此处,我们描述了一种 体外 分离与分化小鼠气道上皮细胞的模型,重点关注其对慢性香烟烟雾提取物(CSE)的适应性。该模型可用于全面表征CSE的多组学影响,从而可能揭示细胞在长期烟雾暴露下的应答机制。
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此处,我们描述了一种 体外 分离与分化小鼠气道上皮细胞的模型,重点关注其对慢性香烟烟雾提取物(CSE)的适应性。该模型可用于全面表征CSE的多组学影响,从而可能揭示细胞在长期烟雾暴露下的应答机制。
慢性阻塞性肺疾病(COPD)主要归因于烟草烟雾暴露。研究气道上皮细胞如何在功能上适应烟草烟雾,对于理解COPD的发病机制至关重要。本研究旨在建立一种 体外 利用原代小鼠气道上皮细胞建立模型,以模拟烟草烟雾对机体的真实影响。与永生化细胞系不同,原代细胞保留了更多 体内类特性,包括生长模式、衰老和分化。这些细胞表现出敏感的炎症反应和高效的分化能力,因而能紧密模拟生理条件。在本模型中,原代小鼠气道上皮细胞在气液界面条件下培养28天,并使用最适浓度的香烟烟雾提取物(CSE)处理,导致未分化的单层细胞转变为假复层柱状上皮,提示细胞已适应CSE环境。随后采用综合性的多组学分析,以阐明CSE影响气道基底细胞分化的分子机制。这些发现加深了我们对烟草烟雾暴露下慢性阻塞性肺疾病(COPD)进展相关细胞过程的理解。
慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种具有复杂特征的异质性肺部疾病,而COPD患者的发病年龄正逐渐趋于年轻化1。吸烟是COPD的主要危险因素2,对气道上皮细胞具有深远影响,而气道上皮细胞是抵御烟草烟雾的第一道屏障。尽管已知这种关联,烟草烟雾诱导气道上皮细胞发生改变的具体机制仍缺乏充分研究。深入理解这些分子层面的改变,对于发现COPD的早期诊断标志物和治疗靶点至关重要。
为弥补这一空白,我们开发了一种利用小鼠气道上皮细胞的新型体外模型。通过长期用香烟烟雾提取物(CSE)刺激这些细胞,我们能够监测细胞的动态变化,探究气道上皮细胞在长期烟草刺激下的改变及其潜在机制。在该模型中,采用Transwell系统建立气道上皮细胞的气液界面,并从上皮细胞分化的早期阶段开始施加香烟烟雾提取物刺激,持续至第28天分化完成。以往的研究仅关注气道上皮细胞的分化过程及短期刺激(以细胞系为主),且局限于单一调控通路3,4,5,6。然而,本方案采用原代小鼠气道上皮细胞,并优化了细胞分离提取流程,使细胞活性优于既往的气道上皮细胞培养方法。该模型聚焦于细胞分化过程的改变,并结合转录组学、蛋白质组学、代谢组学和表观基因组学的综合分析。通过免疫荧光染色和先进的多组学技术,我们旨在阐明气道上皮细胞对慢性烟草烟雾暴露的细胞应答,从而加深对慢性阻塞性肺疾病(COPD)发病机制的理解。该模型可用于研究多种污染物长期刺激所引起的气道上皮细胞分化模式及其机制的变化。
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整个实验方案共需44天,包括1天用于制备从小鼠气管分离的气道上皮细胞,15天用于细胞增殖,以及28天在气液界面进行CSE刺激。所有实验动物均饲养于首都医科大学实验动物中心的SPF屏障动物房,并已通过首都医科大学实验动物与实验室动物伦理委员会(AEEI-2020-100)的审查和批准,符合ARRIVE指南的要求7。
1. 从小鼠气管中分离原代小鼠气道上皮细胞
2. 原代小鼠气道上皮细胞的扩增培养与传代
3. 小鼠原代气道上皮细胞在气液界面的分化及香烟烟雾提取物刺激
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分化
小鼠气道上皮细胞在气液界面培养条件下,使用分化培养基培养28天后成功实现分化。通过免疫荧光染色检测纤毛细胞标志物乙酰化α-微管蛋白(绿色;图3A)和杯状细胞标志物Mucin5AC(红色;图3B),证实了纤毛细胞和杯状细胞的存在。
确定用于细胞分化的CSE浓度
用不同浓度的CSE刺激分离的上皮细胞24小时。结果显示,当CSE浓度高于6%时,上皮细胞的活力下降(p <0.05,图4A)。为了在长期刺激下维持细胞活性,使用含2%、4%和6% CSE的培养基刺激上皮细胞分化28天。此外,结果表明,随着CSE浓度的增加,上皮细胞未出现显著的细胞死亡(图4B),但细胞间的跨膜电阻(TEER)(图4C)和脱...
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慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种常见的慢性气道炎症性疾病。烟草烟雾暴露可导致慢性气道炎症、气道重塑以及肺组织结构破坏,这是多种结构细胞与免疫细胞相互作用的结果10。作为肺部固有免疫系统的第一道防线,气道上皮细胞在疾病发展过程中发挥着至关重要的作用11。从这一角度来看,阐明上皮细胞在有害物质刺激下如何发生改变并调控下游细胞,是当前亟待解决的科学问题。
近期,已有数种克服了部分局限性的慢性阻塞性肺疾病(COPD)动物模型被报道12。在这些模型中可观察到中等程度的中性粒细胞性气道炎症、Th1/Th17型炎症特征、显著的黏液过度分泌、气道重塑增加、肺功能下降以及肺泡腔扩大。尽管这些模型仅需1个月即可建立类似COPD的改变,但香烟烟雾暴露1个月内小鼠体内发生的变化仍不明确。采用长期CSE刺激的优势在于更易于校准,这意味着气道上皮细胞可在不致死的情况下暴露于尽可能严重的香烟刺激,类似于吸烟者气道上皮细胞所处的状态。因此,监测导致气道炎症及肺气肿形成的...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由国家自然科学基金(82090013)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100倍青霉素/链霉素溶液 | Gibco | 15140122 | |
| 24 mm Transwell,带0.4 µm 孔径聚酯膜插件,无菌 | BIOFIL | TCS016012 | |
| 40 µm 细胞筛 | Falcon | 352340 | |
| 500倍庆大霉素/两性霉素溶液 | Gibco | R01510 | |
| 乙酰化 α-微管蛋白 | CST | #5335 | |
| 乙酰-α-微管蛋白 (Lys40) (D20G3)XP 兔单克隆抗体 | cellsignal | #5335 | |
| 无动物成分细胞解离试剂盒 | Stemcell | 05426 | |
| 广谱细胞角蛋白抗体 | abcam | ab7753 | |
| 香烟 | 万宝路 | ||
| Claudin3 | immunoway | YT0949 | |
| 牛胰脱氧核糖核酸酶 I | Sigma-Aldrich | DN25 | |
| 牛胰脱氧核糖核酸酶 I | Sigma | DN25 | |
| Ham’s F-12 | Sigma-Aldrich | N6658 | |
| 肝素溶液 | Stemcell | 07980 | |
| 氢化可的松储备液 | Stemcell | 07925 | |
| Mucin 5AC | abcam | ab212636 | |
| Occludin | proteintech | 27260-1-AP | |
| PBS | Cytosci | CBS004S-BR500 | |
| 青霉素-链霉素溶液 | Gibco | 15140122 | |
| PneumaCult-ALI 基础培养基 | Stemcell | 05002 | |
| PneumaCult-ALI 10倍补充剂 | Stemcell | 05003 | |
| PneumaCult-ALI 维持补充剂 | Stemcell | 05006 | |
| PneumaCult-Ex Plus 50倍补充剂 | Stemcell | 05042 | |
| PneumaCult-Ex Plus 基础培养基 | Stemcell | 05041 | |
| Pronase E | Sigma-Aldrich | P5147 | |
| 大鼠尾胶原蛋白 | Corning | 354236 | |
| 台盼蓝 | Stemcell | 07050 |
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