Name: 小鼠模型肠组织工程 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-12-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
Description: 了解小鼠肠组织工程技术，使用类器官单位-支架方法构建工程化小肠。该方案为再生医学和疾病建模研究提供可靠平台，有助于深入理解肠道发育机制。

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Tracy C. Grikscheit、Erik R. Barthel 和 Frédéric G. Sala 获加利福尼亚再生医学研究所（CIRM）资助，资助编号为 RN2-00946-1（TCG）和 TG2-01168（ERB、FGS）。Allison L. Speer 是大学外科医师学会 Ethicon 学者。Yashuhiro Torashima 由洛杉矶儿童医院 Saban 研究所研究职业发展奖学金资助。

1. 类器官单位的制备
<ol>
 <li>用于小鼠解剖的器械（剪刀和镊子）应通过高压灭菌器进行灭菌。</li>
 <li>根据当地IACUC规程人道处死供体小鼠。确保动物已死亡后再进行后续操作。</li>
 <li>沿中线做切口以进入腹腔。可根据需要翻转皮瓣以改善暴露视野。</li>
 <li>取出小肠并将其在屈氏韧带远端稍远处切断。使用锐性与轻柔的钝性分离法将小肠与其系膜分离。辨认回盲部连接处，并在此处近端5 mm位置切断小肠。</li>
 <li>用剪刀在含有10 ml 4 °C无菌Hanks平衡盐溶液（HBSS, Invitrogen, Carlsbad CA）/1X抗生素-抗真菌剂（Anti-Anti, Invitrogen）的培养皿中沿对系膜缘纵向切开肠道。通过轻柔振荡清除肠腔内的粪便物质，然后将打开的肠道转移至含有10 ml 4 °C无菌HBSS / 1X Anti-Anti的15 ml离心管中。</li>
 <li>在试管中用10 ml 4 °C无菌HBSS / 1X Anti-Anti对打开的肠道清洗三次，每次清洗可通过轻轻振荡15 ml离心管30秒完成。振荡后，肠组织会沉降至管底。弃去漂浮物（即间充质碎片），并用移液器小心移除洗涤液。</li>
 <li>在含有10 ml 4 °C无菌HBSS / 1X Anti-Anti的培养皿中，用剪刀将清洗后的肠道剪切成小于1 mm²的小块。使用自动移液器收集剪碎的组织，并将其转移至试管中。</li>
 <li>以500 rpm离心8分钟。弃去上清液（其中含有脂肪和间充质成分）。</li>
 <li>用10 ml无菌HBSS / 1X Anti-Anti，加入0.125 mg/ml分散酶（dispase, Invitrogen）和800 单位/ml I型胶原酶（collagenase type 1, Worthington, Lakewood NJ）消化剪碎并清洗过的组织。配制40 ml消化液时，称取5 mg分散酶和142 mg胶原酶，加无菌HBSS定容至40 ml。每次制备类器官单位时均需新鲜配制该溶液，并在使用前保持于4 °C。将消化液直接加入第1.8步所得沉淀中。</li>
 <li>将含有剪碎组织和消化液的试管在37 °C孵育20分钟。</li>
 <li>取出试管，使用10 ml移液器反复吹打20至50次，进一步破坏消化后的组织，直至获得均匀的悬液。</li>
 <li>以800 rpm离心5分钟。弃去上清液（其中含有单个细胞）。</li>
 <li>加入10 ml 4 °C无菌DMEM（Dulbecco改良Eagle培养基, Invitrogen）并添加10% v/v热灭活胎牛血清（HI-FBS, Invitrogen）以终止消化反应。重悬沉淀并轻轻振荡试管。</li>
 <li>以800 rpm离心5分钟。用自动移液器小心吸除上清液，直至最后几滴。最后少量液体使用一次性塑料移液器移除，以避免重新悬浮沉淀。</li>
</ol>
2. 聚乙醇酸支架的加载
<ol>
 <li>制备长2 mm、外径5 mm的圆柱形支架，采用无纺聚乙醇酸材料（片材厚度2 mm，体密度60 mg cm⁻³，孔隙率 &gt; 95%，Concordia Fibers，Coventry RI）如参考文献4所述。 </li>
 <li>用经70%乙醇水溶液处理过的剪刀，修剪一次性1,000微升移液器吸头的远端2毫米。 </li>
 <li>将支架放入4孔培养板中。使用1,000微升移液器将类器官单元接种到支架上，先注入管腔内，再接种至外表面。用镊子确保管腔内壁被充分覆盖。注意不要破坏或折断聚合物的圆柱形结构。 </li>
</ol>
3. 植入宿主小鼠
<ol>
 <li>若可获得，应使用与供体小鼠遗传背景相同的同源宿主小鼠；否则，采用免疫缺陷型非肥胖糖尿病/重度联合免疫缺陷（NOD/SCID）小鼠（Jackson Laboratories, Sacramento CA）。</li>
 <li>使用异氟烷诱导全身麻醉。剃除小鼠腹部毛发，进行术前消毒并铺巾。 </li>
 <li>沿中线做5 mm切口，进入腹腔。辨认大网膜并小心将其移出腹腔外。将装载有聚合物的材料置于大网膜上，并用组织包裹。切勿撕裂大网膜。</li>
 <li>用5-0单丝缝线将聚合物固定于大网膜。轻柔地将包裹聚合物的大网膜复位至其解剖位置。</li>
 <li>逐层使用4-0薇乔缝线关闭腹部切口。缝合肌肉层时采用连续缝合，注意避免损伤切口下方的腹腔内脏器。皮肤采用间断缝合。</li>
 <li>术后镇痛使用2 mg/kg的酮洛芬（Ketofen，Fort Dodge Animal Health）溶于无菌水，于切口附近皮下注射形成皮丘。动物应每天评估，若出现疼痛或痛苦迹象，可在术后第2天追加一次酮洛芬剂量。至术后第3天，动物应完全恢复，无疼痛或痛苦表现。若术后第3天仍持续存在疼痛或痛苦，视为异常情况，应根据IACUC及动物护理机构的规程进行处理。 </li>
 <li>让小鼠恢复并使组织工程化肠道生长四周。在此期间给予动物 随意 可自由获取啮齿类动物饲料（Lab Diet 5001，PMI Nutrition，St. Louis，MO）和水，水中加入复方新诺明（Septra 200 mg / 40 mg / 5 ml，Hi-Tech Pharmacal，Amityville，NY），按1:100稀释。 </li>
</ol>
4. 收获
<ol>
 <li>植入后四周，人道处死宿主动物。</li>
 <li>重新打开原切口，将皮肤向头侧翻起，以方便进入腹腔。</li>
 <li>切开肌层，识别组织工程构建物为一团组织。</li>
 <li>使用锐性分离法解除腹腔内脏器与构建物之间的粘连。</li>
 <li>将构建物用福尔马林固定，用于后续石蜡包埋，或直接使用新鲜组织进行生化检测，如实时PCR或蛋白质提取。</li>
</ol>

<ol><li>Grikscheit, T. C., Siddique, A., Ochoa, E. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue-engineered+small+intestine+improves+recovery+after+massive+small+bowel+resection%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Surg%22%5BJournal%5D)">Tissue-engineered small intestine improves recovery after massive small bowel resection.</a> Ann. Surg. 240, 748-754 (2004).</li>
<li>Wales, P. W., Christison-Lagay, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Short+bowel+syndrome%3A+epidemiology+and+etiology%5BTitle%5D)+AND+%22Sem.+Ped.+Surg%22%5BJournal%5D)">Short bowel syndrome: epidemiology and etiology.</a> Sem. Ped. Surg. 19, 3-9 (2010).</li>
<li>Evans, G. S., Flint, N., Somers, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+development+of+a+method+for+the+preparation+of+rat+intestinal+epithelial+cell+primary+cultures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cell+Sci%22%5BJournal%5D)">The development of a method for the preparation of rat intestinal epithelial cell primary cultures.</a> J. Cell Sci. 101, 219-231 (1992).</li>
<li>Sala, F. G., Matthews, J. A., Speer, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multicellular+approach+forms+a+significant+amount+of+tissue-engineered+small+intestine+in+the+mouse%5BTitle%5D)+AND+%22Tiss.+Eng.+Part+A%22%5BJournal%5D)">A multicellular approach forms a significant amount of tissue-engineered small intestine in the mouse.</a> Tiss. Eng. Part A. 17, 1841-1850 (2011).</li>
<li>Speer, A. L., Sala, F. G., Matthews, J. A., Grikscheit, T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Murine+tissue-engineered+stomach+demonstrates+epithelial+differentiation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Surg.+Res%22%5BJournal%5D)">Murine tissue-engineered stomach demonstrates epithelial differentiation.</a> J. Surg. Res. 171, 6-14 (2011).</li>
<li>Haxhija, E. Q., Yang, H., Spencer, A. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intestinal+epithelial+cell+proliferation+is+dependent+on+the+site+of+massive+small+bowel+resection%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr.+Surg.+Int%22%5BJournal%5D)">Intestinal epithelial cell proliferation is dependent on the site of massive small bowel resection.</a> Pediatr. Surg. Int. 23, 379-390 (2007).</li>
<li>Zhao, L., Cheng, Z., Dhall, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+corrective+pullthrough+surgery+in+a+mouse+model+of+Hirschsprung%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Pediatr.+Surg%22%5BJournal%5D)">A novel corrective pullthrough surgery in a mouse model of Hirschsprung's disease.</a> J. Pediatr. Surg. 44, 759-766 (2009).</li>
<li>Petrosyan, M., Guner, Y. S., Williams, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+concepts+regarding+the+pathogenesis+of+necrotizing+enterocolitis%5BTitle%5D)+AND+%22Ped.+Surg.+Int%22%5BJournal%5D)">Current concepts regarding the pathogenesis of necrotizing enterocolitis.</a> Ped. Surg. Int. 25, 309-318 (2009).</li>
<li>Shew, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surgical+concerns+in+malrotation+and+midgut+volvulus%5BTitle%5D)+AND+%22Ped.+Radiol%22%5BJournal%5D)">Surgical concerns in malrotation and midgut volvulus.</a> Ped. Radiol. 39, S167-S171 (2009).</li>
<li>Sampietro, G. M., Corsi, F., Maconi, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prospective+study+of+long-term+results+and+prognostic+factors+after+conservative+surgery+for+small+bowel+Crohn%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Gastroenterol.+Hepatol%22%5BJournal%5D)">Prospective study of long-term results and prognostic factors after conservative surgery for small bowel Crohn's disease.</a> Clin. Gastroenterol. Hepatol. 7, 183-191 (2009).</li>
<li>Klempnauer, J., Grothues, F., Bektas, H., Pichlmayr, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term+results+after+surgery+for+acute+mesenteric+ischemia%5BTitle%5D)+AND+%22Surgery%22%5BJournal%5D)">Long-term results after surgery for acute mesenteric ischemia.</a> Surgery. , 121-239 (1997).</li>
<li>Fitzgibbons, S. C., Jones, B. A., Hull, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+between+biopsy-proven+parenteral+nutrition-associated+liver+fibrosis+and+biochemical+cholestasis+in+children+with+short+bowel+syndrome%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Ped.+Surg%22%5BJournal%5D)">Relationship between biopsy-proven parenteral nutrition-associated liver fibrosis and biochemical cholestasis in children with short bowel syndrome.</a> J. Ped. Surg. 45, 95-99 (2010).</li>
<li>Spencer, A. U., Kovacevich, D., McKinney-Barnett, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pediatric+short+bowel+syndrome%3A+the+cost+of+comprehensive+care%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Clin.+Nutr%22%5BJournal%5D)">Pediatric short bowel syndrome: the cost of comprehensive care.</a> Am. J. Clin. Nutr. 88, 1552-1559 (2008).</li>
<li>Kato, T., Tzakis, A. G., Selvaggi, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intestinal+and+multivisceral+transplantation+in+children%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Surg%22%5BJournal%5D)">Intestinal and multivisceral transplantation in children.</a> Ann. Surg. 243, 756-766 (2006).</li>
<li>Reyes, J., Bueno, J., Kocoshis, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+status+of+intestinal+transplantation+in+children%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Ped.+Surg%22%5BJournal%5D)">Current status of intestinal transplantation in children.</a> J. Ped. Surg. 33, 243-254 (1998).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

我们介绍一种利用类器官单元-支架法在小鼠中制备组织工程化肠道的实验方案。其中最关键的步骤是类器官单元的制备。必须仔细彻底地清洗并进行机械处理组织，但在消化完成后（步骤1.11），同样需格外注意避免过度消化或过度吹打类器官单元。若操作过度，类器官单元可能被分解为单个细胞，这些细胞将在步骤1.12的上清液中丢失，且难以存活并形成组织工程化肠道，因为此时肠道干细胞微环境将无法得以保留。
 小鼠体型较小，直接将组织工程构建物与宿主动物的肠道进行吻合以测试其功能具有挑战性 体内或者，大鼠可作为TESI生长的较大动物模型，有利于 体内 吻合术，且已因该原因完成1然而，小鼠的体型并非不可克服的障碍，已有研究者成功实施了小肠切除及吻合术。6 或肛肠手术，7 在这些动物中。为了解决这些问题，需开展实验以表征我们所构建的组织工程化肠道在体内的功能 体外 时尚领域正在进行中。该技术的其他局限性包括生成组织工程小肠（TESI）的成功率为89%4也就是说，89%...

<table><tbody><tr><td>HBSS</td><td>Gibco</td><td>114170-112</td><td></td></tr><tr><td>抗生素-抗真菌素 100X</td><td>Invitrogen</td><td>15240-062</td><td></td></tr><tr><td>中性蛋白酶（Dispase）</td><td>Gibco</td><td>17105-041</td><td></td></tr><tr><td>Ⅰ型胶原酶</td><td>Worthington</td><td>LS004194</td><td></td></tr><tr><td>高糖 DMEM 1X</td><td>Gibco</td><td>11995-065</td><td></td></tr><tr><td>热灭活胎牛血清（FBS）</td><td>Invitrogen</td><td>16140-071</td><td></td></tr><tr><td>Biofelt 100% PGA</td><td>Concordia Medical</td><td>FELT01-1005</td><td>用于聚合物制备，参见参考文献4</td></tr><tr><td>聚-&lt;em&gt;L&lt;/em&gt;-乳酸</td><td>Durect</td><td>B6002-1</td><td>用于聚合物制备，参见参考文献4</td></tr><tr><td>Ⅰ型胶原蛋白，大鼠尾部来源</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C3867-1VL</td><td>用于聚合物制备，参见参考文献4</td></tr><tr><td>酮洛芬 100 mg/ml</td><td>Fort Dodge Animal Health</td><td>71-KETOI-100-50</td><td></td></tr><tr><td>LabDiet 5001 啮齿类动物饲料</td><td>LabDiet</td><td>5001</td><td></td></tr><tr><td>Septra 200 mg / 40 mg 每 5 ml，USP</td><td>Hi-Tech Pharmacal</td><td>50383-824-16</td><td></td></tr><tr><td>异氟烷，USP</td><td>Phoenix Pharmaceuticals</td><td>57319-507-06</td><td></td></tr></tbody></table>

小鼠模型中肠道的组织工程

Tissue Engineering of the Intestine in a Murine Model

组织工程小肠（TESI）已成功用于挽救接受大段小肠切除术后的Lewis大鼠，使其在40天内恢复至术前体重。1 在人类中，大段小肠切除可导致短肠综合征，这是一种功能性吸收不良状态，伴随显著的发病率、死亡率以及医疗负担，包括依赖肠外营养、肝功能衰竭和肝硬化，以及多脏器移植的需求。2 本文中，我们描述并记录了在小鼠模型中采用“支架上多细胞类器官单元”方法构建组织工程肠的实验方案。类器官单元是由肠道组织来源的多细胞聚集体，包含黏膜和间充质成分，3 二者之间的相互作用可维持肠干细胞微环境的稳定。4 在持续及未来的研究中，将该技术转移至小鼠模型将有助于利用该物种中可用的转基因工具，深入探究TESI形成过程中的相关机制。5 免疫缺陷小鼠品系的可获得性，也将使我们能够将该技术应用于人肠道组织，并在向临床转化之前，通过小鼠异种移植模型优化人源TESI的构建。本方法采用符合良好生产规范（GMP）且已获准用于人体患者的试剂和材料，因此相较于依赖脱细胞动物组织的方法具有显著优势。该技术的最终目标是将其转化为面向人类的再生医学治疗策略，用于治疗短肠综合征。

图1展示了本文所记录方案的整体示意图。该方案的最终结果是形成一种具有腔体、黏膜层、黏膜下层及周围肌层的组织工程小鼠肠道球状或类球形结构。图2A显示了一个典型的球状结构，与起始的聚合物支架进行对比。图2B展示了同一结构被精确地沿中线剖开，以暴露其内部腔体。图3展示了一个典型的成功构建物在培养4周后经苏木精/伊红染色的石蜡包埋横截面。在参考文献4中，我们成功构建组织工程肠道的比例达到89%（44个植入物中成功39个）。
失败的构建物是指未形成黏膜的组织。在收获时仅通过肉眼观察无法判断组织整体在最终的组织学分析中是否含有黏膜。因此，若对新鲜构建组织进行生化检测，应将每个组织球体的一半固定并包埋于石蜡中，用于组织学分析，以确认每个样本中均存在黏膜。失败的构建物在苏木精/伊红染色中仅显示间质和纤维化。
<img src="/files/ftp_upload/4279/4279fig1.jpg" alt=...

本文及随附视频介绍了我们利用类器官单元-支架法在小鼠中生成组织工程化肠道的实验方案。

组织工程小肠（TESI）已成功用于挽救经大段小肠切除后的Lewis大鼠，使其恢复……

本视频将演示我们利用支架上类器官单元的方法在小鼠体内构建组织工程小肠的技术。本实验中，动物的处理遵循机构动物护理与使用委员会以及洛杉矶儿童医院萨沃恩研究所动物护理设施的指导方针。第一步是获取完整的小鼠小肠。用70%乙醇水溶液对安乐死的小鼠和手术器械进行预处理，然后做正中切口以进入腹腔。将小肠取出，并在屈氏韧带远端进行分离。随后通过锐性与钝性分离法将小肠从肠系膜及其血管中剥离。最后，在回盲瓣近端五毫米处横断回肠。图中所示为按比例展示的获取的小肠。接下来，我们在含有一倍抗生素-抗真菌溶液的汉克氏缓冲盐溶液中，沿肠系膜对侧缘纵向切开肠管。随后在培养皿中清除肠道内的粪便物质，再用 HBSS 溶液在试管中重复清洗三次。肠组织会沉入试管底部，而漂浮物为间充质碎片，可弃去。用移液器小心吸除清洗液。随后用剪刀将肠道组织剪碎至小于一平方毫米的碎块。使用自动移液器收集剪碎的组织。此时，剪碎并洗涤后的组织已准备好进行消化处理。消化液含有 DASE 0.125 毫克/毫升和胶原酶 800 单位/毫升，溶于含抗生素抗真菌剂的 HBSS 中。注意消化液与含抗生素抗真菌剂的 HBSS 相比呈棕褐色。该消化液为新鲜配制，向组织碎块中加入 10 毫升。将样品在旋转仪上37摄氏度孵育20分钟。通过移液器反复吹打进一步破坏组织，如图所示。重复吹打20至50次，直至获得均匀的悬液。10 毫升移液器吸头尺寸最为合适。为此，加入3毫升4°C的含10%胎牛血清的DMEM培养基以终止反应。将样品离心10分钟。在500 RPM条件下离心后，弃去上清液，并将沉淀重悬于10毫升含有10%胎牛血清的4°C DMEM洗涤液中。随后以800 RPM离心5分钟，以回收所有组织，仅单细胞保留在上清液（S上清）中并被弃去。沉淀物包含类器官单元，上层较轻的物质由镊子指示，呈腰部样结构。在此层下方，用移液管吸除含血清的DMEM培养基。注意不要将沉淀物吸入移液管中。最后几滴可用一次性塑料移液管更安全地移除。图中所示为本实验所用的聚乙醇酸（PGA）聚合物支架。使用无菌剪刀剪除一次性 1000 微升移液枪头远端的最后两毫米。我们将类器官单元接种于四壁培养板中的聚合物支架上，以最大限度减少材料从支架上扩散。使用移液管将类器官单元先加载到支架的管腔内，然后加载到外表面。使用第二把镊子确保管腔得到充分涂覆，注意不要破坏聚合物的圆柱形结构。当供体为转基因来源时，所用的宿主小鼠为免疫缺陷型非肥胖糖尿病小鼠。重度联合免疫缺陷型γ链缺陷或nod scid γ动物。否则，可植入同源性宿主。诱导全身麻醉后，剃除腹部毛发，进行术前准备并铺巾。做一个0.5厘米的正中切口。识别大网膜并小心地将其取出。将装有聚合物的材料包裹在大网膜内，并用5-0单乔缝线固定。必须注意避免撕裂大网膜，否则细胞可能泄漏到腹膜腔内。将载有细胞的聚合物固定后，把大网膜放回腹腔，并逐层关闭切口。使用4-0薇乔缝线以间断缝合方式关闭腹壁。首先对肌层，然后对皮肤进行术后镇痛，剂量为每千克体重2毫克。将酮洛芬溶于无菌水中，于植入后四周，在切口附近皮下注射形成皮丘。随后，人道处死宿主动物并重新打开原始切口。组织工程构建物呈球形，可被识别，并可能与胃部及腹腔内脏器粘连。粘连组织被锐性分离，获取组织工程化的小肠类固醇结构。图中所示为收获的类固醇结构与起始聚合物的直接对比。在该图像中，已通过锐性切开打开组织工程小肠的管腔，以显露其内部结构。该组织可用于组织学分析的固定，或直接用于各种分子生物学检测，我们已在其他出版物中对此进行了展示。此处显示的是典型的组织工程小肠构建体的低倍苏木精和伊红染色显微照片。左侧箭头指示由肠黏膜衬里的管腔，右侧箭头显示宿主胰腺。已附着于该结构。

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