本研究展示了利用掺杂Cy5.5染料的二氧化硅纳米颗粒进行ex vivo标记以诱导子宫内膜异位症,从而实现对子宫内膜异位病灶的荧光可视化,且无需进行基因操作。
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本研究展示了利用掺杂Cy5.5染料的二氧化硅纳米颗粒进行ex vivo标记以诱导子宫内膜异位症,从而实现对子宫内膜异位病灶的荧光可视化,且无需进行基因操作。
子宫内膜异位症是一种常见的妇科疾病,其特征是子宫腔外出现类似子宫内膜的组织,导致慢性炎症、盆腔疼痛和不孕。可靠的动物小鼠模型对于研究该疾病发生与进展过程中的分子、激素、免疫及环境机制至关重要。传统识别子宫内膜异位病灶的方法通常依赖于基因工程荧光报告小鼠,而这类小鼠的制备耗时且成本高昂。本文介绍一种简单、非遗传性的方法,通过在移植前使用掺杂Cy5.5的二氧化硅纳米颗粒对供体子宫组织碎片进行体外(ex vivo)标记,从而在小鼠体内诱导并可视化子宫内膜异位症。该纳米颗粒具有优良的理化特性、高荧光稳定性以及极低的细胞毒性,可高效标记子宫组织,且不影响后续实验操作。将标记后的组织移植至受体小鼠腹腔内后,可通过荧光成像清晰区分Cy5.5标记的子宫内膜异位病灶与周围宿主组织。本实验方案提供了一种可重复且灵活的病灶可视化与追踪方法,有助于开展子宫内膜异位症发病机制的研究,并可用于诊断与治疗策略的临床前评估,而无需进行基因操作。
子宫内膜异位症是一种常见的妇科疾病,其特征是子宫内膜衬里细胞在子宫外生长。由此形成的子宫内膜异位病灶会导致慢性炎症状态1,患病女性常出现盆腔疼痛和不孕2。子宫内膜间质细胞和上皮细胞的功能障碍会促进子宫内膜异位病灶的存活与发展3,4,5,6。仅在美国,约有11%的女性受此常见疾病影响。它是导致不孕和盆腔疼痛的主要原因7,而在患有慢性盆腔疼痛和不孕的女性中,其患病率上升至50%–60%8,9,10,11,12,13。在美国,每年用于诊断和治疗子宫内膜异位症的费用估计超过220亿美元14,15。目前的治疗方法包括手术切除病灶或诱导低雌激素状态。然而,术后复发较为常见,且现有疗法常无效9,16。诊断通常只能通过手术直视观察并结合组织学验证来确立17,18。此外,子宫内膜异位症经常被漏诊或误诊,诊断延迟可达9–11年19,20。这种延迟给患者及医疗系统带来了沉重的情感和经济负担20,21。因此,迫切需要开发用于子宫内膜异位症诊断和治疗的无创方法。
体外 模型推动了子宫内膜异位症的研究进展,但其在全面模拟疾病复杂性方面仍存在局限。主要挑战在于子宫内膜异位症的多因素特性,该特性涉及激素、炎症、免疫细胞、神经以及动态三维微环境中多种细胞类型之间的复杂相互作用。此外, 体外 系统无法捕捉卵巢类固醇激素的自然波动,限制了对疾病对生殖道影响的研究能力21,22,23因此,利用完整小鼠构建的诱导性子宫内膜异位症模型为研究免疫系统在其中的独立作用及相互作用提供了一个多功能平台。24,激素25,26以及环境因素27,28 在子宫内膜异位症发生及其对生殖道影响中的作用29此外,利用转基因小鼠模型(在这些模型中,子宫内膜中的特定基因被选择性地敲除或过表达),研究人员能够阐明不同分子通路在子宫内膜异位症发生和发展中的作用。然而,准确区分子宫内膜异位病灶与周围宿主组织仍然是一个重大的技术挑战。
染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒是用于细胞追踪和生物成像的多功能且稳定的探针。其合成简单,具有高分散性、光稳定性、生物相容性,并能高效地标记细胞30,31二氧化硅骨架可稳定基质内的疏水性荧光团,使其成为高效、高量子产率(QY)的荧光分子探针。多年来,此类荧光二氧化硅纳米颗粒因其高亮度和耐久性而被广泛应用 离体 移植前对细胞和组织结构的标记及后续成像 体内32,33,34,35在此,我们描述了一种在小鼠中诱导子宫内膜异位症的详细步骤 离体 使用Cy5.5染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒进行标记,方法参见之前发表的研究35,使其可作为病灶追踪的稳定成像标志物。
所有动物实验程序均经密苏里大学机构动物护理与使用委员会(IACUC)批准(方案编号:65323),并依照该机构指南及适用于实验动物护理与使用的相关国家法规进行。
1. Cy5.5-APTES 偶联物的制备
2. Cy5.5 染料掺杂二氧化硅纳米颗粒的合成
3. 纯化与分散
4. 使用子宫内膜异位症诱导 离体 使用Cy5.5染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒进行标记
染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒可作为细胞标记应用中的成像探针。Cy5.5染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒(Cy5.5-SiNPs)通过溶胶-凝胶法分两步合成,并利用硅烷化学法将荧光氰基染料Cy5.5进行功能化修饰(图1)。透射电子显微镜(TEM)显示,所获得的纳米颗粒呈均匀球形,直径为156.67 ± 15.23 nm(图1A)。动态光散射(DLS)结果表明,所合成的纳米颗粒(SiNPs和Cy5.5-SiNPs)具有良好的胶体稳定性,其流体动力学直径(Hd)分别为130.67 ± 3.20 nm(PDI = 0.152 ± 0.009)和185.9 ± 5.44 nm(PDI = 0.14 ± 0.009)(图1B)。裸SiNPs和Cy5.5-SiNPs的Zeta电位分别为−32.39 ± 3.55 mV和−50.53 ± 2.47 mV(图1C)。光致发光光谱(激发波长 = 680 nm;发射波长 = 710 nm)证实了Cy5.5成功掺入二氧化硅纳米颗粒中,Cy5.5-SiNPs表现出特征性荧光(图1D)。染料成功偶联的结果进一步通过光致发光光谱得到验证。此外,Cy5.5-SiNPs的量子产率(QY)(φ = 0.31)与游离Cy5.5染料(φ = 0.23)相当36。
为评估纳米颗粒的生物相容性,将12Z子宫内膜上皮细胞在DMEM培养基中与Cy5.5-SiNPs共同孵育过夜,条件为37 °C、5% CO₂。通过MTT法检测细胞活力,纳米颗粒处理浓度分别为0、0.5、1、2.5、5和10 µg/mL(图1E)。结果显示,在浓度高达10 µg/mL时未观察到细胞毒性。在5 µg/mL Cy5.5-SiNPs处理的细胞中,纳米颗粒被高效摄取,荧光显微镜显示颗粒定位于核周区域(图1F)。相比之下,未处理的对照组细胞中未检测到Cy5.5荧光信号。所制备的Cy5.5-SiNPs还表现出良好的水相稳定性,在去离子水中流体动力学直径为170–190 nm,并且荧光强度在7天内保持稳定,分别通过DLS和荧光成像测定(图1G,H)。
为了确定Cy5.5染料掺杂二氧化硅纳米颗粒的适用性 离体 组织标记后,在诱导子宫内膜异位症前验证了其荧光特性。IVIS成像显示纳米颗粒悬液具有强烈的荧光发射信号,而仅含水的阴性对照组未检测到可识别的荧光信号,证实了Cy5.5荧光检测的特异性和灵敏度(图2).
浓度和孵育时间对于 离体 随后优化了子宫组织碎片的标记条件。将子宫组织碎片与20%(v/v)Cy5.5染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒在37 °C下孵育3小时后,可检测到荧光信号。 37 °C 5% CO₂条件下235IVIS 成像证实,标记的组织碎片显示出强且稳定的荧光信号。这些结果表明,Cy5.5 染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒能够在无需基因修饰的情况下高效地标记子宫组织碎片图3).
随后评估了掺杂Cy5.5染料的二氧化硅纳米颗粒标记的子宫组织碎片诱导子宫内膜异位症并促进病灶识别的能力35。将标记的组织碎片注射到受体小鼠的腹腔内,并持续监测疾病进展达一个月。在实验终点时,可在腹腔内轻易识别出子宫内膜异位病灶。通过IVIS成像和荧光显微镜,Cy5.5阳性病灶可被清晰地与周围宿主组织区分开来,从而实现快速且明确的病灶识别。病灶内的Cy5.5荧光信号进一步通过荧光显微镜得到确认。
这些结果表明 离体 使用掺杂Cy5.5染料的二氧化硅纳米颗粒进行标记可有效支持子宫内膜异位症的成功诱导,并实现对子宫内膜异位病灶的可靠可视化 体内 (图4).

图1:Cy5.5染料掺杂二氧化硅纳米颗粒(Cy5.5-SiNPs)的物理表征。(A)Cy5.5-SiNPs的代表性透射电子显微镜(TEM)图像。颗粒直径 = 156.67 ± 15.23 nm。比例尺 = 100 nm。(B)二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)(130.67 ± 3.20 nm,PDI = 0.152 ± 0.009)和Cy5.5-SiNPs(185.9 ± 5.44 nm,PDI = 0.14 ± 0.009)的动态光散射(DLS)测量结果,用于测定其流体动力学直径。(C)SiNPs(−32.39 ± 3.55 mV)和Cy5.5-SiNPs(−50.53 ± 2.47 mV)的zeta电位测量结果,显示Cy5.5偶联后zeta电位降低。(D)Cy5.5-SiNPs的荧光谱图(激发波长 = 680 nm;发射波长 = 710 nm)。插图:分散在水中的Cy5.5-SiNPs的明场与荧光图像。(E)用浓度为0、0.5、1、2.5、5和10 µg/mL的Cy5.5-SiNPs处理12Z细胞后的MTT细胞活力检测结果。(F)12Z细胞对Cy5.5-SiNPs的细胞摄取情况。细胞经PBS(对照)或Cy5.5-SiNPs处理。蓝色 = DAPI;红色 = Cy5.5-SiNPs。比例尺 = 200 µm。(G)Cy5.5-SiNPs在水中储存7天后的尺寸稳定性,结果显示流体动力学直径无显著变化。(H)Cy5.5-SiNPs在水中储存7天后的荧光稳定性,结果显示荧光强度无显著变化。插图:第1、3、6天获取的代表性荧光图像。NS = 无显著性差异。数据以均值 ± 标准差表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:Cy5.5染料掺杂二氧化硅纳米颗粒的验证。(A)Cy5.5染料掺杂二氧化硅纳米颗粒的代表性图像。(B)使用IVIS成像检测Cy5.5染料掺杂二氧化硅纳米颗粒的Cy5.5荧光信号。请点击此处查看该图的放大版本。

图3: 离体 用Cy5.5染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒标记子宫组织碎片 左侧面板显示未经处理的对照组子宫组织碎片,右侧面板显示用Cy5.5染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒标记的子宫组织碎片。采用IVIS成像系统检测Cy5.5荧光。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 4:利用 Cy5.5 染料掺杂二氧化硅纳米颗粒标记子宫内膜异位病灶的检测。 (A)腹腔的 IVIS 成像。 (B)Cy5.5 标记的子宫内膜异位病灶的荧光显微成像,可在腹腔内清晰识别病灶。 (C)子宫内膜异位病灶的代表性荧光显微图像。黄色荧光表示 Cy5.5 信号,细胞核经 DAPI 复染。 (D)子宫内膜异位病灶的代表性图像。箭头指示 Cy5.5 染料掺杂的二氧化硅纳米颗粒。 请点击此处查看该图的放大版本。
本研究介绍了一种基于Cy5.5染料掺杂二氧化硅纳米颗粒的方法,作为在小鼠模型中可视化子宫内膜异位病灶的一种实用且高效的技术35。该策略具有多项优势,包括操作简便、灵活性高以及非基因改造特性,无需构建转基因报告动物。与传统的可视化方法(如荧光报告小鼠模型)相比,该方法在保持高效标记能力的同时降低了技术复杂性,从而提高了子宫内膜异位症研究的可及性。此外,二氧化硅纳米颗粒为荧光染料的掺入及其在组织内的有效滞留提供了稳定的平台,有助于实现可重复的病灶识别。
在小鼠模型中,区分子宫内膜异位病灶与周围宿主组织对于研究疾病的发生和进展至关重要。Rosa26mTmG 报告小鼠普遍表达一种靶向细胞膜的串联二聚体番茄荧光蛋白(mT),在Cre介导的特异性靶组织重组后,该蛋白会转化为靶向细胞膜的绿色荧光蛋白(mG)37。尽管已有多种转基因小鼠模型可用于研究子宫内膜异位症中的基因功能,但构建荧光报告动物模型费时费力。相比之下,使用掺杂Cy5.5染料的二氧化硅纳米颗粒进行ex vivo标记,为病灶可视化提供了一种快速、灵活且非遗传性的替代方法,同时可与多种现有小鼠模型兼容。
成功实施本方案取决于对多个关键实验参数的严格控制。在纳米颗粒合成过程中,催化剂浓度、溶剂组成、TEOS加入速率、混合条件以及洗涤效率直接影响颗粒大小、荧光强度和标记的可重复性。Stöber法提供了一种简单、可扩展且可重复的方法,用于合成荧光二氧化硅纳米颗粒,能够精确调控颗粒尺寸并实现染料的稳定掺入38,39,40,41。与反相微乳液法相比,Stöber法在温和反应条件下减少了与表面活性剂相关的纯化难题,同时保持了Cy5.5的荧光性能39,40,41,42。提高催化剂浓度通常会增大颗粒尺寸40,而加快TEOS的加入速率则促进成核,从而形成更小的颗粒41。充分洗涤对于去除未反应的试剂并在储存期间提高纳米颗粒的稳定性至关重要。
多个其他因素对于实现可重复性至关重要 离体 组织标记与病灶建立。统一的子宫组织碎片大小、均匀的纳米颗粒分散以及一致的孵育条件可提高标记效率并减少实验变异。同时处理未标记的对照组织对于区分真实的Cy5.5荧光与组织自发荧光及非特异性背景信号至关重要。在病灶诱导过程中,对供体小鼠进行一致的激素预处理、轻柔植入标记的组织碎片以及适当的术后护理,可最大限度减少组织损伤和非特异性炎症,从而提高病灶形成的可重复性。
尽管具有这些优势,但仍需考虑一些局限性。荧光信号的持续性和稳定性 体内 由于组织重塑、细胞增殖和免疫介导的清除作用,植入后信号可能发生变化。作为一种外源性荧光标记,Cy5.5信号会随着标记细胞的分裂而逐渐减弱,这可能限制长期纵向研究的可行性。此外,组织制备和纳米颗粒摄取的差异可能影响不同实验间的标记效率,凸显了标准化实验操作的重要性。
尽管本研究重点在于ex vivo病变检测,Cy5.5 是一种远红光/近红外(NIR)荧光染料,可最大限度减少组织自发荧光,并实现光子的更深穿透。这些光学特性使 Cy5.5 非常适用于in vivo成像应用。因此,高量子产率的 Cy5.5 染料掺杂二氧化硅纳米颗粒标记策略,为利用近红外荧光和光声成像进行无创、长期的病变追踪提供了可靠的平台43,44。
未来的研究应着重于提高荧光的持久性,并进一步优化不同实验条件下标记的一致性。对信号保留能力的系统性评估将有助于确定纵向研究的最佳成像时间窗口,而持续改进纳米颗粒的设计和标记条件可能提高检测灵敏度,并扩展该方法在其他疾病模型中的应用。总体而言,这种基于纳米颗粒的策略为可视化子宫内膜异位病灶提供了一种快速、可重复且多功能的替代方案,相较于基因标记方法,该策略将有助于机制研究以及诊断和治疗策略的临床前评估。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由尤妮斯·肯尼迪·施莱佛国家儿童健康与人类发展研究所(NICHD)(R01HD108895,资助编号授予T.K.和J.W.J.)提供支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷 (APTES) | Sigma-Aldrich | 440140 | 纯度 ≥99% |
| 17β-雌二醇 | MilliporeSigma | E8875 | 纯度 ≥98% |
| 氢氧化铵 | Fisher Scientific | A669S-500 | 28% 氢氧化铵溶液 |
| BD Autoclip 伤口闭合系统 | BD | 427631 | 外科伤口夹 |
| 透明玻璃螺口小瓶 | Fisherbrand | FS60910A-3 | 11.1 mL 透明玻璃小瓶 |
| 氰基5.5 NHS酯 | Sigma-Aldrich | GEPA15502 | 近红外荧光染料 |
| 无水乙醇 | Fisher Scientific | BP2818 | 分子生物学级 |
| 胎牛血清 (FBS) | Gibco | 16000044 | 细胞培养添加剂 |
| 高速离心机 | Beckman Coulter Life Sciences | Avanti J-E | 高速离心机 |
| 活体成像系统 | PerkinElmer | IVIS Spectrum | 荧光成像系统 |
| 异氟烷 | Baxter | NDC1001-9-360-60 | 吸入性麻醉剂 |
| 磁力搅拌子 | Fisherbrand | 14-513-64 | 8 mm |
| 磁力搅拌板 | Chelmsford | SP88854200 | 可调速磁力搅拌器 |
| 冷冻离心机 | Eppendorf | 5427 R | 配备 FA-45-48-11 转子 |
| RPMI-1640 培养基 | Gibco | 11835-030 | 细胞培养基 |
| 芝麻油 | MilliporeSigma | S3547 | 雌二醇配制用溶剂 |
| 正硅酸四乙酯 (TEOS) | Sigma-Aldrich | 86578 | 纯度 ≥99% |
| 三乙胺 (TEA) | Sigma-Aldrich | T0886 | 纯度 ≥99% |
| 超声波清洗仪 | Fisherbrand | CPX1800H | 用于纳米颗粒的超声分散 |
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