本方案描述了一种在病毒感染的人肠道类器官中进行钙成像的方法,并提供了一种分析策略。
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本方案描述了一种在病毒感染的人肠道类器官中进行钙成像的方法,并提供了一种分析策略。
钙信号是调控几乎所有组织的核心机制。在肠上皮中,钙参与调控分泌活动、肌动蛋白动态、炎症反应、干细胞增殖以及许多尚未明确的细胞功能。因此,绘制肠上皮内钙信号的动态图谱有助于深入理解细胞稳态过程,并揭示对各种刺激的独特响应。人源肠道类器官(HIOs)是一种高通量、来源于人类的肠上皮研究模型,因而成为研究钙动态的理想体系。本文介绍了一种稳定转导HIOs以表达基因编码钙指示剂(GECIs)、进行活细胞荧光显微成像并分析成像数据以有效表征钙信号的实验方案。作为代表性示例,将三维HIOs通过慢病毒转导,使其稳定表达基于绿色荧光蛋白的胞质GECI——GCaMP6s。经基因工程改造的HIOs随后被分散为单细胞悬液,并以单层形式接种培养。在完成分化后,HIO单层细胞被轮状病毒感染和/或用已知可激发钙反应的药物处理。利用配备温控、加湿活细胞成像舱的落射荧光显微镜,可对感染或药物处理的单层细胞进行长期成像。成像完成后,使用免费开源分析软件ImageJ对获取的图像进行分析。总体而言,本研究建立了一条可灵活应用的流程,用于在HIOs中表征细胞信号传导过程。
钙是一种广泛保守的第二信使,在调控细胞生理学中起着关键作用1。由于其电荷强、体积小且在生理条件下溶解度高,钙是调节蛋白质构象的理想分子。这使得钙能够有效地将电化学信号转化为酶活性、转录或转录后水平的改变。内质网(ER)和质膜之间存在严格的钙浓度梯度,形成了强大的驱动力,从而实现胞质钙浓度的快速变化。多种机制(包括缓冲作用和主动运输)共同紧密维持这一梯度。尽管这种维持对正常细胞功能至关重要,但其能量消耗较大,因此在应激状态下尤为脆弱2。
因此,细胞质内钙离子的失调几乎是各种细胞应激的普遍信号。代谢紊乱、毒素、病原体、机械损伤以及遗传干扰均可能破坏钙信号传导。无论刺激因素为何,在全细胞水平上,持续且不受控制的细胞质钙浓度升高均可促进细胞凋亡,并 最终导致坏死3,4。然而,幅度较低或频率较高的细胞质钙水平变化则具有不同的效应2。同样,钙波动的结果也可能因其发生的特定空间微域而异5。因此,监测钙水平可 为动态信号传导过程提供洞察,但这需要具备相对较高的时间和空间分辨率的采样技术。
基因编码的钙离子指示剂(GECIs)是用于活细胞系统中连续采样的有力工具6。其中应用最广泛的GECIs是一类基于绿色荧光蛋白(GFP)的钙离子响应型荧光蛋白,称为GCaMPs7。经典的GCaMP由三个不同的蛋白质结构域融合而成:环状重排的绿色荧光蛋白(cpGFP)、钙调蛋白(calmodulin)和M136。钙调蛋白结构域在结合钙离子后发生构象变化,从而能够与M13相互作用。钙调蛋白与M13的结合会诱导cpGFP发生构象改变,使其在激发后荧光发射增强。因此,钙离子浓度的升高与GCaMP荧光强度的增强呈正相关。这些传感器可定位于细胞质,也可靶向特定细胞器8。
与大多数组织类似,钙离子调控着胃肠道上皮内的多种功能。肠上皮对于营养物质和液体的吸收至关重要,同时还必须形成紧密的屏障和免疫界面,以防止病原体入侵或毒性损伤。钙依赖性信号通路几乎影响所有这些关键功能9,10,11。然而,肠上皮内的钙信号传导仍是一个尚未充分探索的研究领域,具有作为治疗靶点的广阔前景。尽管在活体(in vivo)条件下监测肠上皮内钙动态变化仍面临挑战,人类肠道类器官(HIOs)为实验研究提供了一种可操作的体外(ex vivo)系统12。HIOs 是由人类肠干细胞衍生而来的三维(3D)球状结构,在分化后能够重现天然肠上皮的大部分细胞多样性12。
本方案描述了表达基因编码钙指示剂(GECI)的人类类器官(HIO)的构建方法,并进一步将工程化HIO制备为单层细胞,用于活细胞钙成像。方案以病毒侵染为例,演示了一种破坏钙信号通路的病理干预手段,并提供了量化此类变化的分析方法。
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本方案及代表性实验所使用的所有人肠道类器官(HIOs)均来源于贝勒医学院德克萨斯医学中心消化系统疾病类肠体核心实验室获取并保存的人体组织。所有样本的收集均遵循贝勒医学院机构审查委员会批准的方案进行。
1. 材料与试剂的准备
2. 利用基因编码的钙传感器改造类器官
注意:本方案描述了在 24 孔板中每孔接种于 30 μL 基底膜基质(BMM)中的三维人肠道类器官单孔转导步骤13。大多数细胞系每孔约含 400,000 个细胞。应设置一个未转导的孔作为对照。所有试剂和细胞悬液均需置于冰上保存。
3. 活体荧光成像用 HIO 单层的制备
4. HIO 单层细胞的病毒感染

5. 感染单层细胞的 Ca2+ 成像
6. 细胞间钙波的定量分析
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图1A 显示一个含有三维人肠类器官的BMM圆顶 已转导以稳定表达 GCaMP6s。 图1B 显示了同一列类器官在接种后24、48和72小时以单层形式重新接种的图像。为验证GCaMP6s的功能,采用荧光显微镜对单层细胞每2秒成像一次,持续4分钟,并在约20秒后向培养基中加入100 nM ADP。ADP可诱导内质网释放钙离子,从而升高胞质钙浓度。每次曝光时在488 nm通道检测到的荧光强度绘于图中 图1C迹线显示,在加入ADP后,荧光强度从稳定的基线迅速升高,随后逐渐恢复至基线水平。实验包含溶剂对照,以确认该响应为真实的信号转导事件,而非因培养基添加所引起的荧光强度非特异性变化。
对HIO单层进行划痕处理可提高轮状病毒感染效率。尽管划痕方法有多种,但如图2A所示,沿单层长度方向进行单道划痕最有利于获得稳定的感染效果。当使用表达荧光蛋白的轮状...
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胞质内 Ca2+ 水平的改变既可能是上皮组织病理变化的原因,也可能是其结果10,16,17。胞质钙离子浓度升高可直接通过激活钙依赖性氯离子通道 TMEM16A 来驱动分泌过程18,19。TMEM16A 在 Ca2+ 刺激下被激活,介导氯离子从细胞顶膜外排,形成渗透梯度,从而促进液体分泌20,21。此外,肠内分泌细胞内 Ca2+ 水平的升高可触发5-羟色胺(血清素)的释放,进而刺激传入感觉神经元,调节肠神经系统内的活动22。Ca2+ 信号还可调节紧密连接,影响上皮屏障功能
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作者声明无竞争性财务利益。
本研究工作获得了美国国立卫生研究院(NIH)资助项目R01DK115507和R01AI158683(项目负责人:J. M. Hyser)的支持。培训人员的支持来自NIH资助项目F30DK131828(项目负责人:J.T. Gebert)、F31DK132942(项目负责人:F. J. Scribano)和F32DK130288(项目负责人:K.A. Engevik)。我们感谢德克萨斯医学中心消化系统疾病类器官核心实验室提供类器官维持培养基。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高级DMEM/F12培养基 | Gibco | 12634028 | |
| [Leu15]-胃泌素I | Sigma-Aldrich | G9145 | |
| 0.05% 胰蛋白酶EDTA | Gibco | 25300054 | |
| 0.05% 胰蛋白酶EDTA | Gibco | 25300054 | |
| 1.5 mL 微量离心管 | Fisherbrand | 5408137 | |
| 15 mL 锥形离心管 | Thermofisher Scientific | 0553859A | |
| 16% 甲醛 | Thermofisher Scientific | 28906 | |
| 1 M HEPES缓冲液 | Gibco | 15630080 | |
| 1 M HEPES缓冲液 | Gibco | 15630080 | |
| 1× PBS | Corning | 21-040-CV | |
| 25号针头 | Thermofisher Scientific | 1482113D | |
| A-83-01 | Tocris | 2939 | |
| ADP | Sigma-Aldrich | A2754 | |
| 高级DMEM/F12培养基 | Gibco | 12634028 | |
| 抗生素-抗真菌剂 | Gibco | 15240062 | |
| 抗生素-抗真菌剂 | Gibco | 15240062 | |
| B27添加剂 | Gibco | 17504-044 | |
| 牛血清白蛋白 | FisherScientific | BP1600100 | |
| CellView细胞培养板,聚苯乙烯,75/25 mm,玻璃底,10孔 | Greiner | 543979 | |
| IV型胶原蛋白 | Sigma Aldrich | C5533 | |
| DAPI | Thermofisher Scientific | D1306 | |
| EDTA | Corning | 46-034-CI | |
| 胎牛血清 | Corning | 35010CV | |
| 胎牛血清 | Corning | 35010CV | |
| Fluorobrite培养基 | Gibco | A1896701 | |
| GlutaMAX | Gibco | 35050079 | |
| GlutaMAX | Gibco | 35050079 | |
| 人表皮生长因子 | ProteinTech | HZ-1326 | |
| 慢病毒 | VectorBuilder | (variable) | |
| Matrigel基质胶 | BD Biosceicen | 356231/CB40230C | |
| N2添加剂 | Gibco | 17502-048 | |
| N-乙酰半胱氨酸 | Sigma-Aldrich | A9165-5G | |
| NH4Cl | Sigma-Aldrich | A9434 | |
| 烟酰胺 | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| Nunc细胞培养处理24孔板 | Thermofisher Scientific | 142475 | |
| Polybrene | MilliporeSigma | TR1003G | |
| SB202190 | Sigma-Aldrich | S70767 | |
| Triton X-100 | Fisher BioReagents | BP151100 | |
| TrypLE Express酶(无酚红) | Thermofisher Scientific | 12604013 | |
| 胰蛋白酶 | Worthington Biochemical | NC9811754 | |
| Y-27632 | Tocris | 1254 |
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