本文展示了一种三步法类器官模型(二维[2D]扩增、二维[2D]刺激、三维[3D]成熟),该模型为肌腱基础研究提供了一种有前景的工具,也为肌腱组织工程提供了一种潜在的无支架方法。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
方法文章
本文展示了一种三步法类器官模型(二维[2D]扩增、二维[2D]刺激、三维[3D]成熟),该模型为肌腱基础研究提供了一种有前景的工具,也为肌腱组织工程提供了一种潜在的无支架方法。
肌腱和韧带(T/L)是强韧的、具有层级结构的组织,连接着 的 肌肉骨骼系统。这些组织具有严格排列的胶原类型 富含I型胶原的细胞外基质(ECM)及T/L系细胞主要呈平行排列。损伤后,T/L组织修复过程耗时较长,失败风险高,且常导致不理想的修复结果。尽管近年来在T/L生物学研究方面取得了进展,但该领域仍面临一个未解决的挑战:目前尚缺乏能够模拟T/L形成过程的标准化分化方案。 体外例如,间充质前体细胞向骨和脂肪的分化仅需标准的二维(2D)细胞培养及特定诱导培养基的添加。而向软骨分化则需要三维(3D)团块培养并补充TGFß。然而,细胞向肌腱分化需要一种高度有序的三维培养模型,理想情况下还应能够接受动态力学刺激。我们已建立一种三步法(扩增、诱导和成熟)类器官模型,可通过自组装细胞片形成具有棒状结构的三维组织,该结构可提供包含自身细胞外基质(ECM)、自分泌和旁分泌因子在内的天然微环境。这些棒状类器官在富含ECM的环境中具有多层细胞结构,并可方便地用于施加静态力学应变。本文中,我们以 commercially available dermal fibroblasts(商品化皮肤成纤维细胞)为例,展示了该三步法操作流程。结果表明,此类细胞可形成结构稳定且富含ECM的类器官。所述实验流程可在培养基成分方面进一步优化,并可进一步发展为施加动态轴向力学刺激的培养体系。同样,也可测试其他细胞来源是否具有形成肌腱/韧带(T/L)类器官的潜力,从而实现T/L方向的分化。综上所述,所建立的三维T/L类器官模型可用于肌腱基础研究,甚至可用于无支架的T/L组织工程。
肌腱和韧带(T/L)是肌肉骨骼系统的重要组成部分,为身体提供必要的支撑和稳定性。尽管它们具有关键作用,但这些结缔组织容易发生退变和损伤,导致疼痛和活动能力受限1此外,由于其血液供应有限且愈合能力较弱,可能导致慢性损伤,而年龄增长、重复性动作以及不恰当的康复等因素会进一步增加退变和损伤的风险。2传统的治疗方法,如休息、物理治疗和手术干预,均无法完全恢复T/L的结构与功能。近年来,研究人员一直致力于深入理解T/L复杂的特性,以寻求治疗T/L疾病的有效方法3,4,5T/L 通过一种层次化组织、以细胞外基质(ECM)为主的结构进行区分,该结构主要由 I 型胶原纤维和蛋白聚糖组成,这一特征难以复制 体外6传统的二维(2D)细胞培养模型无法模拟T/L组织特有的三维(3D)结构,限制了其在T/L再生领域的转化潜力,也阻碍了该领域的创新进展。
近年来,三维类器官模型的发展为推进各类组织的基础研究及无支架组织工程提供了新的可能性7,8,9,10,11,12,13例如,为了研究肌腱结合部,Larkin 等人(2006)开发了三维骨骼肌结构,并结合由大鼠尾腱衍生的自组织肌腱片段10此外,Schiele 等人(2013)利用微加工的纤维连接蛋白包被的生长通道,引导人真皮成纤维细胞自组装形成细胞纤维,无需三维支架的辅助,该方法能够捕捉胚胎肌腱发育的关键特征。11在Florida等人2016年的研究中,首先将骨髓基质细胞扩增分化为骨和韧带谱系,随后用于生成自组装的单层细胞片,进而构建出模拟天然前交叉韧带的多相骨-韧带-骨结构,该模型旨在增进对韧带再生机制的理解12为阐明肌腱的力传导机制,Mubyana 等人(2018)采用了一种无支架方法,通过该方法构建单根肌腱纤维并施加机械负荷方案。13类器官是能够自我组织的三维结构,可模拟组织的天然结构、微环境及功能。三维类器官培养体系为研究组织和器官的生物学及其病理生理过程提供了更具生理相关性的模型。此类模型还可用于诱导不同类型干细胞/前体细胞向特定组织分化。14,15因此,在T/L生物学和组织工程领域采用3D类器官模型成为一种极具吸引力的研究策略9,16可采用其他细胞来源进行类器官组装,并诱导其向腱系分化。本研究中用于示范的一种相关细胞类型是皮肤成纤维细胞。7,17,18这些细胞可通过皮肤活检获取,相较于骨髓穿刺或吸脂术,该方法侵入性更小,并且由于其良好的增殖能力,可在较短时间内扩增至较大数量。相比之下,更为特化的细胞类型(如T/L区驻留成纤维细胞)的分离与扩增则更具挑战性。因此,真皮成纤维细胞也被用作细胞重编程技术的起始材料,以诱导生成多能性胚胎干细胞。19将真皮成纤维细胞置于特定的三维培养条件和信号刺激下,例如转化生长因子-β3(TGFß3)——据报道称该因子可作为多种细胞过程的关键调节因子,包括T/L的形成与维持,可增强其 体外 向腱系分化,导致腱特异性基因的表达以及腱/韧带典型细胞外基质的沉积20,21.
在此,我们描述并演示了一种先前已建立并实施的三步法类器官培养方案(二维扩增、二维诱导和三维成熟),该方案采用市售的正常成人人类皮肤成纤维细胞(NHDFs)作为细胞来源,为研究提供了有价值的模型 体外 成腱分化7尽管该模型并不等同于 体内 T/L 组织,它仍提供了一个更具生理相关性的系统,可用于研究细胞分化机制,模拟 T/L 的病理生理学过程 体外以及建立个性化的T/L医学和药物筛选平台。此外,未来的研究可进一步评估3D类器官是否可通过进一步优化,适用于无支架的T/L工程,并可用于开发大规模、力学性能强的构建体,使其在尺寸以及结构和生物物理特性上更接近天然T/L组织。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
注意:所有步骤必须使用无菌技术进行。
1. NHDFs 的培养与预扩增
2. 二维扩增
3. 二维刺激
4. 三维成熟
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
3D T/L 类器官模型此前已建立,本研究通过使用商业购买的人类正常皮肤成纤维细胞(NHDF,n=3,每位供体3个类器官,NHDF使用代次为5-8代)进行了验证。该模型的工作流程总结于图1中。图2展示了NHDF在T-75培养瓶中预扩增阶段(图2A),以及在10 cm细胞培养皿中进行2D扩增步骤初期和培养5天后的代表性相差显微图像(图2B)。图2C(代表性相差显微图像)展示了NHDF在10 cm细胞培养皿中培养14天后2D刺激阶段的融合状态。随后,细胞片被手动剥离并同时卷曲形成3D棒状类器官(第0天,类器官长度约为6 cm,宽度约为0.4 cm),并在10%静态张力条件下培养14天(图3,第0天和第14天,代表性宏观图像)。在3D成熟过程的第14天,类器官呈现出闪亮的白色外观,发生收缩...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本研究的结果为建立和表征用于研究T/L组织的NHDF三维类器官模型提供了有价值的见解。该三步法方案可形成具有典型T/L微环境特征的棒状三维类器官。此模型先前已在Kroner-Weigl等. 20237中报道,并在本文中得到详细展示。
在图2中展示的相差显微图像显示了NHDF在扩增和刺激阶段中汇合度及细胞片形成的过程。通过将细胞片手动卷曲成类杆状的三维类器官,进行三维成熟过程,并在静态张力条件下培养14天。到第14天时,类器官呈现出闪亮的白色外观,并且密度增加,提示类器官内部发生了收缩和结构重组。这表明成熟期对于获得更有序且模拟肌腱/韧带(T/L)组织结构至关重要。
此外,重量分析显示类器官在第0天至第14天之间湿重显著下降,再次表明类器官在成熟过程中发生了明显的收缩和细胞外基质(ECM)重组。值得注意的是,由于操作过程以及类器官内部或培养皿中残留培养基的影响,不同实验之间的湿重测量值可能存在差异。此外,...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明无任何利益冲突。
D.D. 和 S.M.-D. 感谢德国联邦教育与研究部(BMBF)资助项目"CellWiTaL:用于药物研究的可重复细胞系统——三维细胞结构中高特异性单细胞的无载体激光打印",项目编号 13N15874。D.D. 和 V.R.A. 感谢欧盟 MSCA-COFUND 资助项目 OSTASKILLS "下一代骨关节炎研究人员的综合培训",资助协议编号 GA Nr. 101034412。所有作者感谢 Beate Geyer 女士提供的技术协助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗坏血酸 | Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany | A8960 | |
| 10 cm 贴壁细胞培养皿 | Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany | CLS430167 | |
| 10 cm 非贴壁培养皿 | Sigma-Aldrich, Taufkirchen,Germany | CLS430591 | |
| 冻存液 | Tissue-Tek, Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Netherlands | 4583 | |
| 标准冷冻模具 | Tissue-Tek, Sakura Finetek, Alphen aan den Rijn, Netherlands | 4557 | |
| D(+)-蔗糖 | AppliChem Avantor VWR International GmbH, Darmstadt, Germany | A2211 | |
| DMEM 高糖培养基 | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | DMEM-HA | |
| DMEM 低糖培养基 | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | DMEM-LPXA | |
| 胎牛血清 | Anprotec, Bruckberg, Germany | AC-SM-0027 | |
| 成纤维细胞生长培养基 2 | PromoCell, Heidelberg, Germany | C-23020 | |
| H&E 染色试剂盒 | Abcam | ab245880 | |
| 配备高分辨率相机的倒置显微镜 | Zeiss | NA | Zeiss Axio Observer 配置 Axiocam 506 |
| MEM 氨基酸 | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | NEAA-B | |
| 金属针 | EntoSphinx, Pardubice, Czech Republic | 04.31 | |
| 正常人真皮成纤维细胞 | PromoCell, Heidelberg, Germany | C-12302 | |
| 多聚甲醛 | AppliChem, Sigma-Aldrich, Taufkirchen, Germany | A3813 | |
| 青霉素/链霉素 | Gibco, Thermo Fisher Scientific, Darmstadt, Germany | 15140122 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Sigma-Aldrich, Taufkirchen, Germany | P4417 | |
| TGFß3 | R&D Systems, Wiesbaden, Germany | 8420-B3 | |
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA DPBS | Capricorn Scientific, Ebsdorfergrund, Germany | TRY-1B |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。