本文介绍了一种构建基础的三维(3D)肠道细胞系模型系统的方法,以及对固定后的肠道类似物进行石蜡包埋以用于光学显微镜观察的实验方案。通过对特定蛋白进行染色,可从单次实验中分析多个可视化参数,有望应用于临床前药物筛选研究。
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本文介绍了一种构建基础的三维(3D)肠道细胞系模型系统的方法,以及对固定后的肠道类似物进行石蜡包埋以用于光学显微镜观察的实验方案。通过对特定蛋白进行染色,可从单次实验中分析多个可视化参数,有望应用于临床前药物筛选研究。
近年来,体内和体外肠道模型在研究炎症性肠病的病理生理机制、筛选潜在有益物质的药理学作用以及评估可能有害食品成分的毒性方面得到了越来越多的应用。尤其值得注意的是,目前迫切需要开发基于细胞的体外模型以替代动物模型。本文介绍了一种基于细胞系构建基础“健康组织”三维(3D)肠道等效模型的实验方案,该模型兼具实验操作简便性(标准化且易于重复的系统)和生理复杂性(包含Caco-2肠上皮细胞以及U937单核细胞和L929成纤维细胞作为支持性免疫组分)。该方案还包括对固定后的肠道等效组织进行石蜡包埋,以便通过光学显微镜进行评估,从而实现从单次实验中分析多个可视化参数的优势。经苏木精和伊红(H&E)染色的切片显示,在对照处理组中,Caco-2柱状细胞形成紧密且规则的单层结构,可用于验证该模型作为实验系统的有效性。以麦胶蛋白(gluten)作为促炎性食品成分时,通过切片分析的参数包括单层厚度减少、与基底基质的连接断裂和细胞脱落(H&E染色)、紧密连接蛋白(通过闭合蛋白染色显示)表达下降(可进行统计学量化),以及迁移的U937细胞发生免疫活化,表现为分化簇14(CD14)染色阳性及CD11b相关的向巨噬细胞分化。通过使用脂多糖(lipopolysaccharide)模拟肠道炎症表明,还可检测其他参数,如黏液染色增强和细胞因子(如中期素,midkine)表达升高,后者可在固定前从培养基中提取并检测。该基础三维(3D)肠黏膜模型及其固定切片适用于炎症状态和屏障完整性研究,并可实现多个可视化可量化参数的同步分析。
肠道上皮屏障是一层由多种上皮细胞构成的单细胞厚度的内层结构,构成了外界与机体内部环境之间的第一道物理防御屏障或界面1,2柱状型肠上皮细胞是上皮细胞中最丰富的类型。这些细胞是 通过多种屏障组分(包括紧密连接(TJs))之间的相互作用,维持上皮屏障完整性,在屏障紧密化过程中发挥重要作用1,3紧密连接结构由细胞内斑块蛋白(如闭合蛋白复合物(ZO)和带状蛋白(cingulin))与跨膜蛋白(包括闭合蛋白(occludins)、claudins和连接黏附分子(JAMs))协同组成,这些蛋白形成拉链样结构,将相邻细胞紧密连接在一起。3,4跨膜蛋白可调节小分子化合物的被动旁细胞扩散,并阻止有毒的大分子进入。
潜在有毒的食品成分和食品污染物会刺激炎症性细胞因子的产生,破坏上皮通透性,激活免疫细胞,并导致慢性肠道组织炎症5,6,7。相反,多种具有抗氧化和抗炎作用的植物化学物质已被报道可降低炎症性细胞因子的表达,并通过恢复紧密连接蛋白的表达与组装来增强肠道紧密连接(TJ)屏障的完整性4,6,8。因此,有益和有害化合物对上皮屏障完整性的调控作用,促使越来越多的研究采用体内(in vivo)和体外(in vitro)模型来模拟肠道屏障,用于药物筛选和毒性研究。这一点尤为重要,因为目前对肠道疾病(IBD)、坏死性小肠结肠炎以及癌症等疾病的发病机制日益关注,而这些疾病均可在实验模型中进行模拟8,9,10。
人们一直要求开发基于细胞的 体外 为实现动物实验“3R”原则的目标而采用的模型,包括替代动物使用的替代方法、减少使用动物数量以及采用减轻动物痛苦的优化方法11,12,13此外,人类与小鼠模型(啮齿类动物是最常用的物种)之间在分子、细胞和生理机制方面存在显著差异,这引发了关于小鼠模型在预测人类反应方面有效性的争议12,13. 多种优势 体外 人类细胞系模型包括靶向受限实验、直接观察和连续分析13.
二维(2D)培养中的单细胞类型单层模型已被广泛用作强大的研究工具。然而,这些模型无法精确再现人体组织的生理复杂性8,13,14。因此,三维 培养系统正不断得到改进,以更真实地模拟健康和病变肠道组织的生理复杂性,成为下一代风险评估工具箱13,14。这些模型包括采用多种细胞系的三维Transwell支架、类器官培养系统,以及基于细胞系和类器官(来源于健康和病变组织)的微流控装置(即“肠芯片”)8,13,14。
本研究中提出的三维“健康组织”肠道等效模型方案,旨在生理复杂性与实验简便性之间取得平衡13。该模型代表一种三维Transwell支架系统,包含三种细胞系(肠上皮细胞[标准结肠腺癌Caco-2细胞系],以及免疫支持组分[U937单核细胞和L929成纤维细胞]),构成一个标准化且易于重复的体系,适用于对膳食分子在肠道上皮屏障完整性和免疫反应方面的作用进行初步筛选。该方案包括石蜡包埋步骤,以便对固定的肠道等效模型进行光学显微镜下上皮屏障完整性的评估。本方法的优势在于,可从单次实验获得的包埋组织中制备大量切片,用于多种参数的染色分析。
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1. 基本三维重建肠黏膜模型的制备
注意:整个操作过程必须在无菌的超净工作台中进行。操作步骤中所有涉及使用细胞培养箱的部分,均表示将培养物置于含5% CO2的湿润环境中37 °C培养(除非实验方案中另有说明)。
2. 重建肠黏膜模型的石蜡包埋
注意:整个操作过程必须在化学通风橱中进行。每个步骤及其相应的时间分配必须严格遵守。因此,提前准备好所有试剂非常重要。
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第一个重要方面是确定基本的3D肠道等效黏膜在实验目的上的可接受性。这通过组织学和组织病理学实验室中最常用的染色方法来完成,即苏木精(将细胞核物质染成深蓝紫色)和伊红(将细胞质物质染成不同程度的粉红色)。首先对未经处理的对照组进行H&E染色,该对照组在与实验处理组相同的条件和时间框架下培养。通过观察细胞的形态、形状和结构,可判断该肠道细胞模型系统的成功与否:在培养5天后,Caco-2细胞应在富含细胞外基质(ECM)的固有层上方形成紧密且规则的单层细胞(图1A)。被认为不适合进一步分析的模型系统示例包括上皮层过度生长且结构紊乱的情况,如培养10天后所示(图1B)。另一个示例是上皮层过厚且无序(图1C),这可能是由于接种了过多的Caco-2细胞或培养时间过长所致。畸形(图1D)也是不可接受的重建肠道黏膜的示例,其原因可能是接种的细胞未处于活跃增殖阶段,或在固有层制备过程中或石蜡固定期间出现问题(细胞...
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本文介绍的基础重建肠道黏膜模型系统(图6)结合了生理复杂性(包含Caco-2单层细胞、富含细胞外基质的固有层支持结构以及成纤维细胞和单核细胞的更接近生理状态的三维细胞培养)与实验简便性(使用商业化的人源细胞系构建标准化且易于重复的系统)13。因此,该模型系统被认为是一种适用于评估潜在药物或食品成分对肠道屏障完整性影响的合适替代小鼠模型。在此方面,已有研究证实,当前的细胞培养模型在检测潜在有益化合物(包括剂量依赖性)以及有害食品成分方面具有有效性7,16,17。此外,可在该肠道黏膜模型中添加LPS或其他促炎试剂(如2,4,6-三硝基苯磺酸或葡聚糖硫酸钠),以模拟炎症性肠病(IBD) 的症状。通过这种方式,有可能从结构层面以及细胞因子表达(例如作为IBD标志物的促炎因子MDK)角度研究肠道疾病的病因15<...
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作者声明无利益冲突。
感谢乌姆贝托·韦罗内西基金会提供的研究员奖学金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 阿尔新蓝/PAS 染色试剂盒 | ScyTek Laboratories, Inc. | APS-1, APS-2 | 免疫组织化学染色试剂盒 |
| 台盼蓝溶液 | Thermo Fisher | 15250061 | 细胞计数分析 |
| Caco-2 结肠腺癌细胞 | ATCC | ATCC HTB-37 | 细胞系 |
| 柠檬烯基 Citro-Histo-Clear | Histoline laboratories | R0050CITRO | 石蜡包埋用试剂 |
| Dulbecco's 改良伊格尔培养基(DMEM) | GIBCO | 11965092 | 细胞培养试剂 |
| 包埋中心 | Histoline laboratories | TEC2900 | 石蜡包埋仪器 |
| 胎牛血清(FBS) | GIBCO | A5256701 | 细胞培养试剂 |
| Hanks' 平衡盐溶液(HBSS) | GIBCO | 12350039 | 细胞培养试剂 |
| 人源中节蛋白 ELISA 试剂盒 | Cohesion Biosciences | CEK1270 | ELISA 试剂盒 |
| 倒置显微镜 | Eclipse Ts2, Nikon | MFA34100 | 显微镜 |
| L929 小鼠成纤维细胞 | ATCC | ATCC ®-CCL1 | 细胞系 |
| LC3-II | Novus Biologicals | NB910-40752SuperNovusPack | 抗体 |
| L-谷氨酰胺 | GIBCO | A2916801 | 细胞培养试剂 |
| 闭合蛋白(Occludin) | Novus Biologicals | NBP1-87402 | 抗体 |
| 石蜡 Lab-O-Wax PLUS 56 °C–58 °C | Histoline laboratories | R0040 PLUS | 石蜡包埋仪器 |
| 青霉素-链霉素 | GIBCO | 15070063 | 细胞培养试剂 |
| 青霉素-链霉素 | GIBCO | 15070063 | 细胞培养试剂 |
| 大鼠尾胶原 I 型 | GIBCO | A1048301 | 细胞培养试剂 |
| 罗斯韦尔帕克纪念研究所培养基(RPMI) | GIBCO | 21870076 | 细胞培养试剂 |
| 丙酮酸钠 | GIBCO | 11360070 | 细胞培养试剂 |
| Thermo Fisher Countess II FL 全自动细胞计数仪 | Thermo Fisher | TF-CACC2FL | 细胞计数仪器 |
| Transwell | Costar Corning | 3413 | 细胞培养用塑料器皿 |
| 胰蛋白酶 | GIBCO | 15090046 | 细胞培养试剂 |
| U937 前单核细胞型人髓系白血病细胞系 | ATCC | ATCC CRL-1593.2 | 细胞系 |
| UltraTek Alk-Phos Anti-Polyvalent(永久红)染色试剂盒 | ScyTek Laboratories, Inc. | AMH080 | 免疫组织化学染色试剂盒 |
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