本研究介绍了二维(2D)划痕伤口迁移实验和三维(3D)球状体出芽实验,以及相应的下游分析方法,包括RNA提取和免疫细胞化学,这些实验是研究血管生成的适宜方法 体外.
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* These authors contributed equally
本研究介绍了二维(2D)划痕伤口迁移实验和三维(3D)球状体出芽实验,以及相应的下游分析方法,包括RNA提取和免疫细胞化学,这些实验是研究血管生成的适宜方法 体外.
血管生成在机体的生理和病理过程中均发挥着关键作用,包括肿瘤生长或新生血管性眼病。深入了解其潜在的分子机制并建立可靠的筛选模型,对于有效靶向治疗疾病以及开发新的治疗方案至关重要。目前已开发出多种体外(in vitro)检测方法用于模拟血管生成,利用可控环境的优势,在分子水平上阐明促血管生成的驱动因素,并用于治疗靶点的筛选。
本研究介绍了用于研究血管生成的工作流程 体外 使用人脐静脉内皮细胞(HUVECs)。我们详细描述了一种划痕伤口迁移实验,该实验利用活细胞成像系统,在二维条件下测定内皮细胞的迁移能力;同时还介绍了球状体出芽实验,该实验在由胶原基质提供的三维环境中评估内皮细胞的出芽行为。此外,我们概述了样本制备策略,以支持进一步的分子分析,特别是在三维条件下进行转录组学研究,包括RNA提取和免疫细胞化学染色。总体而言,该技术框架为科研人员提供了一套可靠且多功能的工具,可用于开展相关科学探究 体外 血管生成实验
血管生成是指从已有的血管形成新血管的过程1,在生理发育和病理状态下均是一个关键过程。它对于为代谢活跃的组织(如视网膜2或发育中的中枢神经系统3)提供能量以及在受损组织修复过程中至关重要4。另一方面,异常的血管生成是多种疾病的病理基础。实体瘤(如结直肠癌或非小细胞肺癌)通过促进血管生成来支持其生长并获得必要的能量供应5。除癌症外,眼部的新生血管疾病,如糖尿病视网膜病变或年龄相关性黄斑变性,这些是发达国家致盲的主要原因,均源于异常的血管生长6,7。深入理解其潜在的病理机制,对于明确如何在促进生理性血管生成(例如在伤口愈合中)的同时更好地控制病理性状况(如血管增殖性眼病)具有重要意义。
在细胞水平上,血管内皮细胞在血管生成过程中被多种信号分子激活,从而启动细胞增殖和迁移8。随后,这些细胞形成层级结构,其中不增殖的顶端细胞在新生血管分支的前沿形成丝状伪足8。与此同时,快速增殖的柄细胞紧随顶端细胞之后,促进新生血管的形成。随后,其他类型的细胞(如周细胞或平滑肌细胞)被募集到新生分支处,进一步增强其稳定性9。
为了在血管内皮细胞水平上探究分子过程,许多 体外 已开发出相关方案并进行了近期综述10这些实验通常分为两类:较为简单但可扩展的二维方法和更为复杂的三维方案。在最近的一项研究中,我们对二维划痕伤口迁移实验与三维球体出芽实验进行了全面的比较分析。11 评估它们之间差异的程度以及模拟血管生成不同方面的潜力12.
尽管两者都具有可靠且易于实施的优点,但在分子水平上,与...相比,三维球体出芽实验在解决血管生成的关键方面更具优势 体内 数据,例如代谢转换或细胞-基质相互作用。由于 体外 血管生成实验用于评估信号通路的血管调节潜能13 并用于筛选治疗剂,以及评估其可转移性 体外 结果至 体内 在受控条件下,针对血管生成过程进行靶向调控后,从RNA和蛋白质水平开展基于组学的分析,以表征分子层面的变化,这一优势仍然至关重要,相较于其他方法具有重要意义。 体内 设置14,15.
本文中,我们介绍了一系列关键实验方法,用于通过活细胞成像迁移实验和球状体出芽实验来研究血管生成相关问题,并结合后续分子分析,如转录组测序分析以及蛋白质水平的免疫组织化学检测。
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1. 人脐静脉内皮细胞(HUVEC)培养
注意:所有后续步骤均须在无菌条件下进行(无菌工作台内操作)。
2. 划痕损伤迁移实验
注意:划痕伤口迁移实验需要持续3天才能完成(图1)。所有以下步骤均须在无菌工作条件(无菌工作台)下进行。
3. 使用二维培养细胞提取 RNA
注意:在无菌操作条件(无菌操作台)下进行从本步骤至步骤 3.3 的所有操作。
4. 使用二维培养细胞进行免疫细胞化学染色
注意:从以下步骤开始至步骤 4.4,均需在无菌工作条件(无菌工作台)下进行。
5. 类球体出芽实验
注意:类球体出芽实验需要3天时间才能完成(图2)。从开始至步骤5.7的所有操作均需在无菌条件下(无菌工作台)进行。
6. 使用三维培养细胞进行RNA提取
7. 三维胶原基质中球状体的免疫细胞化学
8. 人视网膜微血管内皮细胞(HRMVECs)
注意:所有描述的步骤也可使用微血管内皮细胞进行,例如人视网膜微血管内皮细胞(HRMVECs)。在此情况下,细胞培养需更换为含有10%胎牛血清(FBS)的特异性微血管内皮细胞培养基,并在每项检测中采用相应的特定步骤。以下列出了HRMVECs在检测方案中与前述方法的具体差异:
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进行迁移实验时,必须仔细检查在 t = 0 h 时间点拍摄的图像,以确保系统能够准确识别出已形成完整单层的细胞(图1B)。此外,还需确认划痕边界的清晰度和平直性(图1B)。无细胞区域应基本无碎片残留。实验结束时,以例如 25 ng/mL VEGF 刺激的阳性对照组应在原始划痕区域显示出成功的细胞迁移(图1B)。技术问题的表现可能包括细胞生长不均、重复划伤或划痕边界呈波浪状(图1C)。此外,阴性对照(EBM 刺激样本)与阳性对照(VEGF 刺激样本)之间应具备较大的动态范围(图1D)。在我们的实验条件下,我们认为在 12 小时后相对伤口密度(RWD)增加 25% 是理想的动态范围(图1D)。若实验存在技术问题,则阳性与阴性对照无法有效区分,表明动态范围较低(
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在本报告中,我们介绍了一系列具有功能性和分子水平检测结果的技术,用于研究血管生成 体外.
迁移实验是一种在湿实验研究各个领域中广泛应用的成熟技术。我们选择了 commercially available 的活细胞成像方法,以利用其适用于筛选和剂量-反应实验的96孔板格式、由WoundMaker工具产生的标准化且可重复的伤口尺寸、通过长达24小时的时间序列成像观察迁移动力学的能力,以及配套的自动图像定量分析软件。然而,该方法需要实验室或核心设施配备带有血管生成分析软件的活细胞成像系统。目前已建立多种替代性实验方案,无需特定的活细胞成像显微镜或其他特殊设备10。
根据我们的经验,优化分析仪设置至关重要,因为人脐静脉内皮细胞(HUVEC)及其他血管内皮细胞类型往往对比度较差,从而影响显微镜软件的自动读取效果。为解决这一问题,可引入额外的荧光染色步骤(例如活细胞染色)。活细胞成像系统支持此类染色,甚至支持多色染色以追踪目标蛋白。该实验方法的一个主要局限在于,难以明确...
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作者声明本项目中不存在利益冲突。
作者感谢 Sophie Krüger 和 Gabriele Prinz 提供出色的技术支持。感谢 Sebastian Maier 开发用于定量分析球状体出芽的 ImageJ 插件,以及弗莱堡大学医院医学一科转化细胞研究中心(ZTZ)Lighthouse 核心设施提供 IncuCyte 系统的使用支持。插图使用 biorender.com 制作。本研究由德国研究基金会 [Bu3135/3-1 + Bu3135/3-2 至 F.B]、弗莱堡阿尔伯特-路德维希大学医学院 [Berta-Ottenstein 临床科学家及高级临床科学家项目资助 F.B.]、Else Kröner-Fresenius 基金会 [2021_EKEA.80 至 F.B.]、德国癌症联盟 [CORTEX 临床科学家奖学金资助 J.R.]、Volker Homann 基金会 [资助 J.N. 和 F.B.] 以及 "弗莱堡大学眼科诊所之友协会(Freunde der Universitäts-Augenklinik Freiburg e.V.)" [资助 P.L.] 提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10x Medium 199 | Sigma-Aldrich | M0650 | |
| Alexa Fluor 647 标记的 AffiniPure F(ab)‘2 片段 | Jackson IR | 115-606-072 | |
| Axio Vert. A1 | Zeiss | ||
| CapturePro 2.10.0.1 | JENOTIK Optical Systems | ||
| Ⅰ型胶原(大鼠尾来源) | Corning | 354236 | |
| 胶原酶 D | Roche | 11088858001 | |
| 内皮细胞基础培养基 | Lonza | CC-3156 | EBM |
| 内皮细胞生长培养基 | Lonza | CC-3162 | EGM |
| 乙二胺四乙酸 | Serva | 11290.02 | EDTA |
| 胎牛血清 | Bio&SELL | S 0615 | FBS |
| 混合人脐静脉内皮细胞 | Lonza | C2519A | HUVEC |
| IncuCyte ImageLock 96 孔板 | Sartorius | 4379 | |
| Incucyte S3 活细胞分析系统 | Sartorius | ||
| 甲基纤维素 | Sigma | m-0512 | |
| 含 10% FBS 的微血管内皮细胞培养基 | PB-MH-100-4090-GFP | PELOBiotech | |
| NaOH | Carl Roth | P031.2 | |
| 鬼笔环肽-异硫氰酸荧光素标记(0.5 mg/mL 甲醇溶液) | Sigma-Aldrich | P5282-.1MG | Phalloidin-FITC |
| 磷酸盐缓冲液 | Thermo Fisher Scientific | 14190-094 | PBS |
| 原代人视网膜微血管内皮细胞 | Cell Systems | ACBRI 181 | |
| 含 NucBlue 的 ProLong Glass 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen by ThermoFisher Scientific | 2260939 | |
| QIAzol 裂解试剂 | QIAGEN | 79306 | |
| 重组人血管内皮生长因子 | PeproTech | 100-20 | VEGF |
| 方形培养皿 | Greiner | 688102 | |
| Trizol | Qiagen | 79306 | |
| 胰蛋白酶 | PAN-Biotec | P10-024100 | |
| VEGF-R2(单克隆抗体) | ThermoFisher Scientific Inc. | B.309.4 | |
| WoundMaker | Sartorius | 4493 |
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