肠胶质细胞在肠道稳态及疾病过程(包括术后并发症)中的作用正日益受到重视。接受急诊探查性剖腹手术后恢复的马匹患者面临较高的炎症性术后并发症风险,这凸显了建立可重复的马源性肠胶质原代细胞培养体系以供研究的重要性。
肠胶质细胞在肠道稳态及疾病过程(包括术后并发症)中的作用正日益受到重视。接受急诊探查性剖腹手术后恢复的马匹患者面临较高的炎症性术后并发症风险,这凸显了建立可重复的马源性肠胶质原代细胞培养体系以供研究的重要性。
马科动物绞痛(急性腹症)的术后炎症状态不仅会增加客户的治疗费用、导致患者不适并延长住院时间,而且在许多情况下可能危及生命。一类独特的肠道细胞——肠胶质细胞,其在感知胃肠道环境并与周围细胞类型进行通讯方面的作用正日益受到重视。肠胶质细胞与肠上皮细胞之间的相互作用,可能在揭示马肠胶质细胞如何在健康状态及绞痛状态下通过改变黏膜屏障来调节炎症反应方面具有关键意义。
为了研究这种相互作用,我们提出一种方法,即从马的空肠组织建立原代马肠胶质细胞培养物,并将这些培养物暴露于已知存在于绞痛中的炎症条件下。原代肠胶质细胞培养物来源于因与绞痛无关原因被实施安乐死的成年马。通过显微解剖分离肠绒毛和黏膜下层,以暴露黏膜下层组织。分离出的黏膜下层组织使用胶原酶、蛋白酶和牛血清白蛋白进行酶消化处理,持续2-3小时。随后,通过离心、移液和细胞筛(40-100 µm)进行机械消化,获得细胞沉淀,并将其以约400,000个细胞/300 µL培养基的浓度接种于经0.05 mg/mL多聚-L-赖氨酸包被的培养孔中。
在达到汇合状态并进行首次传代后,肠胶质细胞被暴露于马重组IL-1β(0、10、25 ng)中处理24小时。为模拟腹痛发生时的上皮-胶质细胞相互作用,将经对照或处理后的肠胶质细胞条件化培养基直接加入汇合的马空肠单层细胞中,同时使用双电极EndOhm室测量跨上皮电阻(TEER)。这些数据仅展示了马肠胶质细胞培养众多潜在重要应用中的一个实例。
马科动物腹痛是急诊会诊中最常见的内科就诊病症1。高达17%的患马需要外科手术干预,因此提高术后疗效应成为马科医学研究的首要任务2。目前,术后腹痛患马面临多种危及生命的疾病风险,包括败血症/内毒素性休克(占患者总数的12.3%)和术后肠梗阻(占患者总数的13.7%)3。尽管在术后并发症治疗方面已取得进展,但仍亟需开发更先进的预防和治疗方法以应对这些状况。
近期研究强调了绞痛患者局部和全身的炎症状态4。例如,与正常肠组织相比,绞痛患者的肠黏膜中肿瘤坏死因子(TNF)α、白细胞介素1β(IL-1β)、白细胞介素6(IL-6)以及单核细胞趋化蛋白-1等促炎蛋白的表达水平均显著升高4。从全身角度来看,已有研究表明,肠组织中TNF α水平升高与术后鼻胃反流液量超过2 L的风险增加相关,而后者是术后运动功能障碍的普遍评估指标4。此外,已知给予白细胞介素IL-1β和TNF α可诱发脓毒性休克的临床症状5。
结肠绞痛相关肠道组织炎症状态及其与术后并发症关联的一个可能解释是肠道上皮屏障。在健康状态下,连接肠道单层柱状上皮细胞的紧密连接复合物构成了一道功能性屏障,可限制肠腔内容物及其细菌成分进入黏膜下层和血液循环。然而,由结肠绞痛相关的肠梗阻以及手术过程中肠道操作所引起的肠道扩张和损伤,可能会破坏这种肠道屏障功能。
从肠道壁整体功能组分的角度来看,肠神经系统中的黏膜下层肠胶质细胞网络已被证实对与炎症通路相关的术后并发症的病理生理发展具有关键作用,并可能成为特定的治疗靶点6,7,8,9。肠胶质细胞不仅遍布整个胃肠道,还作为肠道环境的感受器,影响与肠道壁多种细胞类型的信号交流,并直接调控肠道屏障功能6。因此,可以合理推测,这些强大的肠道感受器在受到损伤和炎症刺激时会被激活,并可能引发诸如肠道屏障通透性改变等急性反应。
本研究首次描述了马肠道胶质细胞的培养,以及更具体地探讨了炎症性马肠道胶质细胞对肠屏障功能的作用。本文介绍了马肠黏膜下层肠道胶质细胞原代培养的方法,观察其对炎症因子IL-1β刺激的反应,评估IL-1β刺激后肠道胶质细胞产物对马肠上皮细胞单层通透性的影响,并探讨通过添加马血清实现可能的阻断作用。
马肠神经胶质原代培养物来自三匹因与本研究无关原因而被人道实施巴比妥类药物过量安乐死的马。用于培养研究的马匹均为成年马,且无当前胃肠道疾病病史。
1. 马肠黏膜下层肠胶质细胞原代培养
2. 免疫荧光细胞学
3. 黏膜下层马肠道胶质细胞原代培养物暴露于IL-1β
4. 用于生成肠上皮细胞单层的马源类器官培养
注意:根据 Stewart 等人于 2018 年发表的实验方案,将已冷冻保存的马肠道隐窝和芽状结构进行扩增,用于二维肠类器官研究10。
暴露于炎性细胞因子及马肠道胶质细胞产物后马肠上皮细胞单层的通透性
6. 统计学
对马空肠进行显微解剖,分离至黏膜下层(图1),再结合酶消化与机械消化,可成功获得具有活性的马肠胶质细胞培养物。这些细胞表现出多形性,其中以梭形细胞为主,形态特征与其他物种的肠胶质细胞一致(图2A)。免疫染色显示,培养细胞表达特异性胶质细胞标志物胶质纤维酸性蛋白(GFAP),且成纤维细胞污染较少(α-SMA,图2B)。但在某些情况下,黏膜下层的显微解剖操作控制不够精确,导致培养物中成纤维细胞比例较高,通过成纤维细胞标志物平滑肌肌动蛋白的免疫荧光染色可观察到这一污染现象(图3)。
接下来,以马肠胶质细胞培养的应用价值为例,评估了经IL-1β处理的肠胶质细胞对肠道上皮屏障功能的影响。将肠上皮细胞基底侧暴露于马肠黏膜下层肠胶质细胞培养液(该培养液经10 ng和25 ng IL-1β处理24小时)后,上皮通透性显著增加(p值分别为0.05和0.04;对照组培养液均值为0.9,胶质细胞+10 ng IL-1β组均值为0.8,95%置信区间为-0.2至0.02,胶质细胞+25 ng IL-1β组均值为0.8,95%置信区间为-0.1995至0.01060,n = 3–4)(图4A)。然而,将马源上皮单层细胞暴露于基底外侧的10–25 ng马源IL-6(一种炎性细胞因子)时,该细胞因子已被证实可由暴露于IL-1β的肠胶质细胞产生,并可在啮齿类动物模型中诱导肠上皮细胞通透性增加12,未显著增加马肠上皮单层细胞的通透性(图4B)

图 1:通过显微解剖及酶消化与机械消化法从马空肠中分离肠胶质细胞。(A)沿对系膜缘切开空肠,并将黏膜面朝上固定。(B)在显微镜下观察肠绒毛,并通过轻柔刮除将其去除,直至观察到纤细的固有层。(C)继续去除固有层,直至透过半透明的黏膜下层刚好可见平滑肌纤维。(D)将黏膜下层提起并从肌层剥离,必要时切断纤维状组织残留。图像由10倍解剖显微镜拍摄(B,C)。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:马肠黏膜下层肠胶质细胞培养物的成像。(A)通过相差显微镜观察到马肠胶质细胞的星形(箭头)、梭形(空心箭头)和神经节样(实心箭头)形态。(B)通过GFAP染色以及成纤维细胞标志物平滑肌肌动蛋白染色评估培养物纯度。比例尺 = 100 µm(A),400 µm(B)。缩写:GFAP = 胶质纤维酸性蛋白;DAPI = 4',6-二脒基-2-苯基吲哚。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:马肠黏膜下层肠胶质细胞培养失败的成像结果。 通过胶质纤维酸性蛋白(GFAP,红色)和成纤维细胞标志物平滑肌肌动蛋白(smooth muscle actin,绿色)染色评估培养物纯度,结果显示存在大量成纤维细胞污染。黄色箭头指示GFAP,白色箭头指示平滑肌肌动蛋白。比例尺 = 400 mm。缩写:GFAP = 胶质纤维酸性蛋白。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:马肠上皮单层细胞在暴露于炎症性细胞因子及炎症性胶质细胞产物后的TEER变化。(A)基底外侧暴露于经10 ng和25 ng IL-1β处理24小时的马肠黏膜下层肠胶质细胞培养上清液后,上皮通透性显著增加(*p = 0.05 和 0.04,分别,n = 3-4)。(B)马肠上皮细胞单层急性暴露于基底外侧25 ng IL-1β以及10–25 ng 马IL-6,未显著增加马上皮单层细胞的通透性(n = 2–4)。请点击此处查看该图的放大版本。
表1:分离与培养用试剂。 以下试剂用于配制马源肠胶质细胞分离、肠胶质细胞培养以及马源肠道上皮干细胞培养的培养基。请点击此处下载本表。
本研究旨在建立一种可重复的马源性肠黏膜下层肠胶质细胞原代培养方法,并展示其在腹痛发生时模拟上皮-胶质细胞相互作用的应用。肠胶质细胞的分离与培养在马属动物中尚属首次,此前在猪、啮齿类动物模型及人类研究中已证实该技术有助于理解肠道疾病的发生机制6,7,13,14。研究此类细胞群体具有潜在重要意义,因其不仅作为肠道环境的上皮下感受器,还具备与肠壁内周围细胞相互作用和通讯的能力。鉴于其敏锐的感知功能,不难设想胶质细胞在马腹痛中可能发挥关键作用——在此过程中,肠组织受到扩张、缺血以及可能的外科操作等因素的应激6。
Lisowski 等人的前期研究已证实,马在绞痛手术时其肠道组织处于高度炎症状态。啮齿类动物肠胶质细胞培养实验进一步凸显了缓解此类炎症环境的重要性,这些实验表明肠胶质细胞能够合成破坏肠道屏障功能的产物7,12。肠道腔内容物渗漏至肠壁不仅会引发炎症反应,还可能进入血液循环,进而导致内毒素性休克或败血症。令人遗憾的是,马绞痛术后患者常面临多种与炎症相关的术后并发症,包括败血症和术后肠梗阻,这些并发症不仅降低存活率并影响动物舒适度,还会增加客户经济负担和情感压力3。建立绞痛发生时上皮细胞与胶质细胞相互作用的模型,可能有助于阐明马在绞痛状态下肠道屏障通透性的潜在机制,并为预防提供可能的途径。
马亚黏膜下肠胶质细胞的培养因物种特性而存在相应的调整与局限性。最重要的是,有效的酶消化所需时间需要进行滴定优化。作者发现,在37 °C条件下用酶孵育2-3小时对于成功分离马肠胶质细胞是必要的。此外,若在传代前让马肠胶质细胞培养物汇合度超过80%,似乎会对细胞培养的活力产生不利影响。目前该方法的主要局限在于样本量。本研究仅涉及从因腹痛接受手术或因非研究相关原因实施安乐死的马匹中获取的组织/细胞。若能从更多个体中持续培养马肠胶质细胞,并建立马肠胶质细胞的冻存与保存方案,将显著提升本研究的效力。
本研究介绍了马源性肠黏膜下层肠胶质细胞培养以及马源性肠上皮细胞原代培养的新用途,这些方法有望成为研究马腹痛及胃肠道疾病的有效手段。此外,尽管过去已成功建立从分离的肠隐窝和类器官培养马肠上皮单层细胞的模型,本研究不仅进一步展示了该模型的应用价值,还鼓励开展更多关于马肠上皮细胞与肠壁内其他细胞类型相互作用的研究。
这些细胞类型之间观察到的相互作用在肠绞痛及其他炎症性胃肠道疾病(如炎症性肠病(IBD)和结肠炎)中具有潜在应用价值。此外,随着肠胶质细胞和肠上皮细胞培养方法的持续优化,未来将有望建立共培养研究体系。进一步而言,尽管本研究重点关注黏膜下层肠胶质细胞群体,因其靠近上皮单层且与肠道屏障功能密切相关,但仍可开展后续工作,以培养并评估来源于肠壁肌间神经丛的马源性肠胶质细胞功能,这有助于明确炎症状态下马源性肠胶质细胞对肠道运动功能的影响15。
作者声明无利益冲突。
作者感谢莫里斯动物基金会对本项目的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 M HEPES缓冲液 | Gibco | 15630-080 | |
| 10 mM HEPES | Life Technologies | 15630-106 | |
| 2 mM GlutaMAX | Life Technologies | 25050-061 | |
| 4’6-二氨基联苯并咪唑-2-苯基吲哚 | Invitrogen | D3571 | |
| 高级DMEM/F12 | Life Technologies | 12634-010 | |
| α-平滑肌肌动蛋白抗体 | Abcam | 7817 | |
| 两性霉素B | Sigma | AA9529 | 4.4 g/mL 储存液分装,终浓度为 1.1 µg/mL |
| 抗抗真菌素 1x | Gibco | 15240-096 | |
| B27 | Gibco | 12587010 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma | AA3311 | |
| BSA 50 mg/mL 储存液 | Sigma | A3311 | |
| CaCl₂ | ACROS Organiics | 206791000 | 马用林格液成分 ‘s 储液 1:与其他成分混合后,取 100 mL 该储液加入量筒中,用去离子水定容至 1 L,用 5% CO2 调节 pH 至 7.4。 与马林格液混合’s Stock 2 以制备完全培养基 “林格氏液’溶液”. |
| 胶原酶 | Sigma | 9891 | |
| DMEM-F12 培养基 | 赛默飞世尔科技 | 11320033 | |
| 驴抗兔IgG Alexa Fluor 594 | Invitrogen | 21207 | |
| EVOM EndOhm 双电极 TEER 测量室 | 世界精密仪器公司 | EVM-EL-03-01 | |
| TEER 测量用 EVOM 操作手册 | 世界精密仪器公司 | EVM-MT-03-01 | |
| G5 | Gibco | 17503012 | |
| 庆大霉素溶液 | Sigma | G1272 | 终浓度 20 µg/mL |
| GFAP 抗体 | Abcam | 4674 | |
| 山羊抗小鼠IgG Alexa Fluor 488 | Invitrogen | 28175 | |
| IL-1β ELISA | 赛默飞世尔科技 | ESIL1B | |
| KCl | Thermo Fisher | P330-500 | 马用林格液成分’s 储液 1:与其他成分混合后,取 100 mL 该储液加入量筒中,用去离子水定容至 1 L。用 5% CO2 调节 pH 至 7.4。 与马林格液混合’s Stock 2 以配制完全培养基 “林格氏液’s 溶液”. |
| L-谷氨酰胺溶液 | 康宁 | 25-00-Cl | |
| Matrigel | BD Bioscience | 354277 | |
| MgCl2 | 赛默飞世尔科技 | M33-500 | 马用林格液成分’s 储液 1:与其他成分混合后,取 100 mL 该储液加入量筒中,用去离子水定容至 1 L。用 5% CO2 调节 pH 至 7.4。 与马林格液混合’s Stock 2 以制备完全培养基 “林格氏液’s 溶液”. |
| N2 | Gibco | 17502048 | |
| Na2HPO4 | Thermo Fisher | BP332-1 | 马用林格液成分’s Stock 2:与其他成分混合后,取100 mL该储备液加入量筒中,用去离子水定容至1 L。用5% CO2调节pH至7.4。 与马林格液混合’s Stock 1 以配制完全培养基 “林格氏液’s 溶液”. |
| NaCl | 赛默飞世尔科技 | S271-10 | 马用林格氏液成分’s Stock 1:与其他成分混合,取100 mL该储备液加入量筒中,用去离子水定容至1 L。用5% CO2调节pH至7.4。<急性腹痛(绞痛)的炎症性术后状况不仅增加了客户成本、患者不适和住院时间,而且在许多情况下可能危及生命。一类独特的肠道细胞——肠胶质细胞,因其在感知胃肠道环境及与周围细胞类型交流中的作用而日益受到关注。肠胶质细胞与肠上皮细胞之间的相互作用,可能在阐明马肠胶质细胞如何在健康状态和绞痛状态下改变黏膜屏障以调节炎症方面发挥关键作用。为研究这种相互作用,本文介绍一种从马空肠建立原代肠胶质细胞培养的方法,并将这些培养细胞暴露于已知存在于绞痛中的炎症条件下。原代肠胶质细胞培养物来源于因与绞痛无关原因被实施安乐死的成年马。通过显微解剖分离肠绒毛和固有层以暴露黏膜下层。分离的黏膜下层使用胶原酶、蛋白酶和牛血清白蛋白进行酶消化处理2–3小时。随后通过机械消化,包括离心、移液和使用细胞筛(40–100 µm),获得细胞沉淀,并以约400,000个细胞/300 µL培养基的浓度接种于经0.05 mg/mL多聚-L-赖氨酸包被的培养孔中。待细胞融合并完成首次传代后,将肠胶质细胞暴露于马重组IL-1β(0、10、25 ng)中24小时。为模拟绞痛发生时的上皮-胶质细胞相互作用,将经对照组或处理组肠胶质细胞条件化培养的培养基直接加入已融合的马空肠单层细胞中,同时使用双电极EndOhm chamber测量跨上皮电阻(TEER)。这些数据展示了马肠胶质细胞培养众多潜在重要应用中的一个实例。> 与马林格氏液混合’s Stock 2 以制备完全培养基 “林格氏液’s 溶液”. |
| NaH2PO4 | Thermo Fisher | BP329-500 | 马用林格液成分’s 储液 2:与其他成分混合后,取 100 mL 该储液加入量筒中,用去离子水定容至 1 L。用 5% CO2 调节 pH 至 7.4。 与马林格液混合’s Stock 1 以制备完全培养基 “林格氏液’s 溶液”. |
| NaHCO₃ | Thermo Fisher | S637-212 | 马用林格液成分’s Stock 2:与其他成分混合后,取100 mL该储备液加入量筒中,用去离子水定容至1 L。用5% CO2调节pH至7.4。 与马林格氏液混合’s Stock 1 以配制完全培养基 “林格氏液’s 溶液”. |
| 青霉素/链霉素溶液 | 双子座 | 400-109 | |
| Poly-L-lysine | Sigma | P2636 | 0.5 mg/mL,溶于1×硼酸盐缓冲液 |
| Prism 软件 | GraphPad | ||
| 蛋白酶 | Sigma | P4630 | |
| 碳酸氢钠溶液 | Sigma | S8761 | 7.5% 储备液 |