该方案旨在建立人类结直肠类器官,并评估基于荧光素酶的ATP生物发光检测法,用于检测镉诱导的毒性。它通过量化类器官存活能力的剂量和时间变化,评估该检测的可行性和敏感性。
方法文章
* These authors contributed equally
该方案旨在建立人类结直肠类器官,并评估基于荧光素酶的ATP生物发光检测法,用于检测镉诱导的毒性。它通过量化类器官存活能力的剂量和时间变化,评估该检测的可行性和敏感性。
镉(Cd)被归类为一类致癌物,构成严重的全球环境问题。本研究旨在建立人类结直肠类器官模型,并评估基于荧光素酶的ATP生物发光检测法在检测结直肠类器官(COs)对镉暴露的毒性反应方面的可行性和敏感性。干细胞从人类结直肠组织中分离,并在基底膜基质中培养以生成COs。类器官细胞被根据不同暴露时间,采用分级的Cd浓度系列处理。以等体积比加入一种发光活性试剂,在室温下轻轻摇晃以促进裂解和试剂渗透,然后培养以使生物发光反应继续。荧光在多模式微板读取器上以发光模式记录。采用剂量-反应曲线拟合计算半最大抑制浓度并评估存活能力或相对存活能力的变化。原代干细胞成功从人类结直肠组织中分离出来,并用于生成一枚碳。暴露于铛铿酮会导致类器官代谢活动的剂量依赖性和时间依赖性降低;剂量-反应分析得出类器官的生存曲线和IC50值。本研究为利用人类COs进行环境重金属毒理学研究提供了方法学指导和实用见解。
镉是一种天然存在的重金属,被归类为一级致癌物,已成为全球环境关注焦点。人类接触铉铀主要通过吸入和饮食摄入实现。尽管慢性低剂量暴露与多种不良健康结果相关,但大幅减少其使用和环境释放仍具挑战性 2,3。传统的二维培养物生长在平坦的基底上,缺乏组织结构、细胞极性和肿瘤微环境。因此,它们在体内重现镉暴露的异质性和真实毒理反应的能力有限。此类系统无法充分模拟细胞间相互作用、基质依赖性生长或导致药物耐药形成的生物过程5。从患者组织衍生的三维类器官系统相比传统二维细胞系提供了更具生理相关性的平台6。类器官保留了原级组织的基因组特征、组织学结构和功能状态。这使肿瘤生长、演化及镉毒性敏感性建模更为准确,为疾病建模和毒理学研究带来了明显优势7。CO拥有复杂的三维结构、细胞异质性以及自我更新和自组织的内在能力8,9。将CO移植到受体小鼠中可以促进肠道干细胞自我更新,调节宿主免疫微环境,从而产生保护效果 4.2009年,佐藤等人首次证明单个成年Lgr5⁺肠干细胞可以自发组织和分化,形成覆盖所有肠道细胞谱系的隐蔽绒毛结构。
肠道上皮是摄入后防止镋铀中毒的第一道防线。事实上,镉的口服生物利用度通常低于5%。CD诱导的肠道毒性表现为细胞间连接的破坏、细胞旁通透性增加以及炎症反应的诱导。此外,Cd扰乱肠道免疫功能,改变肠道微生物群的组成和稳态11。根据暴露剂量和持续时间,Cd可能导致细胞周期失调,在某些情境下促进致癌性表型,而在其他情况下诱导细胞凋亡。铋铀会间接刺激活性氧(ROS)的产生,诱发氧化应激和氧化还原失衡。受体、激酶、磷酸酶、蛋白酶、粘附分子和转录因子的功能可以通过氧化还原信号调节。Cd还扰乱信号级联反应,改变ERK1/2、JNK(c-Jun N末端激酶)和p38 MAPK(p38有丝分裂原激活蛋白激酶)在多种细胞类型的激活状态12。通过激活MAPK级联反应中的ERK1/2,Cd可以促进细胞增殖和存活,抑制程序性细胞死亡,并促进异常过度增殖13。Cd可以直接或间接调控关键效应蛋白的表达和活性。例如,它下调肿瘤抑制因子p53,并上调抗凋亡蛋白如Bcl-2和Bcl-xL,最终破坏细胞凋亡和细胞周期稳态14。
在用于评估镉的细胞毒性效应的一氧化碳模型中,ATP含量测量被广泛用于评估类器官存活性。ATP是能量代谢的核心分子,直接反映了类器官的整体代谢状态和存活能力。镉暴露于CO中时,镉主要诱导线粒体功能障碍,加重氧化应激,并破坏类器官能量稳态。这些事件共同损害ATP的产生,最终降低类器官的存活能力。因此,ATP水平的变化可以作为镉诱导细胞毒性的稳健功能性读数。传统的细胞毒性检测包括比色MTT/CCK-8检测、活死染色和基于流式细胞术的分析。与这些方法相比,基于ATP的测定在三维类器官系统中具有明显优势。由于类器官结构复杂且空间异质性显著,传统的染色和成像方法常常受限于组织穿透力不足和定量准确性降低。相比之下,ATP检测依赖荧光素酶介导的生物发光反应,能够直接定量而不破坏类器官结构。ATP测量具有高灵敏度和宽广的动态范围。这使得能够检测从早期代谢抑制到类器官死亡的连续生物反应,便于在不同镉浓度下的准确剂量-反应分析。ATP水平全面反映了类器官的整体功能状态,优于依赖形态评估或单分子标记的方法。因此,该检测方法特别适合高通量毒性筛查,提供了更高的稳定性和可重复性。
利用ATP生物发光评估CO对镉暴露敏感性的核心原理是,萤火虫荧光素酶在ATP、Mg 2⁺和O₂存在下催化D-荧光素的氧化,从而产生氧荧光素并发射光子。发射光的强度与样品中可测量的ATP含量成正比,且在定义的线性范围内。因此,发光作为细胞代谢活动或存活能力的间接定量替代。类器官嵌入在细胞外基质中,具有多层的三维结构。为此,ATP测定试剂具有优化的裂解缓冲液组成和工艺。这些优化改善了内部类器官细胞的破坏,促进ATP释放,并稳定了生物发光信号15。重要的是,ATP生物发光报告的是代谢活性,而非精确的细胞计数。例如,线粒体抑制剂即使在细胞仍然存活期间,也能在短时间内显著降低细胞ATP水平。相反,某些早期细胞死亡形式可能暂时保持相对较高的ATP水平。
尽管在镉(Cd)毒性评估中表现出更优越的生理相关性,结直肠类器官模型仍存在若干实际局限。与传统的二维(2D)细胞系相比,类器官培养更耗时且成本更高。此外,它们依赖动物来源矩阵,导致批次间变异性,限制了其在大规模高通量毒性筛查中的应用。虽然这些模型非常适合评估重金属对肠道上皮的直接毒理效应,但它们尚未完全取代体内评估系统毒性或复杂毒性动学过程的体内模型。
本研究以人类结直肠组织为原料,分离结直肠干细胞并在体外建立COs。类器官暴露于镉的浓度和暴露时间各异。随后使用多模微板读取器以发光检测模式测量发光。细胞存活率或IC50值通过特定微板读器操作软件计算和可视化。
该实验已获得苏州职业健康学院伦理委员会批准(批准号为SWYXLL202516)并按照医学伦理标准进行。本研究的所有受试者均提供了书面知情同意。
1. 人类结直肠组织的分离及CO的建立
2. 暴露于镜的CO的敏感性测定
3. 添加发光活性试剂
4. 发光可行性试剂测量
5. 数据处理与分析
人类CO的建立
我们成功从组织样本中分离出结直肠骨髓结构,在低倍和高倍显微镜下均清晰观察到典型的骨髓形态。在体外培养过程中,孤立的窝穴逐渐扩展,并表现出有序的形态成熟过程(图1A,B)。到培养第3天和第6天,结构完整的结直肠类器官已形成,主要表现出球形或早期芽状结构(见图1C,D)。
CO对镉暴露的敏感性
CO被植入96孔板中,再培养5天,随后用0、5、10、20和40微米浓度的镉处理。暴露72小时后,进行了基于ATP的发光测定以测量相对发光单位(RLU),并对数据进行了分析和可视化。结果显示,镉浓度增加时类器官存活率会显著下降(见图2A)。暴露于10微米、20微米和40微米镉的CO表现出显著降低的RLU值(见图2B)。暴露于5 μM Cd的结直肠类器官中未见显著毒性。与存活性数据一致,形态分析显示镉处理的结直肠类器官结构发生显著变化,包括类器官尺寸减小、上皮结构严重破坏及结构逐渐破碎(见图2C)。这些发现表明结直肠类器官对镉诱导的细胞毒性高度敏感。

图1:人类结直肠窝的分离及结直肠类器官培养的建立。 (A) 具有代表性的人类结直肠窝影像。(10×)。(B)单一地下室的高倍放大视图(20×)。(C)CO在培养3天后的代表性图像(4×)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:Cd诱导的细胞毒性和形态变化。 (A)暴露于不同浓度镉的CO的相对剂量-响应曲线。横轴表示镉浓度,纵轴表示类器官的相对存活性。(b) 经过不同浓度镉处理后CO的相对RLU值。X轴表示镉浓度,Y轴表示相对RLU值。单向方差分析 *P < 0.05,**P < 0.01,***P < 0.001,****P < 0.0001。(C)未处理(0 μM)和Cd处理CO在5 μM、10 μM、20μM、40μM下的代表性明场图像。 请点击此处查看该图的更大版本。
补充图1:使用特定微板读卡器操作软件的详细16步RLU检测工作流程。 (A) 软件图标。(B) 软件启动接口。(C)设置菜单。(D)分析选择界面。(E) 盘式配置菜单。(F)默认车牌布局。(G)根据实验板布局配置井位。(H)正在加载微型板。(I)仪器启动RLU测量。(J) 数据导出。请点击这里下载此文件。
补充图2:数据导出后,统计数据分析软件中进行数据处理和统计分析。 (A) 主屏幕。(B) 数据录入表。(C) 分析对话。(D) 分析参数菜单。(E) 非线性回归配置菜单。(F) 文件选项菜单。(G) 数据导出对话框。请点击这里下载此文件。
本研究建立了一套标准化的镉暴露和ATP存活率测定方案,利用CO评估镉对类器官存活性的影响。该方案特别优化类器官解离和96孔板化步骤,以增强实验重现性和后续ATP测定读数的稳定性。尽管当前实验方案主要聚焦于建立用于评估镉毒性的三维结直肠癌类器官模型,但大量研究表明,传统的二维细胞培养与三维类器官模型在药物反应、细胞间相互作用、组织结构和毒理学特征上存在显著差异。与二维单层相比,类器官更忠实地复现肿瘤的空间结构、细胞异质性以及体内类似微环境,具有更优越的生理相关性。由于缺乏复杂的细胞间和细胞-细胞外基质(ECM)相互作用,二维培养对重金属暴露的反应可能无法准确捕捉真实的体内毒理过程16。相反,本研究建立的CO模型有效模拟肿瘤组织的三维生长动态,为评估Cd诱导毒性提供了高度生理相关的平台。
类器官传递过程中,解离时间严格保持在约10分钟。这种优化防止了不完全解离导致细胞聚集过大的情况,同时避免了过度解离导致单细胞过多的情况。通过精确控制解离程度,我们获得了相对均匀的类器官结构,提升了后续药物治疗和ATP存活率检测的一致性。
我们采用了高通量96孔培养系统,并将基底膜基质板容量标准化为每孔6微升。这种标准化通过确保所有井间器官密度和生长特性一致,最大限度地减少了井间变异性,最终提高了实验重现性和数据可比性。通过结合ATP发光测定与使用统计数据分析软件的剂量-反应曲线分析,我们实现了镉暴露后类器官存活能力变化的稳健定量评估。总体而言,本研究建立了一套高度可重复的类器官模型在环境毒理学和重金属暴露应用的实验方案。
在COs培养过程中,将隐穴沉淀与基底膜基质彻底混合,是确保COs正常形成和稳定生长的关键步骤。基底膜基质的比例应保持在70%以上(基底膜基质体积>70%)。推荐的基底膜基质体积为:96孔板每孔6微升,48孔板每孔20微升,24孔板每孔25微升。基质聚合后,向孔中增加以下体积:96孔板每孔100微升,48孔板每孔300微升,24孔板每孔500微升。应避免将培养基直接移液到基底膜基体穹顶上,因为这可能破坏三维结构。为保持表型和遗传稳定性,本研究限制结直肠类器官的使用最多为4次。
当隐穴或CO直径达到约600微米或出现变暗和生长停滞时,应及时进行传代,以便后续的敏感性分析。在酶解过程中,消化过程应在显微镜下监测。如果CO未充分解离为小细胞簇或单细胞,消化时间可根据类器官大小和解离状态逐渐延长。应避免一次性长时间消化,以最大限度减少过度消化和细胞存活能力丧失的风险。
用以下公式计算每口井的相对可行性,并以重复井的平均百分比作为每个浓度的响应值

ATP生物发光测定法基于萤火虫荧光素催化的D-荧光素氧化,从而产生光子发射。由于其高灵敏度、兼容基于板的高通量格式以及标准化的商业试剂盒,该方法已被广泛应用于类器官模型17的初步毒性筛查。
必须考虑几个混杂因素。某些化学物质可能通过化学干扰或酶抑制直接抑制荧光素酶酶反应,导致信号熄灭。三维细胞外基质的背景发光、类器官尺寸和密度的异质性,以及不完全的裂解过程,都可能带来显著的孔间和批次间变异性。仅凭ATP发光无法准确区分细胞死亡的模式,也无法阐明其潜在的毒理学机制18。
为提升方法学可靠性,建议采用系统性的质量控制措施。使用制造商推荐或已验证的裂解缓冲液,并在必要时延长裂解时间、机械解离或冻融循环,以提高基质内细胞裂解效率。其次,在测定优化过程中进行ATP尖突回复原实验,以评估测试化合物或裂解环境对发光反应的直接抑制潜力。第三,利用ATP标准曲线确认线性检测范围,并严格控制试剂添加、培养和板读数之间的时间,以最大限度减少技术变异。最后,在每个检测中包含空白对照、载对照和负对照,并纳入足够的技术重复样本,以评估和校正边缘效应及批次相关变异。近年来,开发出多种类器官优化的可存活性检测方法,其裂解化学效果更好且信号稳定性增强,这些配方在三维毒性测定中普遍表现出优异性能19。总之,本研究采用人类CO作为环境重金属毒理学的体外模型,建立了一种高通量、灵敏的ATP生物发光检测法,以评估类器官对镉暴露的敏感性。本研究为类器官研究系统中的毒性评估提供了实用的实验参考和方法指导。
作者声明不存在利益冲突。
所有作者都对这项工作做出了充分贡献,并同意对所有方面负责。江苏省高教院创新科技研究团队(2021年)、江苏省职业学院工程技术研究中心项目(2023年)、江苏省慢性病预防控制关键技术开发与转化工程研究中心(2024年)、江苏省肿瘤学分子靶向治疗与伴随诊断工程研究中心项目(SGK2202506年), 苏州人民生计技术项目项目(资助编号:SYWD2024099)、中国江苏省高等院校自然科学重点基金会(拨款号24KJA310008)、苏州职业健康学院项目(拨款号szwzy202406、拨款号szwzy202304、szwzy202320和szwzy202308)。中国江苏省青兰项目(2025年)。苏州应用基础研究(医卫)科技创新项目 / 苏州应用基础研究(医卫)青年项目(SYW2024185)
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100 μm cell strainer | BIOLOGIX | 15-1100 | |
| 15 mL centrifuge tubes | BIOFIL | CFT011150 | |
| 1mL pipette tips | 浙江百迪生物科技有限公司 | H808633 | |
| 200 μL pipette tips | 浙江百迪生物科技有限公司 | H808214 | |
| 24-well plates | 康宁公司 | 3524 | |
| 50 mL centrifuge tubes | CLUXCELL | 321050 | |
| 96-well plates | 康宁公司 | 220400 | |
| BioTek Cytation 5 | BioTek 公司 | 16280004 | 特定微孔板阅读器的操作软件。 |
| Cadmium chloride,10g | Sigma | 202908-10G | |
| Cell Counting-Lite 3D Luminescent Cell Viability Assay | Vazyme | DD1102-01/02/03 | 1:1体积比的发光活力试剂。 |
| Human Colonic organoid Kit Plus(Expansion) | Mogenel Biotechnology | MA-0817HOO1HLP | |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium | thermo fisher | 6125552 | |
| Forceps | 北京博莱生物科技有限公司 | FS019 | |
| Ice box | 北京博莱生物科技有限公司 | FBX078 | |
| Low-temperature high-speed centrifuge | 安徽中科中嘉科仪器有限公司 | KDC-40 | |
| Matrigel | Mogenel Biotechnology | 82755 | 基底膜基质 |
| Organoid Dissociation Solution | Mogenel Biotechnology | MB-0818L01L | Organoid Dissociation Solution |
| Penicillin-Streptomycin | 北京博莱生物科技有限公司 | C0222 | |
| Phosphate-buffered saline (1XPBS) | Fdbio 科学生物科技有限公司 | FD7032 | |
| Pipettes | RUINING | Pipet-Lite XLS | |
| GraphPad Prism 8.0 | GraphPad 软件 | 特定微孔板阅读器的操作软件。 | |
| Scissors | 北京博莱生物科技有限公司 | FS001 | |
| Tissue Digestion Solution | Mogenel Biotechnology | MB-0818L06L/MB-0818L06S |
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