本方案介绍了一种基于鬼笔环肽的丝状肌动蛋白染色技术,并结合共聚焦激光扫描显微镜(CLSM),用于观察微流控动态培养通道以及传统固定孔静态培养腔室中贴壁细胞层的结构。该方法有助于评估细胞层的融合度、单层形成情况以及层厚的均匀性。
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本方案介绍了一种基于鬼笔环肽的丝状肌动蛋白染色技术,并结合共聚焦激光扫描显微镜(CLSM),用于观察微流控动态培养通道以及传统固定孔静态培养腔室中贴壁细胞层的结构。该方法有助于评估细胞层的融合度、单层形成情况以及层厚的均匀性。
体外微流控实验在揭示急性呼吸窘迫综合征(ARDS)和呼吸机相关性肺损伤(VILI)等疾病中发生的微生理现象方面具有巨大潜力。然而,目前在尺寸上与人类肺部终末细支气管生理条件相关的微流控通道中开展研究仍面临诸多挑战,尤其难以在特定培养环境中建立合适的细胞培养条件,例如培养基流速的控制。本方案介绍了一种基于成像的方法,用于评估在氧不可渗透、且尺寸与人类肺部终末细支气管生理条件相关的微流控通道中培养的NCI-H441人肺上皮细胞的结构。通过基于鬼笔环肽的丝状肌动蛋白(F-actin)染色,利用共聚焦激光扫描显微镜揭示细胞的细胞骨架结构,从而实现对单个细胞以及多层细胞的可视化观察。随后进行定量分析,以判断所采用的细胞培养条件是否形成了适合进一步实验的均一单层细胞。该方案详细描述了在微流控通道和传统固定孔板环境中进行细胞培养及细胞层评估的方法,包括通道构建、细胞培养及其必要条件、固定、通透化与染色、共聚焦显微成像、图像处理和数据分析。
急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是一种由于肺实质受损并导致损伤扩散而引发的急性疾病,其结果是肺泡出现肺水肿、气体交换不足以及继发性低氧血症1。这会启动一个促炎性细胞因子释放、中性粒细胞募集、毒性介质释放和组织损伤的循环过程,而这些损伤本身又会引发进一步的炎症反应2。此外,在ARDS期间发生的化学反应可能会使肺表面活性物质失活或功能受损,而肺表面活性物质本应起到稳定气道、防止因反复开放与塌陷(R/D)所造成损伤的作用,其功能障碍将导致周围肺实质承受进一步的应激与损伤3。当损伤达到一定程度时,可能需要机械通气以维持足够的全身氧合4。然而,机械通气本身也带来一系列挑战和创伤,包括可能导致呼吸机相关性肺损伤(VILI),其特征是由于过度膨胀(容积伤)和/或液体阻塞气道中气-液界面反复开放与塌陷(萎陷伤)所施加的机械应力,造成肺实质损伤5。在萎陷伤模型中,暴露于气-液界面(如液体阻塞的细支气管)的上皮细胞所经历的压力梯度,可能引发一种源于通透性改变的阻塞性反应(POOR),从而导致“越差越糟”(POOR-get-POORer)的恶性损伤循环6,7,8。
体外 实验可为这些现象提供微尺度层面的深入认识,但目前在具有生理相关尺寸的微流控通道环境中开展的研究仍面临多项挑战9。首先,优化细胞培养条件是微流控环境中开展细胞培养研究的一大障碍,因为只有在培养基流动参数、培养时间及其他培养条件处于一个较窄的交集范围内时,才能实现细胞层的最佳形成。这其中包括由微流控培养通道封装材料对氧气不透性所带来的扩散限制。因此,必须仔细考虑培养基的流动参数:过低的流速可能导致细胞缺氧,尤其是距离入口最远的细胞;而过高的流速则可能将细胞冲出培养通道,或导致细胞层发育不充分或不均匀。通过在气液界面(ALI)培养装置中使用透氧材料(如聚二甲基硅氧烷,PDMS),可在一定程度上缓解扩散限制;然而,许多传统的微流控培养通道(例如电阻抗检测细胞附着系统(ECIS)中的通道)由于其封装结构本身的特性,本质上是不透氧的10。本实验方案旨在提供一种用于分析在不透氧封装环境中培养的细胞层的技术方法。
在比较不同培养条件的细胞存活能力时,必须观察特定的细胞层特征,例如是否存在单层结构、表面拓扑形态、融合度以及层厚均匀性,以确定特定培养条件下生成的细胞层是否符合预期的技术要求,并与实验设计相关。可通过诸如ECIS(细胞外电容抗测量)等方法进行有限评估,该方法利用施加于培养在流动阵列金电极上的细胞绝缘膜的高频交流电(AC)所产生的电阻(即阻抗)所形成的电势(电压)变化进行测量。通过调节施加于细胞的交流电频率,可针对性地检测和分析细胞及细胞层的特定频率依赖性特性,如表面黏附强度、紧密连接形成情况以及细胞增殖或融合状态11。然而,这类间接测量方法在实验初期较难解释,且可能无法量化细胞层的所有相关特性。在相差显微镜下直接观察细胞层虽可揭示某些特性(如融合度)的本质,但许多关键特征(例如是否存在单层结构及层厚是否均匀)需要三维(3D)评估,而明场、相差或荧光显微成像技术无法实现这一目标12。
本研究的目的是开发一种丝状肌动蛋白(F-actin)染色技术,以通过成像手段验证单层细胞的存在,并利用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)评估细胞层的均匀性。选择丝状肌动蛋白(F-actin)作为荧光染料偶联物的靶标,部分原因是F-actin紧密沿细胞膜分布,能够直观地近似显示整个细胞体积13。靶向F-actin的另一个重要优势在于,其染色结果能够直观揭示由细胞所受应力和应变引起的细胞骨架破坏或改变。采用不含甲醇的甲醛进行交联固定,以保持细胞及细胞层的形态结构,因为甲醇等脱水性固定剂往往会使细胞变扁平,严重扭曲细胞层并改变其特性14,15。
为了评估层状结构评价技术克服这些挑战的能力,将细胞分别在传统的八孔培养腔以及微流控通道中进行培养,以评估所形成的细胞层之间是否存在差异。对于固定式培养孔,采用八孔板载玻片培养单元。对于微流控培养,则优化了流体阵列(通道长度50 mm,宽度5 mm,深度0.6 mm),用于在与人类肺部呼吸区终末细支气管生理尺寸相关的环境中培养永生化人肺上皮细胞(NCI-H441)16。尽管本实验方案是基于ECIS流体阵列的培养环境设计的,但它也可适用于任何需要评估培养细胞层特性或培养条件的氧气不可渗透的动态培养环境。
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本研究使用了NCI-H441人肺上皮细胞系(见材料表)。
1. 微流控通道中的细胞培养

图1:微流控通道结构的分解示意图。 顶部元件为流体阵列的上部,灰色薄片为粘合条,蓝色薄片为聚酯薄膜垫片,底部元件为矩形盖玻片。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:沿微流控培养通道稳定分层区域的五个成像位置。 成像位置如下:靠近完整流控阵列上第一个电极位置的入口侧;入口侧位置与通道中心之间的中点;通道中心;通道中心与出口侧位置之间的中点;以及靠近完整流控阵列上最后一个电极位置的出口侧。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 八孔腔室盖玻片中的细胞培养

图3:用于固定孔培养、染色和成像实验的八孔板载玻片示意图,该实验比较了初始细胞接种密度和培养时间对细胞层形成的影响。 请点击此处查看该图的放大版本。
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本方法可用于可视化在微流控培养通道中培养的上皮细胞层,并通过在传统固定孔板细胞培养环境中的演示作为验证。所获得的图像在质量、信号强度和细胞靶标特异性方面会存在不同程度的差异。成功的图像应具有高对比度,可用于图像分析和数据量化,进而进行后续的统计学评估。失败的图像则会显得昏暗、模糊或不清晰,无法用于主观或定量评估。部分图像可能适用于主观判断细胞层特征,但仍不足以满足定量分析的质量要求。因此,实验操作过程中对本方案的遵循程度和操作细致程度将直接影响所得图像是否适合作为统计分析的数据来源。
图4 代表了该技术在微流控动态培养环境中的成功应用,并展示了两个微流控装置入口和出口处的图像采集结果。 图4A,B 提供培养 24 h 的细胞层示例,以及 图4C,D 展示了培养48小时的细胞层示例。 图5
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本方案描述了在单通道微流控流动阵列的动态环境以及传统八孔腔室盖玻片的静态环境中,培养、交联固定、染色、通透化及共聚焦显微镜下可视化 NCI-H441 人肺上皮细胞的方法。在任何微流控细胞培养方案中,细胞培养基的流动条件都至关重要,因为高流速可能导致细胞被冲走,或干扰细胞单层的正常形成;而低流速则可能由于微流控通道的不可渗透特性及流动特性所导致的扩散限制,使细胞层因营养和氧气供应不足而“饥饿”或“窒息”30。通过首先设置10分钟的静置期(在此期间细胞仍悬浮于最初填充通道的培养基中),随后将流速逐步提升至0.2 µL/min,最终在4小时内逐步增加至10 µL/min,从而在促进细胞贴附与维持细胞存活之间实现平衡。
该方案中的另一个关键步骤是微流控通道的正确制备,包括构建和预处理。必须小心确保盖玻片正确安装到腔室结构上,以避免泄漏和潜在污染。正确固定盖玻片对于保证通道高度在不同构建单元的连续实验中保持一致且可准确重复也十分必要。由于所用粘合胶带的厚度公差及其相对可压缩性,可能会引入微小的变异。尽量减少任何变异将有助于提高实验结果的一致性。...
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作者声明无利益冲突。
作者感谢Alan Shepardson设计了用于微流控通道构建的3M胶粘剂和聚酯薄膜的切割图案,并测试了细胞培养基的流速和注射泵程序。本研究由NIH R01 HL0142702、NSF CBET 1706801以及Newcomb-Tulane学院院长资助项目提供资金支持。
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| National Target 全塑料一次性注射器 | Thermo Scientific | 03-377-24 | https://www.fishersci.com/shop/products/national-target-all-plastic-disposable-syringes/0337724#tab8 |
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