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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
本文描述了一种在活 的Clytia hemisphaerica medusa 的上皮中创建伤口的方法,并在 体内以高分辨率图像伤口愈合。此外,还提出了一种在伤口愈合过程中引入染料和药物来扰乱上皮细胞和细胞外基质中的信号传导过程的技术。
所有动物器官,从皮肤到眼睛再到肠道,都覆盖着上皮细胞片,使它们能够维持体内平衡,同时保护它们免受感染。因此,修复上皮伤口的能力对所有后生动物都至关重要也就不足为奇了。脊椎动物的上皮伤口愈合涉及重叠过程,包括炎症反应、血管形成和再上皮化。这些过程的调节涉及上皮细胞、邻近细胞和细胞外基质(ECM)之间的复杂相互作用;ECM 包含结构蛋白、调节蛋白和活性小分子。这种复杂性,加上大多数动物具有不透明的组织和难以接近的ECM的事实,使得在活体动物中难以研究伤口愈合。因此,许多关于上皮伤口愈合的工作是在组织培养系统中进行的,将单个上皮细胞类型作为单层接种在人工基质上。 Clytia hemisphaerica (Clytia)为这些研究提供了独特而令人兴奋的补充,允许在具有真实ECM的完整动物中研究上皮伤口愈合。Clytia 的外胚层上皮是单层大的鳞状上皮细胞,允许在活体动物中使用差分干扰对比 (DIC) 显微镜进行高分辨率成像。由于没有迁移性成纤维细胞、脉管系统或炎症反应,因此可以解剖 体内再上皮化的关键事件。可以分析各种类型的伤口的愈合,包括单细胞微伤口,大小上皮伤口以及损坏基底膜的伤口。板状伪足的形成、钱包收缩、细胞拉伸和细胞集体迁移都可以在这个系统中观察到。此外,可以通过ECM 引入 药理学试剂来改变 体内的细胞:ECM相互作用和细胞过程。这项工作展示了在活Clytia中制造伤口的方法,捕捉愈合电影,并通过将试剂微注射到ECM中来探索愈合机制。
上皮细胞片覆盖所有后生动物的外表面,排列内部器官,并将动物身体分成离散的隔室。上皮还将内部身体与外部环境分开,并保护其免受损害和感染。因此,上皮层的出现是多细胞动物进化的重要组成部分,从脊椎动物到最基础的后生动物的所有动物都可以看到上皮层1。某些器官的上皮是单层的,例如肺气囊,血管和肠道2,以及无脊椎动物(如涡虫和刺胞动物3)的表皮中。在其他组织中,例如脊椎动物的皮肤4和角膜5,上皮是分层的,这意味着有多个上皮细胞层2。在所有情况下,最基底的上皮层附着在基底膜上,基底膜是形成细胞外基质(ECM)特殊区域的蛋白质片6,7,8。
必须迅速修复上皮的破损,以重建连续的上皮片。上皮损伤发生在自然过程中,例如肠道中上皮细胞的脱落,9,10以及炎症或身体创伤的结果。当单个上皮细胞受损时,它必须自我修复或消除,以使周围的细胞相互附着并关闭孔11,12。在大于单个细胞大小的伤口中,上皮细胞必须移动以相互接触并修复薄片13。如果间隙很小或可能需要上皮细胞从伤口边缘迁移以闭合伤口间隙,则可以通过细胞扩散来实现;后一个过程称为再上皮化14,15。在胚胎组织中,上皮细胞扩散并迁移到闭合伤口,或者通过伤口边缘细胞之间形成的肌动肌收缩素电缆的收缩穿过间隙,其机制类似于钱包串16。在许多成人组织中,再上皮化涉及相干细胞片的迁移,其中细胞与相邻细胞保持连接14,17,18。在其他组织中,细胞:细胞连接被拆除,上皮细胞的行为更像间充质细胞,在再上皮化过程中以协调但独立的方式移动到伤口区域14,19,20,21。
上皮细胞运动受迁移细胞之间以及细胞与ECM之间的复杂相互作用的调节。虽然有大量的实验文献涉及上皮细胞伤化和随后迁移的机制,但仍有许多有待发现。例如,激活上皮细胞迁移以响应伤口的初始信号尚未明确鉴定22,也没有完全理解肌动蛋白如何重新部署以在最靠近伤口的上皮细胞一侧产生板状伪足22,23,24,25,26,27.集体细胞迁移需要来自伤口细胞的信息与伤口远端的细胞共享,并且通信途径仍然不清楚28。细胞:细胞连接和细胞:ECM附件必须拆卸和重组,因为片中的细胞重新排列自身,但对这一过程的调节知之甚少14,29。在这些和其他相关问题上取得进展不仅作为一个基本的生物学问题很重要,而且还因为正确的伤口愈合的临床意义。损害上皮细胞正确迁移能力的疾病会导致慢性伤口;一个例子是遗传性疾病大疱性表皮松解症,其中参与上皮细胞附着在ECM上的基因发生突变,导致皮肤脆弱,剥落和起水泡。再上皮化在自然老化组织中也受到损害30,31。因此,更好的理解对于开发改善伤口愈合结果的干预措施至关重要。
伤口愈合中的上皮细胞迁移已使用体外方法和模式生物进行了研究。大多数关于伤口愈合和细胞迁移机制的研究都是在组织培养中进行的,其中单个上皮细胞类型的单层生长在替代ECM的基质上。将细胞单层划伤或用模板生长以产生特定形状和大小的间隙,然后观察32,33,34。体外模型允许细胞行为的理想可视化,以及改变底物质量的机会,将细胞暴露于药物和非生物和生物因子中,以及用表达或抑制各种目标基因的构建体转染细胞。然而,这种还原论方法可能无法捕获体内环境中上皮细胞行为所涉及的一些重要参数,包括各种细胞类型之间的通信和ECM11中发生的信号事件。体内模型提供了伤口的真实背景,具有多种细胞类型、重叠的信号通路和复杂的 ECM35。伤口愈合研究的一个这样的模型是小鼠19,其中最近的进展使研究人员能够在活体动物36的全层伤口愈合过程中观察表皮细胞。然而,小鼠和其他体内系统对研究再上皮化提出了挑战。首先,在自然环境中观察细胞行为的巨大优势与脊椎动物伤口愈合过程中发生的时间重叠事件的复杂性相平衡,包括血液凝固、免疫细胞募集和炎症、成纤维细胞募集以及细胞去分化、血运重建和 ECM 重塑。此外,不透明的组织使成像变得困难。果蝇幼虫和斑马鱼表皮系统37,38已经克服了其中一些困难,因为它们相对简单39。
我们的实验室最近推出了一种研究上皮伤口愈合的新模型:水生动物刺胞动物Clytia hemisphaerica(Clytia)的美杜莎(水母)形式40。Clytia 是一种新兴的模式生物,具有完全测序和注释的基因组41、单细胞 RNAseq 转录组42 和基因组修饰(诱变和转基因)方案 43,44,45。刺胞动物是现存最古老的具有上皮层的谱系之一,因此了解刺胞动物伤口愈合有助于深入了解确保上皮完整性的祖先途径。对于那些在整个生命之树中一直保存的途径,Clytia 提供了一个令人兴奋的新系统来研究上皮细胞动力学和体内伤口愈合的功能调节。
覆盖美杜莎(外伞)上表面的上皮是单层透明的鳞状上皮细胞,宽约50μm,厚1-2μm(图1)。它们附着在称为中胚层的ECM上 - 水母的"水母"。中胚层在成分上类似于在其他动物46,47,48(包括脊椎动物)中发现的ECM,具有基底膜40,并且完全透明。Clytia medusa的上皮层很容易被划伤或受伤(见下文)。上皮和ECM的简单性和透明度允许在愈合过程中对细胞及其运动进行高分辨率成像。最近,Kamran等人详细描述了Clytia上皮中小伤口的愈合40。研究表明,Clytia 的愈合是通过基于板状伪底的细胞爬行、细胞扩散和集体细胞迁移以及更典型的胚胎系统钱包串闭合来实现的(尽管以前在角膜49 等成年动物结构中见过)。Clytia 伤口愈合非常快,正如在其他缺乏炎症反应的系统中所看到的那样40,50.Clytia exumbrella的愈合完全取决于现有上皮细胞的运动 - 没有细胞增殖或通过ECM迁移到伤口部位(补充电影1)。所有这些发现都表明,Clytia是研究上皮伤口愈合的有用模型系统。事实上,在伤口愈合过程中对Clytia中上皮细胞进行成像的容易性导致发现,只要有完整的基底膜,上皮细胞板状伪足就会延伸并扩散到暴露的ECM区域;如果基底膜受损,上皮愈合切换到钱包串机制40。这是首次证明了通过基于板状伪足的爬行与钱包线闭合决定关闭的机制,强调了特定细胞:ECM相互作用在愈合和观察细胞自然环境中的重要性。
下面描述了用于创建和成像单细胞微伤口、主要通过细胞扩散闭合的小伤口以及需要集体细胞迁移才能闭合的大伤口的协议。此外,描述了将小分子引入ECM和上皮细胞的方案,允许对伤口愈合的假定调节途径进行实验扰动。
1. 动物养殖
2. 伤人

图1:Clytia medusa中完整和受伤的伞状上皮层。(A)Clytia Medusa身体的卡通图形。(A')从上面看完整的美杜莎伞上皮。(B)带有蓝色上皮细胞的单细胞微伤口(红色锯齿状)的卡通。(二) 单细胞微伤口。(C)小上皮伤口(红色锯齿状)的卡通。(C') 小上皮伤口。(D)大上皮伤口(红色锯齿状)的卡通。(D') 大上皮伤口。图像均使用DIC显微镜获得。比例尺 (A'-C'):50 μm。比例尺 (D'): 100 μm. 请点击此处查看此图的大图。

图 2:多种尺寸的伤口和受损的基底膜。 图中显示了典型的小的伞状上皮伤口,标签表明由边缘细胞形成的板状伪足。此外,还可见上皮细胞内和之间的微伤口。注意伤口上部的小基底膜撕裂。 电影4 显示了这个伤口的愈合。比例尺:50 μm。 请点击此处查看此图的大图。
3. 影像学上皮伤口愈合

图 3:在伞外上皮上形成一个小伤口。(A) 用 200 μL 移液器吸头轻轻刮擦伞,以形成小的上皮伤口。 (B) 放置盖玻片有时足以形成小的上皮伤口。 (C) 美杜莎安装在凹陷滑梯上。 (D ) 没有DIC光学元件的小上皮伤口图像和 (E) 有DIC光学元件。比例尺: 50 μm 请点击此处查看此图的大图。
4. 分析

图4:小上皮伤口的伤口面积分析。(A)小上皮伤口在10分钟内愈合的例子。 (B)不同的上皮伤口在21分钟内愈合的例子。A,B中的紫色轮廓与FIJI/ImageJ中使用套索工具测量伤口区域相当。(C)随着时间的推移,A中伤口面积的正常化减少。(D)B中伤口面积随时间的标准化减少。(E)14个小伤口随着时间的推移平均减少伤口面积。n = 14。误差线以平均± SEM 为中心。 比例尺: 50 μm 请点击此处查看此图的大图。
5. 中胚层注射

图 5:用于将染料或药物引入 ECM 的进样设置。(A) 注射设置。( B) 注射装置的特写,显示显微注射针的方向(相对于培养皿中的动物约45°角)。 (C) 硅胶注射盘与美杜莎在少量ASW注射中的特写。 (D) 装有快速绿色FCF的显微注射针通过亚伞进入美杜莎的中胚层。 (E) 在安装的美杜莎中注射后快速绿色FCF。 请点击此处查看此图的大图。
按照上述方案,对单细胞微伤口、小伤口和大伤口进行成像。已注册的图像文件堆栈已另存为.avi文件。
在视频1中,可以看到细胞之间和细胞内的微伤口闭合(图1 和 图2)。在闭合过程中观察到小板状伪足,然后收缩和愈合。碎片被排除并释放到水中。愈合在一分钟或更短的时间内完成。
在电影2和3中,不同形状的小伤口通过板状伪足的形成,层状接触的延伸和伤口边缘细胞的扩散而愈合,如前所述40 (图1 和 图2)。边缘细胞后面的细胞不参与这种大小的伤口的愈合,也没有集体细胞迁移。上皮间隙的快速和渐进闭合之后是沿着新形成的伤口接缝40的组织收缩。显示了这两个伤口的标准化愈合率,表示为随着时间的推移原始区域的百分比(图4C,D)。虽然伤口闭合的动力学存在一些变化,但平均14个不同形状的伤口的闭合百分比,范围从0.02-0.125 mm2 ,可以建立未经治疗的动物伤口愈合的平均曲线(图4E)。
基底膜的损伤在发生时可以清楚地看到(图2)。在 电影4中,小伤口边缘的细胞在损伤区域周围扩散,并且间隙闭合通过钱包线收缩完成。
如果组织脱水或受损太严重而无法修复,细胞运动可能会停止,或者整个细胞片可能会破裂(视频5 和 视频6)。这通常发生在长时间成像(45分钟或更长时间)后。如果在成像早期发生细胞破裂,则丢弃样品。
如 电影7所示,大伤口分几个阶段愈合。首先,由于边缘收缩,伤口边缘变得光滑和规则,如先前报道的那样57。然后,可以看到板状伪足从伤口边缘的细胞形成,板状伪足向前移动以最大限度地与相邻的板状足接触。对伤口边缘和边缘细胞后面几层细胞中的细胞核的跟踪表明,大间隙通过集体细胞迁移关闭40。细胞永远不会分离,而是作为一张纸一起移动。
染料和药理学试剂的引入可以成为剖析生物机制的有力工具。许多物质被排除在Clytia之外(未显示),可能是因为粘液层覆盖在动物表面。然而,显微注射可用于将分子直接引入ECM,破坏ECM结构或扰乱ECM中的调节活动。此外,染料和其他分子能够从基底侧进入上皮细胞。例如, 图6 显示了用Hoechst进行核染色,用FM1-43进行膜染色,以及将这些试剂显微注射到ECM后细胞松弛素B对板状伪足形成的抑制。在受伤前将这些分子引入ECM和上皮细胞允许测试药理学工具对愈合过程影响的实验。

图6:显微注射染料或药理剂后美杜莎的上皮细胞。(A) 用20μM Hoechst(细胞核)和50μM FM1-43(膜)注射后5分钟在顶部图中显示的上皮细胞。(乙,丙) 注射后伤口愈合与1:1,000 DMSO对照 (B) 或100μM细胞松弛素B (C)。注射后15分钟伤口。图像在受伤后5分钟拍摄。板状伪足的形成被细胞松弛素B抑制。伤口区域细胞之间经常看到的明显"纤维"被认为是张力拉伸基底膜的结果 - 它们不会用鬼笔环肽染色(未显示)。比例尺:50 μm。 请点击此处查看此图的大图。
电影1:单细胞微伤口愈合的延时电影。经过时间:20 秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:50 μm。 请点击这里下载此影片。
电影2:一个小上皮伤口愈合的延时电影。经过的时间:9分54秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:50 μm。 请点击这里下载此影片。
电影3:一个小上皮伤口愈合的延时电影。这个伤口比电影2中的伤口更大,形状更不规则。经过的时间:20分54秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:50 μm。 请点击这里下载此影片。
电影4:延时电影,一个小伤口和一个微伤口愈合与地下室膜撕裂。 板状伪足在基底膜撕裂周围扩散,尽管它们可以在ECM的其余部分推进。一旦有基底膜损伤的伤口区域被包围,钱包线收缩将细胞拉过该区域。经过时间:19 分 4 秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:50 μm。 请点击这里下载此影片。
电影5:细胞在一个小的上皮伤口中死亡。 细胞死亡可能是由于动物脱水。经过时间:4分24秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:100 μm。 请点击这里下载此影片。
电影6:一个小的上皮伤口无法完全愈合。 经过时间:42分32秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:50 μm。 请点击这里下载此影片。
电影7:大上皮伤口愈合。 经过时间:25 分 29 秒。帧速率:10 帧/秒。比例尺:100 μm。 请点击这里下载此影片。
补充图1:Clytia储罐尺寸示意图。 定制Clytia坦克的3D可视化。 (A) 正面和背面视图。 (B) 侧视图。绿色作品中的切口覆盖着尼龙网布。水直接通过网格进入水箱,扫过网格并产生圆形电流。水通过蓝色所示的端件上的孔排出系统。请点击此处下载此文件。
补充电影1:Clytia中的无细胞细胞外基质。 使用共聚焦显微镜拍摄的Clytia的Z堆栈。堆栈最初聚焦在外伞上,然后每 10 μm 通过 ECM 扫描一次到板内胚层和亚伞。使用DIC(左)和Hoechst核染色(右)的图像表明ECM中缺乏细胞。比例尺:100 μm。 请点击这里下载此文件。
没什么可透露的。
本文描述了一种在活 的Clytia hemisphaerica medusa 的上皮中创建伤口的方法,并在 体内以高分辨率图像伤口愈合。此外,还提出了一种在伤口愈合过程中引入染料和药物来扰乱上皮细胞和细胞外基质中的信号传导过程的技术。
E.E.L.L.得到了美国国家科学基金会PRFB 2011010的资助。我们要感谢Tsuyoshi Momose和Evelyn Houliston帮助我们建立Clytia殖民地,感谢Jean-Baptiste Reynier收集微伤口愈合图像,Harry Kyriazes建造伪kreisel坦克,以及Elizabeth Baldo维护Clytia栖息地。图 1B 是用 BioRender.com 创建的。
| 20500 ACE EKE 显微镜 光纤光源 | Kramer Scientific Corporation | ||
| AxioCam 506 mono | ZEISS | 426557-0000-000-MA285 | |
| 毛细管 | World Precision Instruments | TW1004 | |
| 细胞松弛素 B | Abcam | ab143482 | |
| 凹陷载玻片 | Amscope | BS-C12 | |
| 带 DIC 选项和荧光卤素灯的 DMR | 徕卡 | ||
| 3-氨基苯甲酸乙酯 甲磺酸盐 | Sigma Aldrich | E10521-10G | |
| 快速绿色 FCF | Thermo Scientific | A16520-06 | |
| FM1-43 | Biotium | 70022 | 激发/发射:480/598 nm |
| Hoechst 33342 | Thermo Scientific | 62249 | 激发/发射:361/497 nm |
| imageJ | NIH | ||
| Microloader 吸头 (0.5-10 μL /2-20 &μ;L) | Eppendorf | 930001007 | |
| 显微作仪 | World Precision Instruments | 3301R / M3301L | |
| 显微镜盖玻片 (22X40-1.5) | Fisherbrand | 12-544-BP | |
| 培养皿 (60 mm x 15 mm) | Fisherbrand | FB085713A | |
| PicoNozzle v2 | World Precision Instruments | 5430-ALL | |
| 移液器拉取器 | Sutter Instrument Co | P-97 | |
| 气动 PicoPump | World Precision Instruments | PV820 | |
| 聚碳酸酯真空、干燥器 | Bel-art | F42025-0000 | |
| 棱镜 9 | GraphPad | ||
| STEMI Sv11 解剖镜 | 蔡司 | STEMI SV11 | |
| SYLGARD 184 | 陶氏有机硅 | 1024001 | |
| 移液管 | Fisherbrand | 13-711-7M | |
| Z-Hab 迷你系统 | Pentair | ||
| ZEN 显微镜软件 | 蔡司 |