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Research Article
Rosario Perez-Pedroza1,2, Manola Moretti1,2,3, Charlotte A. E. Hauser1,2,3
1Laboratory for Nanomedicine, Biological & Environmental Science & Engineering,King Abdullah University of Science and Technology, 2Computational Bioscience Research Center,King Abdullah University of Science and Technology, 3Red Sea Research Center,King Abdullah University of Science and Technology
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
该方案旨在通过免疫染色评估生物功能自组装肽的细胞粘附、类器官形态和基因表达。我们将使用结直肠癌细胞系提供一种经济高效的方法来获取用于强化测试的类器官。
超短自组装肽 (SAP) 可以自发形成类似于细胞外基质的纳米纤维。这些纤维允许形成具有生物相容性、可生物降解和非免疫原性的水凝胶。我们之前已经证明,当 SAP 与蛋白质衍生基序进行生物功能化时,可以模拟支持结直肠类器官形成的细胞外基质特征。这些生物功能肽水凝胶保留了原始母肽的机械特性、可调性和可打印性,同时结合了允许细胞-基质相互作用以增加细胞粘附的线索。本文介绍了使用能够经济高效地形成结直肠癌类器官的腺癌细胞系评估和表征各种生物功能肽水凝胶对细胞粘附和管腔形成的影响所需的方案。这些方案将有助于使用免疫染色和荧光图像分析评估生物功能肽水凝胶对细胞粘附和管腔形成的影响。本研究中使用的细胞系以前已用于在动物源性基质中生成类器官。
近年来,自组装肽 (SAP) 已成为组织工程应用中前景广阔的生物材料。SAP 具有独特的特性,包括纳米纤维的自发形成、生物相容性、生物降解性和非免疫原性,使其成为支架开发的有吸引力的候选者1。SAP 以前曾与各种类型的细胞一起使用,值得注意的是,据报道,超短 SAP 促进了干细胞的包埋,同时在包括 30 多次传代在内的长时间内保持其多能性,并且染色体畸变的发生率最低 2,3,4。因此,调整 SAP 以用于类器官培养构成了合理的后续步骤。
类器官是由单个多能细胞产生的复杂三维结构。这些结构产生各种细胞类型,然后这些细胞类型自组织以复制体外胚胎和组织生长的发育过程 5。这种创新框架已发展成为体外研究的强大工具,有效地保留了体内器官的遗传、表型和行为属性特征 6。然而,基于类器官的结果从实验室到床边过渡的主要障碍是需要可重复性7。结果的这种差异主要归因于难以将人类多能干细胞完全分化为专门的细胞谱系,而缺乏真实的组织结构和类器官模型中遇到的固有复杂性则使情况变得更加复杂。鉴于基于干细胞和类器官的研究越来越受欢迎8,对具有动态机械性能和整合素样粘附位点的生物材料或具有可控降解性的支架的需求不断增加 7,9。这些属性可以通过战略性利用生物功能化 SAP 来有效调整。
SAP 是氨基酸的短序列,具有自发组织成明确结构的固有能力10。这些肽通常包含交替的疏水和亲水残基,这些残基通过非共价相互作用(包括氢键、静电相互作用和疏水效应)驱动其自组装11,12。这些肽的自组装过程主要是由于需要最小化系统的自由能。在水性环境中,疏水残基往往会聚集在一起,以尽量减少它们与水的接触,而亲水残基则与周围的水分子相互作用。这种现象导致各种纳米结构的形成。在这种情况下,超短自组装肽形成纳米纤维,其特性取决于肽序列和环境条件 2,12,13,14,15,16。这些肽采用 β 转构象,其中单个肽链彼此平行或反平行排列,由氢键稳定(图 1)。正离子的存在加速了导致纳米纤维形成的自组装过程。
肽纳米纤维已被确定为具有捕获大量水的先天能力。这一特性促进了水凝胶的产生,水凝胶随后表现为有利于细胞增殖和生长的生物相容性和可生物降解的三维空间。这些自组装肽纳米纤维错综复杂地模拟了天然细胞外基质 (ECM) 环境固有的地形特征1。这种相似性赋予细胞一个模仿其生理栖息地的环境,进一步促进最佳细胞活动17。此外,这些肽固有的多功能性允许相当程度的可调性4。这种适应性可以改变基质的特性,例如刚度、凝胶动力学和孔隙率。这些适应是通过对肽序列的修饰来实现的。因此,自组装肽 (SAP) 已成为当代生物材料科学中的关键成分,广泛用作组织再生和细胞培养的支架13,17。
自组装肽的关键优势之一是它们能够在分子水平上轻松合成和修饰。这一优势允许将特定官能团或生物活性基序掺入肽序列中,从而能够设计出具有定制特性和功能的肽 18,19,20(图 1B)。例如,生物功能化的 SAP 可以设计为模拟 ECM 并使用 RGD 肽促进分化19,21。据报道,由于其配体特异性基序,肽 Ben-IKVAV 还显著增加了神经元特异性标志物的表达22。这些肽还可以经过工程改造,以显示生物活性分子,例如整合素结合肽,以提高细胞存活率 23。最后,已经开发了其他生物功能化的 SAP,通过在它们的结构中包含 IKVAV 和 YIGSR 基序来促进血管生成24。
早期出版物中报道的生物功能化 SAP 表明,可以通过包含来源生物功能化 SAP 的朴素肽来进一步修饰自组装25。这些 SAP 混合物还可以提供各种 SAP 配方,这些配方的生化活性和物理化学性质各不相同。例如,两亲性肽 IIFK 是一种超短 SAP,可以承受具有各种基序的生物功能化,例如掺入 IKVAV 基序(图 1B)。两种肽都可以单独和组合形成纳米纤维。每种配方都会产生具有不同物理性质的水凝胶(图 2)
然而,由于 SAP 的生物功能化获得了广泛的潜在排列和替代方案,因此需要为类器官测试提供一种快速且具有成本效益的选择。这种密集且具有成本效益的类器官评估的一个候选者是来源于人结直肠腺癌的 SW1222 细胞系26,27。SW1222 细胞具有能够聚集成类似于类器官的 3D 结构的特性,使其成为研究组织发育和再生医学应用的理想模型。SW1222 细胞已被确定能够产生类器官,因为它们固有地过表达 LGR5 基因27。以前已经令人信服地展示了从单个 LGR5 + 干细胞产生类器官,以及 SW1222 细胞实现结直肠癌类器官形态特征的倾向28。
在该方法论文中,我们提出了使用 SW1222 细胞评估和表征各种生物功能肽对细胞粘附和管腔形成影响的详细方案(图 3)。通过提供分步程序和成像分析方法,我们希望为类器官的生物制造和用于类器官培养的简单 SAP 基质的评估提供有价值的见解。
1. 缓冲液和溶液的制备
注:所有所述浓度均为最终浓度。
2. 用肽中的 SW1222 制造结直肠癌类器官
3. 活力和增殖
4. 细胞对基质的粘附性测定
5. 肽水凝胶中类器官的免疫染色
6. 基质中类器官的成像和图像分析
首先,我们使用明场成像评估了在 24 孔板中生长 7 天的细胞。我们确定了在一周内组装成类器官的小细胞簇,如图 4 所示。受控扫描方法可以跟踪细胞和类器官在不同日期之间的活动。一般来说,我们观察了整周细胞形态的演变。SW1222 衍生的类器官应具有圆形形态和浅色外观。较暗的外观表明不希望的细胞密度较高,如在 Peptide P 中培养的一些菌落第 7 天所见(图 4)。
图 5 显示了细胞活力(图 5A)和增殖测定(图 5B)的结果,它们分别指向死细胞和活细胞的数量以及代谢活性。在这里,我们使用了基于钙黄绿素和乙锭同型二聚体的活力测定,并注意到这些细胞在 Matrigel 中培养时,到第 7 天时显示出少量死细胞群。这种现象也存在于所有基于肽的水凝胶中,但不存在于 2D 培养物中。增殖结果显示第 1 天和第 7 天之间代谢活动总增加。此外,我们发现在第 4 天和第 7 天之间,几种情况的活性略有下降。这一观察结果与活力测定中观察到的死细胞群的增加相关 (图 5A)。
为了初步评估细胞之间的相互作用和肽水凝胶的生物功能化,我们进行了基于机械应力的粘附测定以诱导细胞分离。如图 6 所示,使用不同浓度的生物功能肽 P2 显着影响了分离过程前后保留的细胞数量。在这里,我们使用了一种仅包含肽 P2 生物功能基序的肽作为阳性对照。我们还使用非生物功能肽 P 作为阴性对照。从图中可以看出,接种在肽 P 中的细胞具有相对较低的初始粘附和较低的保留值。此外,生物功能肽 P2 比率的变化与应激后保留的细胞量相关。因此,使用该测定法,我们可以得出结论,P2 肽影响细胞粘附,该粘附可能由也可能不由生物功能基序驱动,但与混合物中存在的生物功能肽的量相关。
然后,我们研究了基质在制造的类器官中的影响。我们通过对培养 4 天的细胞骨架染色样品进行形状分析,评估了菌落的圆度和管腔相对于菌落大小的相对大小。数据点沿 x 轴和 y 轴具有特定的分布,并且每个条件都有一个质心,该质心具有圆度和相对管腔面积的特定值。 图 7 显示,在 2D 中培养的细胞在集落圆度方面具有非常大的变化。相比之下,在 Matrigel 中培养的细胞在管腔的相对大小方面具有更广泛的分布。
有趣的是,所有含肽的水凝胶的质心值都具有非常相似的位置。然而,数据点之间的距离显示出不同的分布曲线。例如,P3 肽在三种肽水凝胶中的分布较小,而来自非生物功能肽 P 的数据点似乎分布较大。这些数据表明,具有 P1 和 P3 的水凝胶都有可能针对类器官培养进行优化。
最后,我们使用免疫细胞化学对根尖标志物 ZO-1 和 ezrin 染色的样品评估了特异性标志物的表达。这些标记物允许评估每个类器官内细胞的极化。我们还评估了泛钙粘蛋白标志物以可视化细胞间连接和细胞骨架特异性标志物 (鬼笔环肽) 以可视化管腔。 图 8A 显示了第 4 天和第 7 天在非生物功能肽 P、生物功能化肽 P1 和 Matrigel 中发现的类器官。ZO-1 和 ezrin 标志物应位于类器官的顶端和基底外侧膜内;适当的细胞极化将使我们能够在第 4 天观察到两种分子在管腔区域附近的表达,否则是不可见的。事实上,如图 8 所示,ZO-1 和 ezrin 标志物位于在 Matrigel 中培养的类器官的顶膜中。有趣的是,ezrin 标志物在非生物功能肽 P 中几乎不可见。由此,我们推断细胞的低效极化导致这些分子在肽 P 中的低表达。
此外,细胞核在肽水凝胶中的分散往往是不规则的,而嵌入 Matrigel 中的类器官形成一个单一的、不对称的细胞核层。此描述与结直肠类器官的理想形态相匹配;然而,尽管肽水凝胶中细胞核的方向并非完全不对称,但主要在非生物功能肽 P 中发现了具有多层细胞核的致密菌落。相比之下,细胞间连接必须垂直于顶端和基底外侧膜定位(图 8B)。该标记使我们能够观察位于集落内的所有细胞的边缘。当在 Matrigel 中生长时,细胞到第 7 天具有几乎完美的泛钙粘蛋白(细胞间连接)径向分布。相比之下,非极化菌落,例如肽 P 中的菌落,表现出细胞的无序排列,以及基底膜和顶膜附近细胞间连接的表达。

图 1:形成纳米纤维的超短自组装肽。(A) 脂肪族超短肽的自组装过程的描述。(B) 用 IKVAV 配体生物功能化的超短 SAP IIFK 的化学结构。该图是从 Loo 等人 4 修改而来的。请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:肽的结构和性质。 (A) 说明了母肽 IIFK 和生物功能肽 P2 的化学结构。(B) 倒置样品瓶测试结果揭示了临界凝胶浓度和凝胶时间差异。P2 形成半透明凝胶,其 CGC 高于母肽 IIFK。值得注意的是,与单独的任一肽相比,IIFK:P2 (1:1) 混合物表现出更高的 CGC 和更长的凝胶化时间。(C) 扫描电子显微照片提供了对 IIFK、P2 和 IIFK:P2 (1:1) 混合物结构特征的直观了解。(D) 原子力显微镜高度形貌图像描绘了浓度为 8 mM 的凝胶化肽,提供了其表面特征的详细视图。(E) 圆二色谱光谱揭示了不同浓度下 IIFK:P2 混合物的构象变化,揭示了它们的二级结构变化。(F) 流变学分析测量不同浓度下凝胶化肽的刚度,为了解其机械性能提供有价值的见解。该图转载自 Perez-Pedroza 等人25。比例尺 = 1 μm (C),200 nm (D)。缩写:CGC = 临界凝胶浓度。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:描绘了用于类器官制造的肽制备和细胞接种的图表,并通过肽水凝胶中的活力、粘附、类器官形成能力和免疫染色进行表征。请单击此处查看此图的较大版本。

图 4:与基质胶对照相比,从标记为 P 和 P1 的肽水凝胶中培养的 SW1222 细胞捕获的明场显微镜图像。 有趣的是,在肽水凝胶中培养的类器官在第 7 天表现出主要的球形形态。相比之下,与 SAP 中类器官培养物的深色体(黑色箭头)相比,位于基质胶中的细胞似乎表现出较低的细胞密度,这可以从它们明亮的身体中看出。然而,它们在相邻菌落之间表现出明显的聚集。此外,很明显,Matrigel 环境中细胞的迁移能力相对降低。比例尺 = 650 μm。 请点击此处查看此图的较大版本。

图 5:不同浓度的生物功能化 SAP 中 SW1222 细胞的活力和增殖测定。 (A) 与基质胶和 2D 相比,在生物功能肽 P1 和 P2 中培养的细胞的活力评估。(B) 与基质胶和 2D 对照相比,非生物功能肽 P1 和生物功能肽 P2 中细胞培养物的增殖评估。在这里,我们看到类似于在 Matrigel 中生长的细胞在活/死测定中的行为。在几种情况下发现死细胞(黄色箭头)略有增加,主要是 Matrigel。对于增殖,趋势因肽的类型和浓度而异,但通常呈积极趋势。比例尺 = 250 μm。该图改编自 Perez-Pedroza 等人25。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 6:肽对分离细胞数量的影响。 (A) 机械应力前后用 DAPI 染色的细胞的荧光图像。在这里,我们使用肽 P、修饰的肽 P2 和 IKVAV 基序。(B) 通过在 ImageJ 中测量覆盖面积来确定细胞粘附的变化。比较分析显示,与非生物功能肽 P 相比,生物功能化肽 P2 具有更高的保留容量。比例尺 = 100 μm。该图改编自 Perez-Pedroxa 等人25。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 7:通过质心计算管腔相对面积与圆度来评估类器官形成能力。 数据的质心和离散度因处理而异。正如预期的那样,表现最差的条件是 2D 测量的情况,它在圆度值的广泛范围内扩展,并且具有最低的管腔相对面积。Matrigel 不仅具有最高的圆度,而且具有最大的管腔。肽条件在两个值中略有不同,但 P3 条件的数据变化可以忽略不计。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 8:第 4 天和第 7 天各种标志物的类器官的共聚焦显微镜图像。 (A) ZO-1(绿色)、ezrin(红色)和 DAPI(蓝色)标志物用于查找类器官内细胞的顶端分布。如 Matrigel 对照所示,这些分子通常位于顶端和基底外侧膜中。非生物功能肽 P 仅在第 7 天显示这些分子的表达。(B) 用泛钙粘蛋白(绿色)抗体染色的细胞间连接标志物应垂直于类器官的基底外侧和顶端膜。细胞核(蓝色)和细胞骨架(红色)用作复染。非生物功能肽 P 诱导基底外侧膜中的细胞间连接表达,与其他两种处理 (P3 和 Matrigel) 相反。比例尺 = 100 μm。 请点击此处查看此图的较大版本。
作者没有需要声明的利益冲突。
该方案旨在通过免疫染色评估生物功能自组装肽的细胞粘附、类器官形态和基因表达。我们将使用结直肠癌细胞系提供一种经济高效的方法来获取用于强化测试的类器官。
这项工作得到了阿卜杜拉国王科技大学的财政支持。作者感谢 KAUST 的种子基金赠款和 KAUST 的创新基金由 KAUST 的创新和经济发展授予。作者要感谢 KAUST 的生物科学和成像核心实验室为生物表征和显微镜分析提供支持。
| 1x PBS | Gibco | 14190144 | |
| 6 孔板,经组织培养处理 | 的Corning | 07-200-8310x | |
| PBS,无钙、无镁 | Gibco | 70011044 | |
| 16% 甲醛 (w/v),无甲醇 | Thermo Scientific | 28906 | |
| 24 孔板,经组织培养处理 | 的Corning | 09-761-146 | |
| 96 孔黑色板,经组织培养处理 | 康宁 | 07-200-565 | |
| alamarBlue 细胞活力检测试剂 | Invitrogen | DAL1025 | |
| 抗 Ezrin 抗体,兔单克隆抗体 | Abcam | ab40839 | 次要使用:抗兔 Dylight 633 |
| 抗泛钙粘蛋白抗体,兔多克隆 | 抗体Abcam | ab16505 | 次要使用:抗兔 Alexa 488 |
| 抗 ZO1 紧密连接抗体,山羊多克隆抗体 | Abcam | ab190085 | 次要用途:抗山羊 Alexa 488 |
| BSA | Sigma-Aldrich | A9418 | |
| Cellpose 2.0 | NA | NA 从 | https://github.com/MouseLand/cellpose |
| 共聚焦激光扫描显微镜和 Airyscan | 蔡司 | LSM 880 | |
| DAPI | Invitrogen | 获得D1306 | |
| 驴抗山羊 IgG (H+L) 二抗,Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-11055 | |
| 甘氨酸 | Cytiva | GE17-1323-01 | |
| 山羊抗兔 IgG (H+L) 二抗,Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-11008 | |
| 山羊抗兔 IgG (H+L) 二抗,DyLight 633 | Invitrogen | 35562 | |
| 热灭活胎牛血清 (HI FBS) | Gibco | 16140071 | |
| ImageJ 1.54f | NIH | NA | |
| IMDM | Gibco | 12440079 | |
| LIVE/DEAD 活力/细胞毒性试剂盒,用于哺乳动物细胞 | Invitrogen | L3224 | |
| 氯化镁,六水合物 (MgCl2 6 H2O) | Sigma-Aldrich | M2393 | |
| 用于类器官培养的基质胶,不含酚红的 | 康宁 | 356255 | 在手稿中称为基质胶或基底膜基质。 |
| 显微镜、明场 | |||
| 显微镜、EVOS | Thermo Scientific | EVOS M7000 | |
| OriginPro 2023(64 位)10.0.0.154 | OriginLab Corp | NA | |
| 青霉素-链霉素 (10,000 U/mL) | Gibco | 15140122 | |
| 肽 P(Ac,Ile,Ile,Phe,Lys,NH2) | 实验室制造的 | NA | 可按肽定制Bachem 等制造商。 |
| 肽 P1 (Ac, Ile, Ile, Phe, Lys, Gly, Gly, Gly, Gly, Arg, Gly, Asp, Ser, NH2) | 实验室制造的 | NA | 可由 Bachem 等肽制造商定制。 |
| 肽 P2 (Ac, Ile, Ile, Phe, Lys, Gly, Gly, Gly, Gly, Ile, Lys, Val,Ala,Val,NH2) | 实验室制造的 | NA | 可由 Bachem 等肽制造商定制。 |
| 罗丹明鬼笔环肽 | Invitrogen | R415 | |
| 圆形盖玻片,直径 10 毫米 | VWR | 631-0170 | |
| 扫描电子显微镜 | Thermo Fisher - FEI | TENEO VS | |
| 无菌 30 μm 过滤器 | Sysmex | 04-004-2326 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S1888 | |
| SW1222 细胞系 | ECACC | 12022910 | |
| Triton x-100 | Thermo Scientific | 85111 | |
| 胰蛋白酶-EDTA 0.25% | Gibco | 25200056 | |
| 吐温 20 | Sigma-Aldrich | P1379 | |
| 超纯水 | Invitrogen | 10977015 |