Dieses Protokoll ermöglicht die Isolierung einer ausreichenden Anzahl primärer Chondrozyten innerhalb von 6-8 Stunden und ermöglicht so weitere eingehende Untersuchungen der Knorpelbiologie und der Mechanismen der Knorpelerkrankung.
Ein Abonnement von JoVE ist erforderlich, um diesen Inhalt anzuzeigen. Melden Sie sich an oder beginnen Sie noch heute mit einer kostenlosen Testphase.
Methodenartikel
Dieses Protokoll ermöglicht die Isolierung einer ausreichenden Anzahl primärer Chondrozyten innerhalb von 6-8 Stunden und ermöglicht so weitere eingehende Untersuchungen der Knorpelbiologie und der Mechanismen der Knorpelerkrankung.
Die Zerstörung des Gelenkknorpels führt zu einer veränderten Chondrozytenaktivität, die ein Hauptursachenfaktor bei einer Vielzahl von Knorpelerkrankungen ist, einschließlich Osteoarthritis (OA) und rheumatoider Arthritis (RA). Als der am häufigsten vorkommende Zelltyp im Knorpel ist eine eingehende Untersuchung der biologischen Eigenschaften von Chondrozyten für die Entwicklung wirksamer Behandlungsstrategien für die Krankheit unerlässlich. Die Isolierung und Kultivierung primärer Chondrozyten liefert wichtiges experimentelles Material für die Erforschung von Knorpelerkrankungen und trägt dazu bei, die Mechanismen der Knorpelverletzung und -reparatur zu entschlüsseln. Dieses Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung der in vitro Isolierungs- und Kultivierungsmethoden für primäre Chondrozyten, die von Mäusen stammen. Durch die Verwendung des optimierten Kollagenase II-Protokolls kann die Isolierung von Chondrozyten für Kniegelenksknorpelproben von Neugeborenen bei Mäusen innerhalb von 8 Stunden abgeschlossen werden. Die Zellausbeute beträgt etwa 1-2 × 10³ Zellen/mg Knorpelgewebe, variierend mit der Gewebefrische und der anfänglichen Zelldichte; Die isolierten Zellen weisen eine Lebensfähigkeit von >90 % auf. Dieses Protokoll verwendet primäre Chondrozyten der Maus als Beispiel und zeigt die morphologischen Eigenschaften und den Adhäsionsstatus von Zellen, die 1, 2 und 5 Tage nach der Isolierung kultiviert wurden. Die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) der reversen Transkription und Western Blotting zeigten, dass die Behandlung mit Interleukin-1β (IL-1β) die Kollagen Typ II Alpha 1 (Col2a1) reduzierte und die Expression der Matrix-Metallopeptidase 13 (Mmp13) erhöhte, was bestätigt, dass isolierte Chondrozyten auf Entzündungsreize reagieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wird bei diesem Protokoll eine höhere Kollagenasekonzentration verwendet, um die Auswirkungen einer verlängerten Isolationszeit auf die Zellviabilität zu reduzieren und gleichzeitig mögliche Zellschäden durch die Trypsinbehandlung zu vermeiden. Die erhaltenen primären Chondrozyten sind rein und lebensfähig und eignen sich für eingehende Studien zu Mechanismen im Zusammenhang mit Knorpelverletzungen, die wichtige Auswirkungen auf die In-vitro-Forschung und die klinische Behandlung von Knorpelerkrankungen haben.
Die Zerstörung des Gelenkknorpels ist eine der Hauptursachen für verschiedene Knorpelerkrankungen wie OA und RA 1,2. Chondrozyten, der vorherrschende Zelltyp im Knorpel, sind essentiell für die Aufrechterhaltung der Homöostase und die Erleichterung der Reparatur als Reaktion auf Verletzungen3. Veränderungen in der Chondrozytenaktivität beeinträchtigen nicht nur die strukturelle Integrität des Knorpels, sondern führen auch zu Entzündungsreaktionen und fortschreitender Gewebedegeneration4. Daher ist eine eingehende Untersuchung der biologischen Eigenschaften von Chondrozyten entscheidend, um die Ätiopathogenese dieser Erkrankungen aufzuklären.
In den letzten Jahren hat die Rolle der Chondrozyten bei Entzündungsreaktionen zunehmend Aufmerksamkeit erhalten. Studien haben gezeigt, dass inflammatorische Zytokine wie IL-1β und Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) die Stoffwechselprozesse von Chondrozyten signifikant beeinträchtigen, was zu einer erhöhten Expression von matrixabbauenden Enzymen und einer verminderten Matrixsynthese führt 5,6,7. Diese Veränderungen führen schließlich zu einer allmählichen Degeneration des Knorpels und zu Gelenkfunktionsstörungen. Daher ist es besonders wichtig geworden, die biologischen Veränderungen von Chondrozyten unter pathologischen Bedingungen in in vitro Modellen zu untersuchen. Aufbauend auf der traditionellen zweidimensionalen (2D) Monolayer-Kultur wurden die jüngsten Fortschritte in der dreidimensionalen (3D) Chondrozytenkultur und Organoid-Technologien zunehmend in der knorpelbezogenen Forschung übernommen. Diese verfeinerten Systeme bieten eine physiologisch relevantere Mikroumgebung und liefern wertvolle Einblicke in das Verhalten von Chondrozyten in Krankheitskontexten8.
Die Auswahl einer Zellquelle entscheidet entscheidend darüber, ob die In-vitro-Befunde die Pathophysiologie der Gelenke genau rekapitulieren. Im Gegensatz zu immortalisierten Chondrozytenlinien oder Knorpelexplantaten behalten primäre Chondrozyten den nativen genetischen Hintergrund, mechanosensitive Calcium-Signalwege und die phänotypische Stabilität des Gelenkknorpels bei, wodurch sie eine überlegene chondrogene Kapazität und biologische Verhaltensweisen aufweisen, die denen der ansässigen Knorpelzellen näher kommen9. Systematische Unterschiede in den Calcium-Signalquellen und den Schlüsselionenkanälen und den nachgeschalteten Signalwegen wurden zwischen primären Chondrozyten und der ATDC5-Zelllinie dokumentiert10. Folglich sollten bei der Untersuchung der Gelenkphysiologie oder -pathologie primäre Chondrozyten priorisiert werden. Daher ist die Optimierung der Isolierung und Kultivierung primärer Chondrozyten unerlässlich, um die krankheitsbezogene Biologie genau zu modellieren und potenzielle therapeutische Medikamente zu erforschen 11,12,13,14,15. Nichtsdestotrotz beeinträchtigen bestehende Methoden die Zellviabilität oder die Integrität des Phänotyps aufgrund einer verlängerten Verdauung16,17.
In dieser Arbeit beschreiben wir ein Protokoll für die in vitro Isolierung und Kultivierung von primären Chondrozyten aus Mausknorpelgewebe, das schnell ausreichend Zellen liefert. Im Vergleich zu herkömmlichen Protokollen mit niedriger Enzymkonzentration und längerer Verdauung hat diese Studie die Bedingungen für die Enzymverdauung und die Vorbehandlungsschritte des Gewebes optimiert. Diese Optimierung hat die Verdauungszeit auf 6-8 Stunden reduziert und gleichzeitig mögliche Zellschäden durch die Trypsin-Behandlung vermieden 15,17. Mit dieser Methode können etwa 1-2 × 103 Chondrozyten aus jedem mg Mausknorpelgewebe gewonnen werden. Dieses Protokoll bietet einen zuverlässigen Leitfaden für die Isolierung und Kultivierung primärer Chondrozyten in vitro und bietet ein robustes Modell für Studien zu Knorpelerkrankungen.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Alle Tierversuche wurden von der Ethikkommission des Xi'an Honghui Hospital (Nr. 202309009) genehmigt, und die experimentellen Verfahren hielten sich strikt an die 3R-Prinzipien des Ersatzes, der Reduktion und der Verfeinerung für Tierversuche.
Abbildung 1A zeigt ein schematisches Diagramm der Vorbereitung von Reagenzien und Geräten. Die Materialtabelle enthält Informationen über die in diesem Protokoll verwendeten Reagenzien und Geräte.
1. Versuchsmäuse
HINWEIS: In dieser Studie wurden vier 3 Tage alte Wildtyp-Mäuse vom Typ C57BL/6J verwendet.
2. Entnahme und Verarbeitung von Knorpelproben

Abbildung 1: Vereinfachter Arbeitsablauf bei der Materialvorbereitung und der Verarbeitung von Knorpelproben. (A) Schematische Darstellung der Einrichtung von Reagenzien und Geräten, einschließlich Reagenzien, Verbrauchsmaterialien und wichtiger Instrumente. (B) Schritt-für-Schritt-Protokoll für die Aufbereitung von Knorpelgewebe aus Kniegelenken von Mäusen. Abkürzungen: PBS = phosphatgepufferte Kochsalzlösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
3. Isolierung und Kultivierung von primären Chondrozyten

Abbildung 2: Vereinfachtes Verfahren für die Verdauung von Knorpelgewebe, die Isolierung von Primärzellen und die Kultur. Der Knorpel wurde zerkleinert und 15 Minuten lang kontinuierlich mit hochkonzentrierter Kollagenase-II-Aufschlusslösung verdaut, einmal wiederholt und dann 6-8 Stunden lang mit niedrig konzentrierter Kollagenase-II-Aufschlusslösung verdaut, um die Zellen zu isolieren. Anschließend wurde das verdaute Gewebe filtriert, das Filtrat aufgefangen und zentrifugiert. Das Zellpellet wurde mit 1x PBS gewaschen und in DMEM/F12-Medium kultiviert, bis der Konfluenz 70% erreichte, woraufhin die Zellen für nachfolgende Experimente bereit waren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
4. Funktionsnachweis von primären Chondrozyten

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Programms zur Validierung der Funktion der primären Chondrozyten. Entzündliche Erkrankungen, die durch die IL-1β-Behandlung induziert werden; Auswirkungen auf knorpelassoziierte Phänotypen, die durch RT-qPCR und Western Blot bewertet wurden. Abkürzungen: IL-1β = Interleukin-1β; RT-qPCR = Quantitative Polymerase-Kettenreaktion mit reverser Transkription. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Bedingungen für den Arbeitsablauf beim Western Blotting | |
| Schritt | Zustand / Reagenz |
| SDS-PAGE Gel-Vorbereitung | 8 % (w/v) Tris-HCl Trenngel |
| Stapel-Elektrophorese | 80 V, 30–40 min |
| Elektrophorese auflösen | 120 V, 1–1,5 h |
| Übertragung | Halbtrocken, 15 V, 30–60 min |
| Blockierend | Schnellblockpuffer, 2 h bei Raumtemperatur |
Tabelle 1: Bedingungen für den Arbeitsablauf beim Western-Blotting. Zusammenfassung der Western-Blotting-Bedingungen, einschließlich SDS-PAGE-Zusammensetzung, Elektrophoreseparameter, Transfereinstellungen und Blockierungsverfahren.
| Reverse-Transkriptions-Reaktionsmischung | |
| Bestandteil | Volumen (μL) |
| 5× Transkriptor-Reverse-Transkriptase-Reaktionspuffer | 4 |
| Desoxynukleotid-Mix (je 10 mM) | 2 |
| Protector RNase Inhibitor (40 U/μL) | 0.5 |
| Transkriptor-Reverse-Transkriptase (20 U/μL) | 0.5 |
| Nukleasefreies Wasser | bis 20 |
| Gesamtvolumen | 20 |
Tabelle 2: Reverse Transkriptionsreaktionsmischung. Zusammensetzung der Reverse-Transkriptionsreaktion für die cDNA-Synthese.
| Primer-Informationen für die RT-qPCR von primären Chondrozyten der Maus | ||||
| Name des Gens | Sequenz(5'3 ') | Glühtemperatur (°C) | ||
| mGapdh | Vorwärts | TGGCCTTCCGTGTTCCTAC | 60 | |
| Rückwärts | GAGTTGCTGTTGAAGTCGCA | |||
| mCol2a1 | Vorwärts | TGACCTCAACTACATGGTCTACA | 60 | |
| Rückwärts | CTTCCCATTCTCGGCCTTG | |||
| mMmp13 (mMmp13) | Vorwärts | CTTCTTCTTGTTGAGCTGGACTC | 60 | |
| Rückwärts | CTGTGGAGGTCACTGTAGACT | |||
Tabelle 3: Primerinformationen für die RT-qPCR von primären Chondrozyten der Maus. Sequenzen und Annealing-Temperatur (60 °C) von Primern, die zur Quantifizierung von Gapdh-, Col2a1- und Mmp13-Transkripten in primären Chondrozyten der Maus verwendet werden.
| RT-qPCR-Reaktionsmischung | |
| Bestandteil | Volumen (μL) |
| 2 × SYBR Green qPCR Mastermix | 10 |
| Verdünntes cDNA-Template | 8 |
| Vorwärts-Grundierung (10 μM) | 1 |
| Umgekehrter Primer (10 μM) | 1 |
| Gesamtvolumen | 20 |
Tabelle 4: RT-qPCR-Reaktionsmix. RT-qPCR-Reaktionsmix (20 μl) mit SYBR Green Mastermix, Template und Primern.
| RT-qPCR-Zyklusprotokoll | ||
| Schritt | Temperatur (°C) | Zeit |
| Anfängliche Denaturierung (×1) | 95 | ca. 10 Minuten |
| Denaturierung (×40) | 95 | 5 Sek. |
| Glühen/Verlängern (×40) | 60 | 15 Sek. |
| Verlängerung (×40) | 72 | 30 Sek. |
| Schmelze-Kurve (×1) | 95 55 95 | 60 s 30 s 30 s |
Tabelle 5: RT-qPCR-Zyklusprotokoll. Die Denaturierung bei 95 °C für 5 s, das Glühen/Dehnen bei 60 °C für 15 s und eine abschließende Schmelzkurvenanalyse wurden für 40 Zyklen durchgeführt.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Wie in Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3 beschrieben, führten wir das Protokoll durch und isolierten erfolgreich primäre Chondrozyten aus Kniegelenken von Mäusen. Von etwa 10 mg neonatalem Mausknorpel erhielten wir etwa 1 × 104 Zellen mit einer Lebensfähigkeit von >90%. Am ersten Tag der In-vitro-Kultur zeigten die primären Chondrozyten der Maus eine abgerundete Morphologie, wobei die m...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Isolierung und Kultivierung primärer Chondrozyten ist essentiell für die Aufklärung der Pathophysiologie von Knorpelerkrankungen22. In der primären Chondrozytenkultur ist die Optimierung der Kollagenasekonzentration und der Verdauungszeit von entscheidender Bedeutung, da sie den Abbau der extrazellulären Matrix ausgleicht und gleichzeitig potenzielle Zellschäden reduziert17. Darin beschreiben wir eine zuverlässige und reproduzierbare Methode zur Isolierung primärer Chon...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 82370909) unterstützt. Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3 wurden mit Figdraw erstellt.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 1&mal; PBS Pulver (2 L) | Servicebiografie | G0002-2L | |
| 100 mm Zellkulturschalen | Servicebiografie | CCD-100 | |
| 100 μ M-Zell-Sieb | Sangon Biotech | F613463-0001 | |
| Konisches 15-ml-Zentrifugenröhrchen (steril, enzymfrei) | Servicebiografie | EP-1501-J | |
| Konisches 50-ml-Zentrifugenröhrchen (steril, enzymfrei) | Servicebiografie | EP-5001-J | |
| 6-Well-Zellkulturplatte | Servicebiografie | CCP-6H | |
| Polyklonaler Anti-COL2A1-Kaninchen-Antikörper | Immunoway | YT1022 | Primäre Antikörper; Weißabstand: 1/500 |
| Monoklonaler Anti-GAPDH-Antikörper für die Maus | Proteintech-Technologie | 60004-1-IG | Primäre Antikörper; WB: 1/2000 |
| Anti-MMP13 polyklonaler Kaninchen-Antikörper | Immunoway | YT2796 | Primäre Antikörper; Weißabstand: 1/1000 |
| Aseptische Ultra-Clean-Bank | Thermo Fischer | 51029704 | |
| Inkubator für Zellkulturen | Thermo Fischer | 51033782 | |
| Kollagenase II | Solarbio GmbH | Nr. C8150 | |
| Kundenspezifische Grundierungen (Gapdh, Col2a1, Mmp13) | Sangon Biotech | Entworfen mit Primer BLAST | |
| DMEM/F12 mittel | Hyklon | SH30023.01 | |
| Fötales Rinderserum | ExZelle | FCS500 | |
| HRP-Goat Anti-Maus polyklonaler Antikörper | Immunoway | RS0001 | Sekundäre Antikörper; Weißabstand: 1/10000 |
| HRP-Goat Anti-Kaninchen polyklonaler Antikörper | Immunoway | RS0002 | Sekundäre Antikörper; Weißabstand: 1/10000 |
| Inverses Phasenkontrastmikroskop | OLYMP | CKX53 | |
| Mikropipette | Thermo Fischer | ||
| Miniatur-Tischzentrifuge | SUNNE | SN-TDL-6 | |
| Chirurgische Klinge Nr. 11 | Servicebiografie | QXJZ-11 | |
| Penicillin-Streptomycin-Lösung (100X) | Beyotime | Nr. C0222 | |
| Set Sezierinstrumente für Kleintiere | Servicebiografie | QXTZ01 |
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.