이 프로토콜은 순차적 효소 소화를 사용하여 일차 쥐 무릎 관절 연골 세포의 분리 및 배양을 설명합니다. 이 방법은 검증된 표현형 특성을 가진 연골 세포를 생성하여 연구자에게 연골 연구 응용을 위한 신뢰할 수 있는 접근 방식을 제공합니다.
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이 프로토콜은 순차적 효소 소화를 사용하여 일차 쥐 무릎 관절 연골 세포의 분리 및 배양을 설명합니다. 이 방법은 검증된 표현형 특성을 가진 연골 세포를 생성하여 연구자에게 연골 연구 응용을 위한 신뢰할 수 있는 접근 방식을 제공합니다.
외상, 노화 또는 염증 상태로 인한 연골 손상은 조직의 본질적으로 제한된 재생 능력으로 인해 중요한 임상적 과제로 남아 있습니다. 연골의 유일한 세포 구성 요소인 연골세포는 세포외 기질 구조와 기능을 유지하는 역할을 하므로 연골 생리학, 병리학 및 재생을 이해하는 데 필수적입니다. 현재 연구는 무릎 관절에서 일차 쥐 관절 연골 세포의 분리, 배양 및 표현형 검증을 위한 포괄적이고 표준화된 프로토콜을 제시합니다. 이 절차는 최대 세포 생존력을 보장하기 위해 새끼를 새끼 먹는 쥐를 활용하고 효율적인 세포 추출을 위해 트립신 및 콜라게나제 II형을 사용한 순차적 효소 소화를 사용합니다. 연골세포 표현형은 II형 콜라겐 면역형광, 유세포 분석 및 인터루킨(IL)-1β 자극 분석을 통해 확인되어 세포 정체성과 염증 반응성을 확인합니다. 이 최적화되고 재현 가능한 워크플로를 통해 약물 스크리닝, 기계론적 조사 및 조직 공학 응용 분야에 적합한 고순도 연골 세포 배양을 생성하여 연골 생물학 연구를 발전시킬 수 있습니다.
연골은 지지, 쿠셔닝, 충격 흡수 등 여러 가지 중요한 기능을 수행하는 특수한 유형의 결합 조직입니다1. 이는 구조적 안정성을 유지하고 골격계 내에서 이동성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다 2,3. 기계적 손상, 퇴행성 변화, 염증 또는 대사 이상은 연골 손상을 일으킬 수 있습니다 4,5,6. 연골 세포의 제한된 증식 능력과 결합된 혈관과 신경의 선천적 부족으로 인해 연골 복구는 상당한 어려움을 안겨줍니다. 골관절염(퇴행성 변화 및 기계적 손상으로 유발) 및 류마티스 관절염(자가면역 염증 반응으로 유발)과 같은 질병은 돌이킬 수 없는 연골 손상을 일으켜 환자의 삶의 질을 크게 저하시킬 수 있습니다7,8,9. 연골 조직 내의 독점적인 세포 유형인 연골세포는 세포외 기질의 분비 및 유지, 골격 발달 지원, 관절 완충 및 복구 참여, 연골 성장 및 신진대사의 중추 조절과 같은 주요 기능을 담당합니다 10,11,12.
연골세포는 무혈성 기질 열공 내에 국한되어 있어 자체 증식 및 조직 복구 능력이 심각하게 제한됩니다13,14. 연골 세포의 기능적 상태는 연골 조직의 건강을 직접적으로 결정합니다15. 노화, 염증, 외상 또는 유전적 요인으로 인해 발생하는 연골 세포 기능 장애는 기질 합성을 감소시키고 분해를 증가시킵니다16,17. 이 병리학적 과정은 연골 변성(예: 골관절염)을 유발하여 연골의 필수 지지, 완충 및 윤활 기능을 손상시킵니다. 연골의 제한된 재생 능력은 연골 복구에 상당한 어려움이 있는 핵심 원인이며 현대 정형외과 및 재생 의학의 핵심 연구 분야를 구성합니다. 연골에 대한 현재 연구는 약물 기반 개입, 조직 공학 및 유전자 치료와 함께 이 분야의 주요 초점이 되었으며, 모두 시험관 내 연구를 위해 연골 세포의 분리가 필요합니다 18,19,20,21,22,23,24,25. 결과적으로, 연골세포를 분리하고 식별하는 것은 많은 실험적 접근법에서 중요한 단계를 구성합니다. SW1353과 같은 불멸화된 연골 세포 유사 세포주는 일부 연구에서 편리한 대용물로 사용되지만, 중요한 표현형 마커, 특히 진정한 연골 세포 기능 및 기질 형성에 필수적인 II형 콜라겐의 발현이 부족합니다26. 따라서 일차 연골 세포는 생리학적 관련성이 필요한 연구의 황금 표준으로 남아 있습니다. 여러 효소 조합 또는 광범위한 기계적 조작이 필요한 이전에 발표된 프로토콜과 비교할 때, 단순화된 효소 분해 접근법은 여러 효소 조합 또는 광범위한 기계적 조작이 필요한 방법에 비해 복잡성과 처리 시간을 줄여줍니다. 또한, 포괄적인 검증 단계를 통합하면 기능적 연골세포의 일관된 식별이 보장되고 실험과 실험실 전반에 걸쳐 재현성이 향상됩니다.
연골세포는 II형 콜라겐의 분비를 특징으로 하며, 염증 인자의 자극을 받아 광범위하게 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMP)를 합성하고 방출합니다27. 따라서 연골 세포 분리 후 II형 콜라겐 면역형광을 통해 세포를 확인하고, 유세포 분석을 이용하여 연골 세포 순도를 평가하였다. 그리고 인터루킨(IL)-1β로 자극하여 매트릭스 메탈로프로테이나제의 특징적인 합성 및 분비를 확인했습니다. 본 연구는 신생아 마우스로부터 연골세포 추출 및 특성화 과정을 설명하여 후속 연골세포 관련 실험의 토대를 마련합니다.
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본 연구에서 동물 피험자의 사용은 중일 우호병원 실험동물 관리 및 복지 윤리 위원회(No. zryhyy21-21-05-16)의 승인을 받았습니다. 사용된 시약과 장비는 재료표에 나와 있습니다.
1. 실험동물 및 준비 작업
참고: 슬관절 전치환술 후 쥐, 토끼 및 인간의 관절에서 나온 연골은 연골 세포 분리에 사용할 수 있습니다. 그러나 생존율이 높기 때문에 본 연구에서는 젖먹쥐를 연골세포 추출에 활용하였다.
2. 관절 연골 조직의 분리
참고: 신생아 연골은 뼈 골단을 덮고 있는 반투명한 청백색 층으로 나타납니다. 후속 실험을 손상시킬 수 있는 오염을 방지하기 위해 이 단계에서 엄격한 무균 기술을 따라야 합니다.
3. 연골 조직의 소화
참고: 트립신을 사용하여 연골 주변의 결합 조직을 소화한 다음 연골 기질 소화를 위해 0.2% 콜라게나제 II를 사용합니다.
4. 연골 세포 분리 및 배양
알림: 모든 절차는 생물 안전 캐비닛의 멸균 조건에서 수행해야 합니다. 멸균 장갑은 실험적 오염을 방지하기 위해 세포 여과기에 주사기 플런저를 사용하여 연골 조직을 기계적으로 해리하는 동안 착용해야 합니다. 표준 배양 조건에서 일차 연골 세포는 일반적으로 첫 번째 계대에 대해 80%-90% 합류에 도달하는 데 약 2-3일이 필요합니다.
5. 연골세포 식별을 위한 II형 콜라겐 면역형광 염색
참고: 부착된 연골 세포는 방추 모양의 다각형 형태를 특징으로 합니다. 이 연구에서 제시된 모든 바이오마커 분석은 Passage 2의 세포를 사용하여 수행되었습니다. 3계대의 연골세포는 방추 모양의 섬유아세포 유사 형태로의 이동과 증식 속도의 감속을 특징으로 하는 보다 뚜렷한 역분화를 나타내기 시작합니다. 이 표현형 변화는 4번 통과 후에 더욱 분명해집니다. 6계대까지 대부분의 세포는 길쭉한 섬유아세포와 같은 모양을 취합니다. 항체 희석액은 제조업체의 권장 사항에 따라 결정되었으며 최적의 특이성과 신호 강도를 보장하기 위해 예비 실험을 통해 검증되었습니다.
6. 연골세포 순도의 유세포 분석
참고: 연골세포는 식별을 위한 결정적인 마커 역할을 하는 II형 콜라겐을 합성하고 분비하는 능력이 특징입니다. 연골육종 세포주 SW1353은 일부 연골 세포 특성을 나타내지만 II형 콜라겐 분비 능력이 부족하여 이 실험에서 음성 대조군 역할을 합니다.
7. 연골세포의 IL-1β 자극
참고: IL-1β 자극에 반응하여 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMP)의 생성은 연골세포의 특징적인 특징입니다. 따라서 이 연구는 IL-1β 자극을 사용하여 분리된 연골 세포에서 이러한 표현형 특성을 검증합니다.
8. 정량적 실시간 PCR(qRT-PCR) 분석
참고: 모든 RNA 관련 실험은 DEPC 처리된 소모품을 사용하여 수행되었습니다. 간단히 말해서, 튜브와 팁을 0.1% DEPC에 12시간 동안 담가두고, 고압멸균(121°C, 20분)하여 RNase와 잔류 DEPC를 모두 비활성화하고, 사용하기 전에 오븐에서 건조시켰다.
9. ELISA 분석
참고: 사용하기 전에 비오티닐화 항체 작동 용액과 효소 접합체 작동 용액을 신선하게 준비하십시오.
10. 웨스턴 블롯 분석
참고: 실험 전에 전기영동 완충액, 전사 완충액, TBST, 5% 탈지유를 준비하고 PVDF 멤브레인을 미리 적절한 크기로 절단하십시오. 그런 다음 화학발광 이미징 시스템을 사용하여 화학발광 신호를 캡처합니다. 일반적으로 10초에서 5분 사이의 그래디언트 노출을 위해 기기를 자동 또는 수동 모드로 설정하여 신호가 선형 동적 범위 내에서 캡처되도록 하고 픽셀 포화를 방지합니다. 신호 캡처 후 후속 정량 분석을 위해 대상 대역이 선명하고 배경이 낮은 노출 이미지를 선택합니다.
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II형 콜라겐에 대한 면역형광 염색은 분리된 연골세포가 강하게 양성임을 입증했습니다(그림 1A). 유세포 분석 결과 세포의 98% 이상이 II형 콜라겐에 대해 양성인 반면(그림 1B), 음성 대조군 SW1353 세포는 음성이었습니다(그림 1C). 24시간 동안 10ng/ml IL-1β로 자극한 후, 웨스턴 블로팅은 연골 세포에서 MMP3 및 MMP13 단백질 수준의 현저한 상승을 입증했으며(그림 2A), RT-PCR 분석은 연골 세포에서 MMP3 및 MMP13 mRNA 발현의 유의한 증가를 나타냈고(그림 2B) ELISA는 세포 배양 상청액에서 MMP3 및 MMP13 단백질 함량의 상당한 증가를 감지했습니다(그림 2C
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여기에 설명된 프로토콜은 일차 쥐 관절 연골 세포의 분리 및 배양에 대한 몇 가지 주요 이점을 제공합니다. 어린 동물의 연골은 성인 연골에 비해 증식성 연골 세포가 더 많고 광물화된 기질이 적기 때문에 젖먹이를 새끼 쥐의 사용은 최적의 세포 수율과 생존력을 달성하는 데 중요합니다. 이 연령 선택은 효소 소화 및 후속 세포 회수의 효율성을 크게 향상시킵니다.
순차적 효소 소화 접근법은 이 프로토콜의 중요한 측면을 나타냅니다. 초기 트립신 치료는 말초 결합 조직을 효과적으로 제거하고 연골 기질을 부분적으로 파괴하는 반면, 후속 콜라게나제 II 분해는 연골 세포를 둘러싼 II형 콜라겐이 풍부한 세포외 기질을 구체적으로 표적으로 삼습니다. 4시간 콜라게나제 소화 시간은 세포 손상을 최소화하면서 완전한 세포 방출의 균형을 맞추도록 최적화되었습니다. 소화 기간이 짧으면 세포 방출이 불완전해질 수 있으며, 노출이 길어지면 세포 생존...
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저자는 이 작업에 대한 이해 상충이 없다고 보고합니다.
이 연구는 국립 고위급 병원 임상 연구 기금 및 중일 우호 병원의 엘리트 의료 전문가 이니셔티브(NO. ZRJY2025-QM05)를 사용합니다.
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