞活力检测
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利用类肠体建模肠道炎症,即使在坏死性小肠结肠炎背景下,现已成为常见做法。然而,目前大多数常用方法要么无法接触类肠体的顶膜表面,从而削弱了旨在最终作为口服治疗药物使用的化合物的生理相关性;要么在技术上较为困难且耗时,例如类肠体衍生的单层细胞模型。为提高现有方法的实用性 体外 NEC类肠类器官模型中,我们逆转了肠类器官的极性,并结合24小时低氧及LPS或TNF-α处理,构建了一种顶膜朝外的“类器官内NEC”模型。免疫荧光染色证实细胞核(蓝色)朝向腔侧顶膜定位,并检测到villin的表达32 (红色,顶端标记物)位于上皮组织的外边缘(图1A)。暴露于 200 µg/mL LPS、50 ng/mL TNF-α 或单独缺氧均未引起细胞整体形态或E-cadherin的明显变化38 (绿色),或与对照组相比的villin定位或荧光强度图1A-D;
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最近由肠上皮隐窝衍生的肠类器官模型的发展,使得研究更加符合生理相关性 体外 用于研究坏死性小肠结肠炎发病机制的组织。尽管三维肠类器官包含了肠上皮中所有主要的分化细胞类型,但仍存在若干重要局限性。传统的基底侧朝外的三维肠类器官悬浮于三维细胞外基质水凝胶滴中,其成分和密度可能限制组织培养环境中的正常扩散39重要的是,这些肠类器官对细胞的顶面提供的接触机会有限,而顶面正是 体内与管腔内细菌及抗原相互作用,例如肠上皮细胞TLR4与LPS的结合。
尽管坏死性小肠结肠炎(NEC)的病理生理机制尚不明确,但早产儿肠上皮顶端 Toll 样受体 4(TLR4)的表达增加及其活化被认为在其中发挥重要作用40TLR4激活的下游效应包括肠道通透性增加、上皮修复能力下降以及细菌移位,导致肠道屏障功能障碍,进而引起肠道坏死2这一炎症循环被认为起源于早产儿远端肠道的肠腔内,始于肠上皮细胞的顶膜表面。因此,在涉及肠道上皮细菌易位机制研究...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本内容完全由作者负责,并不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。HC 获得美国国立卫生研究院资助项目 P20GM134973 的支持。KB 获得儿童医院基金会(CHF)和长老会健康基金会(PHF)资助项目的支持。我们感谢俄克拉荷马大学健康科学中心分子生物学与细胞计量学研究实验室提供核心设施,用于共聚焦成像。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA,pH 8.0 | Fisher Scientific | 15575-020 | |
| 1.5 mL 微量离心管 | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| 15 mL 圆锥形管 | VWR | 89039-666 | |
| CellTiter-Glo 3D 细胞活力检测 | Promega | G9681 | |
| Corning Costar 超低吸附24孔细胞培养板 | Fisher Scientific | 07-200-602 | |
| 盖玻片 24 mm x 60 mm | 赛默飞世尔科技 | 102460 | |
| 驴抗小鼠IgG(H+L)高交叉吸附二抗,Alexa Fluor 488 | 赛默飞世尔科技 | A-21202 | |
| 驴抗兔IgG抗体,Cy3偶联物 | Sigma-Aldrich | AP182C | |
| 含15 mM HEPES缓冲液的杜尔贝科改良伊格尔培养基/汉姆F-12营养混合物(DMEM-F12) | STEMCELL Technologies | 36254 | |
| E-cadherin 抗体 (7H12) | Novus Biologicals | NBP2-19051 | |
| 4% 甲醛溶液,缓冲,pH 6.9 | Millipore Sigma | 1004960700 | |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | 56-81-5 | |
| ImageJ | Fiji | N/A | |
| IntestiCult 类器官生长培养基(人源) | STEMCELL Technologies | 06010 | |
| Leica SP8 共聚焦显微镜 | Leica Biosystems | ||
| 大肠杆菌O111:B4脂多糖,经凝胶过滤色谱法纯化 | 默克生命科学 | L3012-10MG | |
| 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-544-7 | |
| 正常驴血清 | Sigma-Aldrich | 566460 | |
| Nunc MicroWell 96孔,Nunclon Delta表面处理,平底微孔板 | 赛默飞世尔科技 | 136101 | |
| PBS(磷酸盐缓冲盐水),1×,无钙、无镁,pH 7.4 | 康宁 | 21-040-CM | |
| 含NucBlue的长效玻璃抗荧光淬灭封片剂 | Fisher Scientific | P36983 | |
| 重组抗Villin抗体[SP145] | Abcam | ab130751 | |
| 重组人TNF-α 蛋白 100 µg | Bio-Techne | 210-TA-100/CF | |
| SpectraMax iD3 多功能微孔板读板仪 | Molecular Devices | ||
| Thermo Forma II 系列水套式三气培养箱,184 L | Fisher Scientific | 3140 | |
| 碘化TO-PRO-3(642/661) | 赛默飞世尔科技 | T3605 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
| 0.5 mL平盖管 | 赛默飞世尔科技 | AB0350 | |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | 9005-64-5 |
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