一种基于猪脑内皮细胞的体外血脑屏障模型的改进方法

Medicine

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Summary

该协议的目的是提出一个优化的程序, 建立一个体外血脑屏障 (BBB) 模型的基础上猪脑内皮细胞 (pBECs)。该模型具有重现性高、严密性高的优点, 适合于研究药物发现中的转运和胞内贩运。

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Nielsen, S. S., Siupka, P., Georgian, A., Preston, J. E., Tóth, A. E., Yusof, S. R., Abbott, N. J., Nielsen, M. S. Improved Method for the Establishment of an In Vitro Blood-Brain Barrier Model Based on Porcine Brain Endothelial Cells. J. Vis. Exp. (127), e56277, doi:10.3791/56277 (2017).

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Abstract

本议定书的目的是为纯化和培养 pBECs, 并建立体外血脑屏障 (BBB) 模型的基础上 pBECs 单培养 (mc), mc 与星形胶质细胞条件培养基 (ACM), 并与猪或大鼠源星形胶质细胞的非接触共培养。pBECs 从5-6 月大的家养猪脑皮质的毛细血管片段中分离和培养。这些碎片通过仔细去除脑膜, 分离和均匀化的灰质, 过滤, 酶消化, 和离心纯化。为了进一步消除污染细胞, 用含嘌呤的培养基培养毛细血管片段。当60-95% 汇合, pBECs 生长从毛细管片段被传代对渗透性膜过滤器插入物和建立在模型。为提高 pBECs 的屏障严密性和血脑屏障特征表型, 对细胞进行了以下分化因素的处理: 膜 permeant 8-CPT-camp (这里缩写阵营), 氢化可的松, 磷酸二酯酶抑制剂, RO-20-1724(RO)。该手术在9-11 天内进行, 在建立该模型时, 星形胶质细胞被提前2-8 周培养。遵守该议定书所述的程序允许建立具有高度限制的细胞渗透性的内皮层, 而该模型显示了1249年±80Ω cm 的平均 transendothelial 电阻 (TEER).2, 和细胞渗透性 (Papp) 为路西法黄色的 0.90 10-6 ± 0.13 10-6 cm 秒-1 (平均± SEM, n=55)。该理事会表型的进一步评价表明, claudin 5、ZO-1、蛋白和黏着结蛋白 p120 蛋白的紧密连接蛋白表达良好。该模型可用于健康和疾病 BBB 的一系列研究, 并具有高度限制性的细胞渗透性, 该模型适用于研究运输和细胞内贩运。

Introduction

血脑屏障的细胞结构与功能

在循环系统和中枢神经系统 (cns) 的界面, BBB 作为 homoeostatic 控制中枢神经系统微环境的关键调控场所, 这对神经系统的正常功能和保护至关重要。血脑屏障的部位是血管腔内衬的内皮细胞。在脑毛细血管, 内皮细胞形成复杂的细胞间紧密连接和强烈极化表达模式的特殊流入和外排转运运输确保高度特异的分子运输之间的血液和大脑1。紧密接合配合物的结构成分包括来自蛋白和 claudin 家族的蛋白质、紧密拼装(祖伊) 蛋白、cingulin 和相关的连接黏附分子 (果酱)。Claudin 5 在细胞连接限制中尤为重要。诱导和维持这一特征血脑屏障内皮表型涉及与周围细胞的动态相互作用, 包括周、星形胶质细胞、神经元和基底膜, 这些都与大脑内皮干细胞一起形成神经血管单元 (NVU)2,3。这些相互作用所涉及的机制尚未完全被理解, 但包括在细胞间交换化学信号, 这允许在短期内调制 bbb 通透性, 并诱发长期 bbb 功能4。星形胶质细胞尤其被称为对脑血管内皮表型的贡献, 是一种调节因子的来源, 如胶质源性神经营养因子 (影响细胞内 cAMP)5, 碱性成纤维细胞生长因子6,氢化可的松7, 并转化生长因子β (TGF β)8。然而, TGF β的影响已经被争论了9

体内体外BBB

在体内研究继续提供有关 BBB 生物学的宝贵信息。然而, 细胞培养模型可以提供更多的见解, 并构成有用的工具, 以了解详细的分子和功能方面的 BBB 在健康和疾病。虽然脑血 BBB 的细胞类型和成分之间的复杂相互作用很难在体外模型中完全实现, 但自从第一次纯化大脑内皮细胞和在单培养中应用后, 已经有了。10,11,12, 广泛开发的净化程序和生长条件的 BBB 细胞培养模型, 导致更大的相似性的在体内屏障。通常使用的体外BBB 模型基于啮齿动物、猪和牛的原细胞, 以及永生细胞系。每个模型都有不同的优点和缺点。为了比较和模型选择, 验证标记, 如血 BBB 酶的表达, 转运蛋白, 受体和结构蛋白质被用来创建当前建立的模型的概述1

议定书的目的

BBB 的一个重要特点是屏障严密性和高 TEER, 然而大量可用的模型并没有很好地反映在体内的水平。将开发和优化的贡献从几个实验室, 该协议的目的是提出一种方法, 建立一个高 TEER体外BBB 模型的基础上 pBECs 在 MC 与或不含 ACM, 或在与初级大鼠或猪源星形胶质细胞。该模型的应用程序和建立包括努力消除污染细胞和改善 pBECs 分化为 BBB 表型。这项工作的结果是建立了可靠的, 高 TEER 模型低细胞渗透性和良好的功能表达的关键紧密连接蛋白, 转运, 和受体。然而, 由于星形胶质细胞是一个因素, 以脑细胞表型, 三不同的文化条件代表三不同的表现型脑内皮细胞。该模型对于研究药物发现、运输研究和细胞内贩运的某些专门机制, 以及对血脑屏障功能最大表达的细胞间相互作用的调查是特别有用的。有利.

议定书的起源和历史

这里描述的理事会模型主要基于在卫材实验室开发的猪模型 (伦敦) 由 Dr. 路易斯摩根和同事, 是基于成功的早先牛脑内皮细胞模型13。原细胞制备方法是用尼龙网格捕捉微血管的两级过滤, 其次是传代步骤以提高纯度。在该方法的早期发展中, 通过补充培养基 (包括 ACM) 的生长, 达到了最佳 BBB 表型和屏障的致密性。对方法的进一步修改由 r. 斯金纳在 Rothwell 的实验室在曼彻斯特英国14,15中进行。该方法是通过雅培实验室, 氯化钾伦敦, 在那里 Patabendige 使它大大简化准备通过避免使用星形胶质细胞或 ACM 和消除污染细胞, 如周与嘌呤。第一篇论文证实 MC 模型保留了在体内BBB 的几个重要特征, 包括有效的紧密连接, 膜传输系统和受体介导的 transcytosis16,17,18,19,20. 后来 s. 尤索夫再次测试星形胶质细胞共培养, 发现它显著改善了 TEER, 所以这是目前在 Abbott 实验室21中使用的首选变体。该模型现已成功地转移到了奥胡斯的 m. 尼尔森实验室, 在那里进行了进一步的修改 (本议定书), 包括简化灰色物质提取, 只使用一个滤网过滤步骤, 和一个单一的过滤涂层步骤结合胶原蛋白和纤维连接蛋白。猪星形胶质细胞分离的应用程序 (本议定书) 是基于奥尔堡的 t Moos 实验室开发的协议, 由汤姆森et al22描述。在伦敦和奥胡斯所产生的模型的 TEER 和其他性质是相似的, 这使人们相信模型很容易在实验室之间转移, 并能很好地对方法步骤的仔细观察和合理化作出反应。事实上, 尤索夫已经建立了一个热带国家 (马来西亚)23的 MC 模型, 它涉及对当地条件和组织来源的进一步调整。

优于替代方法和现有模型的优势

与牛和啮齿类动物的脑内皮细胞相比, pBECs 提供了在隔离状态下的在体内BBB 表型的损失率较低的优势.此外, pBECs 能够形成相对严密的内皮屏障, 即使在 MC (800 Ω cm2)16中生长, 与通常报告的细胞系的单分子层 (如弯曲. 5 和弯曲) 相比. 3 (50 Ω cm2)25,26, 27, cEND (300-800 Ωcm2)282930和 cerebEND (500 Ω cm 2)2931,32和主脑小鼠的内皮细胞 (100-300 Ω厘米2)ss = "xref" > 33,34,35,36和 rat (100-300 Ω cm2)37,38。然而, TEER 已经显示了对纯化和培养程序的依赖性。在大多数情况下, 增加的 ACM 或共培养与星形胶质细胞显示出差异的影响, 血管内皮细胞膜和加强致密的内皮层1。然而, 在优化培养条件的努力下, 只有 bovine-based 模型显示了与 porcine-based 模型相似的 TEER 值 (MC 中的800ω cm2的平均值 (在星形胶质细胞共育中高达2500ω cm2 )13 ,39,40,41,42,4344,45。由于基于初级牛脑内皮细胞的模型显示出很大的变化, 两个实验室之间和内部的14,45,46,47,48,重现性可能是个问题。在这里报告的理事会模型中, 提供的实验室已经达到了非常相似的 TEER 和细胞渗透率的低变异性, 在实验室和之间。因此, 其他实验室应该可以利用这里提出的方法建立一个低变异性的鲁棒模型。除了形成致密的内皮层, 模型与 pBECs 以前已经通过表达紧密连接蛋白, 功能 BBB 转运体, 受体和酶, 并证明适合的一系列研究15,16,17,19,20,22,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59. 此外, pBECs 的 co-cultures 上未发布的转录数据显示了 BBB 转运体和受体的预期分布 (未发表的结果, 尼尔森et al.)。

porcine-based BBB 模型具有更大的优势, 因为猪的基因组、解剖学、生理学和疾病进展比其他建立的模型60更能反映人类生物学的程度, 这是制药业。由于猪的大脑是肉类工业的常见 by-product, 它们构成了一个易于获取的脑血管内皮细胞来源, 使实验所需的动物数量减少, 并提供了一个猪脑的高纯度的产量。虽然纯化和培养初级细胞是有点费时, 需要专门知识的标准化建立模型, 初级细胞产生最可靠的 BBB 模型。永生化细胞系不能替代, 如屏障严密性、转运蛋白表达谱和微环境调节等重要特性不反映实验结果在体内61,62.体外模型提供了更高分辨率的活细胞成像的优势, 通过允许对取样或观察到的细胞进行近距离接近, 从而实现了细胞内过程的可视化, 使用目标具有更高的放大倍数和更好的光学质量63。这不是使用双光子显微镜在活体动物中的情况。此外,体外模型提供了染细胞的能力, 允许可视化标记蛋白质和调查其贩运。

模型的应用

血脑屏障功能不固定, 可以在生理和病理两方面进行动态调节。在许多神经系统疾病, 包括神经退行性、炎症和传染性疾病, 扰乱和提高 BBB 的渗透性被观察64,65,66,67.为了减少和防止疾病进展和随后的损害, 识别和定性的分子机制的基础上的调制的 BBB 是重要的。在这种情况下, 可靠的体外模型在制药工业中需求量很大, 而且在预测药物对中枢神经系统的 BBB 通透性方面发挥了重要作用。任何体外模型都应显示限制性的细胞通路、生理上逼真的细胞结构和传送器机制的功能表达式68。在先前的研究中演示了16,17,57, 并通过细胞的渗透率和 TJ 和 AJ 蛋白的表达, 提出的模型符合所有这些标准, 适用于 BBB 的范围在正常生理学和病理学方面的研究。所提出的纯化和培养方法的优点包括简单性和重现性的结合, 并能够包括星的影响与产生的强大和可靠的高 TEER在体外BBB 模型。为此, 已证明猪和大鼠的星形胶质细胞以类似的方式增强了 pBECs 的 BBB 表型.22

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Protocol

猪脑被作为丹麦食品工业的副产品获得。丹麦的屠宰场受到丹麦环境和食品部的严格监督和观察.

用于分离星形胶质细胞的大鼠在当地的动物设施中繁殖和组织, 环境温度为22和 #176; C-23 和 #176; C 和在 12/12 h 黑暗或轻的周期在兽医的检查之下和根据丹麦实验室动物条例。根据《动物道德使用国际准则》 (欧洲共同体理事会1986年11月24日的指示, 86/609/EEC) 和丹麦的准则, 对这些老鼠进行了安乐死。在这些实验中没有使用动物或人体材料的 活体 实验.

注意: 下面是一个理事会主协议, 描述 ( 步骤 1 ) 净化, ( 步骤 2 ) 培养和 ( 步骤 3 ) TEER 测量。为建立一个与星形胶质细胞, 一个备用的协议 ( 步骤 4 ) 描述的纯化和培养大鼠和猪星形胶质细胞提出.

1. 猪脑毛细血管的纯化

  1. 从5-6 月大的家养猪中收集8-10 大脑 (如 从附近的屠宰场开始), 并将它们在冰上运送到实验室。我们建议在动物终止后2-3 小时内启动以下纯化程序.
  2. 将大脑放在无菌的流动工作台中, 用1升 PBS 在冰上的烧杯中轻轻地冲洗它们.
  3. 小心地从一个大脑中取出脑膜, 一次使用细尖钳, 将无脑膜的大脑转移到另一个 1 L 烧杯中, PBS 放在冰上。延长所采取的时间可能会使搬迁复杂化。每个大脑所用的大约时间应该是10-15 分钟.
  4. 使用手术刀, 一次从一个大脑中刮掉灰质, 并将隔离的材料转移到培养皿 (8.8 厘米 2 ) 中, 含有20毫升 DMEM 营养混合物 F-12 (DMEM/F-12) 放在冰上。尽可能多地隔离灰质, 而不提取白质物质。对于最初的碎裂, 用50毫升的注射器来运行灰质物质, 不用针头。继续为所有的大脑和汇集收集的灰质物质。延长所采取的时间可能会使搬迁复杂化。每个大脑所用的大约时间应该是10-15 分钟.
  5. 将隔离的灰质物质转移到 hand-held 组织均质机的磨床管中, 其比例为50/50 与 DMEM/F-12 介质。质的材料, 使8上下中风与一个松散的杵, 其次是8上下中风与紧杵。继续, 直到所有分离的材料已匀浆, 然后转移到一个500毫升的瓶子和稀释与 DMEM/F-12 约450毫升总体积.
  6. 过滤器使用500毫升蓝帽瓶与过滤器和140和 #181; m 过滤网格, 并通过运行通过过滤器的组织隔离毛细血管。每50毫升匀浆使用一个过滤器, 然后用 DMEM/F-12 洗涤每个过滤器.
  7. 在培养皿中放置含毛细管的过滤器, 并在 DMEM/F-12 中采用胰蛋白酶/edta (2.5% 胰蛋白酶、0.1 nM edta)、胶原酶 CLS2 (2000 u/毫升) 和 dnasei 1 (3400 u/毫升) 的消解溶液。每3滤网使用1培养皿 (8.8 厘米 2 , 20 毫升溶液).
  8. 将培养皿放置在37和 #176 上; C 为1小时, 在轨道振动筛上 180 rpm 或轻轻搅拌每10分钟。1小时后, 用1毫升吸管从培养皿中用悬浮液从过滤器中清洗毛细血管.
  9. 将悬浮液从3碟中分离成 2 50 毫升的管子, 并通过在每50毫升管中加入10毫升 DMEM/F-12 来停止消化.
  10. 离心机悬浮在 250 x g, 4 和 #176; C 为5分钟抽清和 re-suspend 每粒在10毫升 DMEM/F-12。在每根管子上再加20毫升的 DMEM/F12。重复这两次离心机的步骤.
  11. 让管冷却在冰上5分钟, 并将解决方案转移到2新的50毫升管.
  12. 离心机悬浮在 250 x g, 4 和 #176; C 为5分钟, 并且 re-suspend 每个药丸在 8-10 毫升 (大约1毫升/脑子使用) 冷冻解答由10% 亚砜组成在 FBS.
  13. 将电池悬浮液转移到 cryovials, 使用每 cryovial 1 毫升。平均而言, 一个纯化结果为每个大脑使用1瓶, 平均提供12-16 插入的内皮细胞。将小瓶放在-80 和 #176 的冷冻箱中; C 至少4小时至一夜。然后, 将 cryovials 储存在 cryotank 的液氮中.
    注意: 液氮的温度极低。请穿戴适当的保护.

2。初级 pBECs 的培养 (8-10 天)

  1. 初始区域性 (3-5 天)
    日 1
    1. 以优化附加 pBECs 的条件, 通过添加最终解决方案来执行 T75 烧瓶的涂层在 ddH 2 O 中, 将胶原蛋白 IV (150 和 #181; g/毫升) 和纤维连接蛋白 (50 和 #181; g/毫升) 的浓度放到烧瓶中, 确保溶液覆盖整个表面。每 T75 瓶使用10毫升。孵育在37和 #176; C 为 2 h.
      注: 涂层可在使用前或前一周进行, 并与 PBS 一起存放在4和 #176;涂层不能干燥, 否则将不再形成合适的附着物和生长表面.
    2. 制备16毫升的理事会生长培养基, 由 DMEM/F-12 补充10% 血浆来源的血清 (PDS), 青霉素 (100 毫升), 链霉素 (100 和 #181; g/毫升), 和肝素 (15 u/毫升)。用嘌呤 (4 和 #181; g/毫升) 补充培养基, 选择内皮细胞。请注意, 嘌呤治疗最多只能使用5天.
    3. 分在两个15毫升的管子中将准备好的培养基分成6毫升和10毫升的体积.
    4. 从液氮 (步骤 1.13) 中带毛细管, 并通过使用37和 #176 来解冻毛细血管; C 水浴或添加750和 #181; 从 6-mL 分中制备的培养基 L。如果通过加入培养基, 小心吸管向上和向下解冻和质悬浮。解冻时, 将电池悬浮液转移到6毫升介质分.
    5. 移除冻结介质, 将毛细管向下旋转 250 x g 、4和 #176; C 为 7 min.
    6. 小心地吸取上清和 re-suspend 1-2 毫升的10毫升分的颗粒。当悬浮时, 将解决方案转移到 10 mL 介质分.
    7. 将毛细管悬浮液转移到涂覆的 T75 烧瓶中, 并轻轻地倾斜烧瓶, 以确保在表面上均匀分布。将 T75 烧瓶放置在37和 #176; C, 5% CO 2 .
      天 2
    8. 在夜间孵化后, 准备10毫升理事会生长培养基, 辅以嘌呤 (4 #181; g/毫升), 用于一 T75 烧瓶, 并进行中等变化。请注意, 所有适用于单元格的介质解决方案应在使用前5ml 到37和 #176; C.
      注: 或者, 当毛细血管应该附着在表面时, 介质的变化可以执行4-6 小时的 post-plating。孵育细胞直到60-95% 汇合达到, 通常3-5 天从解冻。不进行同种w 细胞达到100% 汇合, 以避免接触抑制, 可以阻止进一步的细胞生长.
      天 4-6
    9. 当达到所需的70-100 时, 将内皮细胞通过渗透膜插入 (见2.2 节)。如果在4天没有达到所需的 70-100, 则执行介质的更改。在最新的6天, 细胞应传代的渗透膜插入。如果所需的70-100 在6天内未实现, 则单元格不适于实验使用.
      注: 为促进的星形胶质细胞的制备: 在建立共培养模型时, 应在培养基上进行培养基改变, 在传代前的一天, 2-8 周老星形细胞 (见第4节) 为共培育模型做准备。对于每一个星形胶质细胞, 准备1500和 #181; DMEM 低葡萄糖的星形胶质细胞生长培养基中含有 10% FBS、青霉素 (100 毫升) 和链霉素 (100 和 #181; g/毫升), 然后进行培养基变化.
  2. 渗透膜上的 pBECs 的生长 (5 天)
    日 4-6
      准备渗透膜插入 (12-井板, 插入 1.12 cm
    1. 2 表面积, 0.4 和 #181; m 孔隙)在 ddH 2 中, 用 IV 型胶原 (500 和 #181; g/毫升) 和纤维连接蛋白 (100 和 #181; g/毫升) 的涂层播种理事会, 使用大约300和 #181; L 为每个插入, 并确保解决方案覆盖整个增长的表面。孵育在37和 #176; C, 5% CO 2 , 至少为 2 h.
    2. 准备30毫升的理事会生长培养基 (用于培养基成分, 参考 2.1.2) 而不嘌呤.
    3. T75 瓶中从理事会培养液中吸取培养基, 并在室温下用5毫升无菌 PBS 轻轻冲洗两次.
    4. 处理将2毫升的胰蛋白酶-edta 溶液 (PBS 中的2.5% 胰蛋白酶, 0.1 nM edta) 添加到 T75, 并将烧瓶放在37和 #176; C、5% CO 2, 为 5-7 min.
    5. 要分离大脑内皮细胞, 用指尖轻轻拍打 T75 烧瓶的一侧, 最终在烧瓶表面留下存活和更强的附着周。目视观察显微镜下的剥离。当80% 支队被观察, 停止 trypsinization 通过增加5毫升培养基.
    6. 使用10毫升吸管将细胞溶液转移到15毫升管, 并通过离心在 250 x g 、4和 #176 上旋转大脑内皮细胞; C 为7分钟.
    7. 小心地去除上清和重1mL 介质中的颗粒。暂停时, 再添加2毫升介质, 以使总体积为3毫升
    8. 通过使用单元计数室或自动计数系统手动计算单元数。准备一个 2.2 x 10 5 单元格/mL 介质的单元格解决方案, 最终的播种密度为 1.1 x 10 5 单元格/插入.
    9. 从渗透膜插入和转移500和 #181 中去除涂层溶液; 每个插入物的 L 细胞悬浮。在其中一个插入, 只添加介质, 并使用此插入作为一个和 #39; 仅筛选和 #39; 控制 TEER 测量.
    10. 在 mc, mc 与 ACM, 或在与星形胶质细胞的协商中, 以下列方式建立内皮干细胞:
      1. 用于 mc: 添加1500和 #181; L 理事会生长培养基/ACM 每井的 12-井板下渗透膜插入物。将渗透膜插入在37和 #176; C, 5% CO 2 , 孵育2天.
      2. : 向井中传送插入星形胶质细胞, 在前一天对其进行更新。将渗透膜插入在37和 #176; C, 5% CO 2 , 孵育2天.
        注: 注意在三机型的底部井中使用不同的介质类型.
        天 6-8
    11. 在2天, 更改具有 pBECs 的渗透膜插入介质。准备500和 #181; L 理事会生长培养基每插入, 并且仔细地执行变动减少细胞层的干扰。孵育细胞两天。请注意, 介质的变化只在插入物上执行, 而不是在井底.
  3. 有差异因素的刺激 (1-2 天)
    日 8-10
    1. 对于每个不同的模型, 刺激介质应准备如下:
      1. 为 MC: 为每个插入和井, 准备500和 #181; L 理事会生长培养基, 含有 cAMP (250 和 #181; m), 氢化可的松 (550 nM) 和 RO (17.5 和 #181; m).
        MC: 另外准备1500和 #181; L 理事会生长培养基包含阵营 (250 和 #181; m), 氢化可的松 (550 毫微米) 和 RO (17.5 和 #181; m).
        MC 与 acm: 融解1500和 #181; L 的 acm 和补充它与阵营 (250 和 #181; m), 氢化可的松 (550 毫微米) 和 RO (17.5 和 #181; m).
      2. 用于: 每个插入的 , 准备500和 #181; 含理事会生长培养基 (250 和 #181; m), 氢化可的松 (550 nM) 和 RO (17.5 和 #181; m)。对于每个星形胶质细胞, 准备1500和 #181; DMEM/F-12 补充青霉素 (100 u/毫升) 和链霉素 (100 和 #181; 克/毫升), 肝素 (15 u/毫升), cAMP (250 和 #181; m), 氢化可的松 (550 nM) 和 RO (17.5 和 #181; m).
    2. 对于每个不同的模型, 按如下方式执行媒体交换:
      1. 用于 MC: 从井中精心抽出介质, 并将分度介质插入和添加到两个舱室, 使用500和 #181; L 为每个插入和1500和 #181; 我为每一个井。请注意, 插入的任何一侧的中断都可能影响和破坏单元层.
      2. 用于: 从井中仔细吸取培养基, 并加750和 #181;小心地从插入物中吸取培养基, 并加入500和 #181;然后添加其余的750和 #181; L 区分介质对每个星形胶质细胞.
    3. 对于所有模型: 将单元格放置在37和 #176; C, 5% CO 2 , 并以分化培养基孵育, 直到第二天.
      注意: 要注意, 对于星形胶质细胞, 星形胶质细胞是从这个点保存在无血清培养基中.

3。TEER 测量

  1. 在激发具有分化介质的细胞后的第二天, 准备 TEER 测量的组织电阻测量室系统, 用 ddH 2 O 两次冲洗腔, 一次用70% 乙醇5分钟和2次 ddH 2 O.
  2. 将4毫升的 DMEM/F-12 添加到组织电阻测量室, 将其连接到系统并按照下列设置校准大约30分钟: r = 0, 测试 r = 1000, 模式 = r.
  3. 通过在组织电阻测量室中仔细放置插入物来执行 TEER 测量。对于每一个插入, 执行测量三份和计算平均和 #937; cm 2 .
    注: 对于共培养模型, TEER 值预计达到和 #62; 500 和 #937; cm 2 。如果在测量 TEER 的第一天没有达到适当的 TEER 水平, 增加新的分化因素 (阵营 (250 和 #181; m), 氢化可的松 (550 毫微米) 和 RO (17.5 和 #181; m)) 和测量 TEER 第二天。当适当的水平达到时, 模型应该为计划的实验准备好。注意, 在进行 TEER 测量后的实验之前, 细胞应该至少休息3小时。刺激后, 一般 TEER 值在刺激后仍可接受24-48 小时.
    注: 使用刚性 STX-100C 电极对的另一种快速方法也可以在该模型 81 中记录高 TEER。柔性 STX2 电器ctrode 配对给出的读数不太可靠.

4。非接触共培养星形胶质细胞的制备: 替代方法

  1. 纯化星形胶质细胞
      为每个使用的鼠脑, 2 T75 烧瓶添加10毫升的聚 l-赖氨酸 (5 和 #181; 克/毫升) 在 ddH
    1. 2 O 对每个T75 瓶在37和 #176 孵育烧瓶; C 为 30 min.
    2. 星形胶质细胞的分离可按如下方式执行:
      1. 大鼠星形胶质细胞:
        1. 斩首 2 1-2 天的老老鼠使用批准的方法.
        2. 将头骨上的皮肤从颈部向鼻部切开, 用矢状切口切开骨.
        3. 用弯曲钳打开颅骨, 取出大脑并将其放在15毫升管 (管 1) 中, 11 毫升的 DMEM 低葡萄糖补充 10% FBS 和硫酸庆大霉素 (125 和 #181; g/毫升).
        4. 使用细尖钳将脑膜取出, 用1毫升吸管将大脑材料暂停.
      2. 猪星形胶质细胞:
        1. 从一个5-6 月大的家养猪获得1的大脑.
        2. 用细尖钳和/或手小心地从大脑中取出脑膜.
        3. 从大脑中收集4克灰质, 并将1-2 毫升 DMEM 低葡萄糖补充 10% FBS 和硫酸庆大霉素 (125 和 #181; g/毫升) 在培养皿中。如果是大块的, 用手术刀或镊子剁碎.
        4. 使用1毫升吸管将隔离材料挂起, 将其移至15毫升管 (管 1), 并用 DMEM 低葡萄糖补充 10% FBS 和硫酸庆大霉素 (125 和 #181; g/毫升), 总容量为11毫升.
        5. 继续将隔离材料与10毫升注射器相连的长针进行均匀化, 并将其挂起3次。等待, 直到大件已落户在底部的管, 然后收集7毫升介质从顶部的管 (管 1).
        6. 通过40和 #181 将7毫升的电池悬浮液过滤到一个新的50毫升管 (管 2).
        7. 增加7毫升培养基到管1与大脑。继续进行同质化和过滤从步骤 4.1. 2.2. 5-6 直到管2中过滤细胞悬浮液的体积约为35毫升.
    3. 从 T75 烧瓶中删除涂层解决方案 [步骤 4.1.1]。用多聚 l-赖氨酸孵育后快速冲洗5毫升 PBS, 可以确保细胞不会受到涂层溶液的任何毒性作用的伤害.
    4. 将孤立的星形胶质细胞溶液在 T75 烧瓶中均匀分离和播种。在37和 #176 孵育烧瓶; C, 5% CO 2 , 3-5 天.
  2. 培养星形胶质细胞, 并在 3-5 天的孵育后, 在3周后,
    1. 初始区域性 , 通过仔细的吸气介质和添加10毫升进行介质变化DMEM 低葡萄糖辅以 10% FBS 和硫酸庆大霉素 (125 和 #181; g/毫升).
      注: 第一次介质变化后, 介质应每5天更换一次。在最初的2周内, 在改变培养基的时候, 用 PBS 彻底摇动烧瓶, 用清水冲洗细胞。这有助于消除污染的小胶质细胞.
    2. 经过3周的培养, 处理在每个 T75 烧瓶的底部加入2毫升的胰蛋白酶-EDTA 溶液, 并将其孵育在37和 #176; C、5% CO 2 为 5-7 min.
    3. 停止 trypsinization 通过添加5毫升培养基, 将细胞溶液转移到15毫升管, 并将星形胶质细胞在 250 x g、 4 & #176; C 表示 7 min.
    4. 小心移除上清液, re-suspend 在 FBS 中由10% 个亚砜组成的冷冻溶液中的细胞.
    5. 计算单元格数并准备 4.0 x 10 6 单元/mL 的单元格解决方案。冻结 cryovials 中的细胞, 每瓶加1毫升.
  3. 渗透膜插入系统底部井 (2-12 周)
    1. 为星形胶质细胞生长用1毫升的聚 l-赖氨酸 (5 和 #181; g/毫升) 在 ddH 2 O 中的每口井准备 12-井板。把盘子放在37和 #176; C 为 2 h.
    2. 对于每个 12-井板, 准备25毫升的星形胶质细胞生长培养基 (DMEM 低血糖补充 10% FBS 和青霉素 (100 U/毫升) 和链霉素 (100 和 #181; 克/毫升)).
    3. 将星形胶质细胞从液氮中拿出来, 并通过加入750和 #181 使其解冻; L DMEM 低葡萄糖培养基。小心吸管向上和向下融化和质的悬浮。解冻时, 将细胞悬浮液转移至15毫升的管子, 并将培养基添加到总容积7毫升.
      注意: 液氮的温度极低, 所以戴上手套等个人防护.
    4. 移除冻结介质, 将毛细管向下旋转 250 x g 、4和 #176; C 为 7 min.
    5. 小心地吸气上清液, re-suspend 细胞.
    6. 从12井板的井中取出涂层, 并将电池悬浮液转换为每井1毫升。孵育细胞在37和 #176; C, 5% CO 2 .
    7. 每隔三天刷新一次培养基, 在使用细胞与内皮细胞共培养之前, 至少要在2周内培育细胞。在解冻后的12周内, 细胞可用于共培养, 最佳年龄为2-8 周.

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Representative Results

BBB体外模型的建立

在所提出的优化方法, 培养 pBECs 和建立的渗透膜插入系统与 MC 或不含 ACM 或全国星形胶质细胞 (图 1) 进行了为期9-11 天 (图 2)。对于内皮细胞的选择, 初步培养的纯化毛细管片段与嘌呤治疗相结合, 最多5天, 消除了大多数污染细胞, 促进了纺锤形内皮细胞的生长毛细管碎片 (图 3A-c)。在4-6 天, pBECs 已激增到 70-100 60-95%, 成长为不重叠, 接触抑制, 纵向对齐的细胞。当细胞达到所需的 70-100, pBECs 被镀在胶原 IV 和纤维连接蛋白涂层渗透膜插入过滤膜 (1.12 厘米2表面积, 0.4 µm 孔) 在密度 1.1 x 105细胞/插入, 他们通常形成汇合单膜后4天 (天8-10 后隔离)。当大块 pBECs, 大鼠或猪的星形胶质细胞被镀在聚 l-赖氨酸包覆的底水井上, 至少2周后才开始 (图 3D)。在建立全国 pBECs 时, 经验表明, 2-8 周培养的星形胶质细胞为促进血脑屏障表型的发展提供了最佳支持;在这段时间内, 星形胶质细胞形成了汇合的文化与排列在蜂窝状结构 (图 3E-f)。在4天的渗透膜插入系统模型 (天8-10 后隔离), 细胞刺激与阵营, 氢化可的松和 RO, 以增加屏障致密性和 BBB 特征表达模式的紧密连接蛋白, 转运,受体.

理事会表型和细胞渗透性的表征

视觉细胞检查结合 TEER 测量通常是最可靠的方法来评估的70-100 和致密的内皮细胞层生长的渗透膜插入前的实验。图 4显示了通过 BBB 对小分子药物渗透性进行评估的两组实验的结果, TEER 的控制参数 (反射离子渗透性) 结合表观渗透率21 (P应用程序,cm s-1) 的标记蔗糖或染料示踪剂路西法黄 (LY), 反映了典型的小药物分子 (约 200-600 Da) 的细胞渗透性。对 papp大于蔗糖或 LY 的 papp (取决于药物的分子量) 的复利可以建议 transcellular 渗透性和/或跨细胞传输。图 4显示在 pBECs 培养的大鼠星形胶质细胞的渗透性膜插入物中, 好批次的理事会 (如这里的) 将产生人员在范围〜500-2000 Ω cm2, 与一些高或低。有些批次, 特别是在学习协议的早期阶段, 可能有较低的人员大约100-900 Ω cm2 (例如, 这里的蔗糖集)。TEER 测量允许选择过滤器, 例如与开始的 TEER 和 #62; 500 Ω cm2, 并且在 TEER 的范围显示, Papp是相对地独立的 TEER, 指示足够严密的障碍层数为这些实验。测量渗透率的协议取决于溶质/构造的类型。关于测量小分子在尤索夫中的渗透率的程序的描述, 一个协议是描述的, 在一, SR, et。al21。大鼠星形胶质细胞 pBECs 中致密结蛋白表达的评价显示 claudin 5、蛋白和 ZO-1 沿细胞连接点的定位, 如免疫荧光 (图 5A-c所示)。此外, 黏着结蛋白 p120 蛋白显示了明确的分布沿细胞连接 (图 5D)。

Figure 1
图 1: 应用于体外 BBB 模型的示意图表示.在 mc (A), mc 与 ACM (B), 和与星形胶质细胞(C)的 pBECs 的渗透膜插入系统模型的示意图表示。在 MC 中, 无论是理事会生长培养基还是 ACM 都被应用在井底, 而在全国 pBECs 中, 镶有2-8 周历史的星形胶质细胞被放置在井中。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 理事会种植过程中主要步骤的流程图和所介绍的模型的建立.对于该方法的概述和时间线, 本示意图介绍了 pBECs 培养过程中的主要步骤和所提出的模型的建立,具有或不含 ACM 的 MC, 以及与星形胶质细胞的协商。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: pBECs 和大鼠星形胶质细胞初始培养的典型时间过程.相衬显微镜图像的文化 pBECs (A-c)和星形胶质细胞(d-F)查看超过5天。纯化毛细片段在最初的文化的第一天显示存在毛细血管和污染细胞(A, 天 1), 在中等变化后2天和额外的一天的增长, 显示选择 pBECs,从毛细管片段(B,天 3)开始它们的增长。pBECs 的汇合单分子膜通常在4-6 天实现, 此时 pBECs 显示纺锤形的形态学并且纵向对齐(C).在下井中播种的大鼠星形胶质细胞通常在5天内增殖到汇合层(D-F), 并在2周的生长后用于该模型。所有图片的缩放栏: 200 µm.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: pBECs 的紧密连接完整性表观渗透性 (Papp) pBECs 到细胞标记蔗糖 (兆瓦 342.5 14C 标签, 14.8-25.9 GBq/摩尔) 和路西法黄色 (兆瓦 521.57, 10 µg 毫升-1), 密谋反对 TEER。pBECs 生长在1.12 厘米2渗透性膜插入过滤器以上的大鼠星形胶质细胞在井的底部和标记添加到顶端室。1小时后在 37 #730;测量了基室中标记的外观, 并计算了 apical-to-basal Papp (x 10-6 cm 秒-1)。TEER 是测量和 #62; 3 小时前 Papp, 使用 STX100C EVOM 电极, 纠正了空白渗透膜插入过滤器与电阻150ω. 平均 TEER 的路西法黄色数据集是1249±80Ω cm2 (平均± SEM, n=55)。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: pBECs 的免疫细胞化学特性对于 pBECs 生长在1.12 厘米2渗透膜插入过滤器上面的大鼠星形胶质细胞的基础井, 免疫荧光显微镜分析的紧密接合组件(A) Claudin 5 (B)蛋白(C) ZO-1,黏着结蛋白(D) p120 蛋白在细胞连接处表现出明确的定位, 并显示出具有纺锤形、不重叠细胞的汇合脑内皮细胞层。所有图片的缩放栏:10 µm.请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

理事会的纯化与增殖

在纯化过程中, 关键步骤包括快速有效地去除脑膜和白、灰物质的分离, 这对纯化产量和纯度以及正确建立模型具有重要意义。为提出的体外BBB 模型使用 pBECs, 我们改进和简化了基于机械均匀化的分离灰物质的纯化过程, 微血管分离的大小选择过滤, 胶原酶消化, dnasei 和胰蛋白酶, 具有微血管片段的初始培养。一般而言, 净化和培养原细胞的主要挑战之一是消除污染细胞。对原发脑血管内皮细胞进行纯化的经验表明, 彻底切除脑膜和白质均可改善毛细血管的纯度和产量, 以及增加内皮细胞的生长和血 BBB 的表达特征.因此, 在所提出的协议中仔细切除脑膜 (包括内沟) 的目的是为了确保去除脑膜细胞 (具有成纤维细胞样的特性), 以及动脉和动脉平滑肌细胞, 生长比内皮细胞在文化中更快。同样, 对白质物质的最小化导致了更纯净的内皮细胞培养物, 从孤立的毛细血管片段中生长的污染细胞较少。然而, 这种简化、快速的分离方法降低了孤立毛细血管的收率, 而灰色物质隔离的优化可以显著提高各脑的产量。密度梯度, 这是包括在一个替代纯化协议69, 可用于隔离游离内皮细胞和改善内皮细胞纯度, 但它是费时, 并可以同样降低产量。这两种纯化方法已被广泛使用和特点, 并共享的特点, 产生高 TEER 理事会模型在 MC 和星形胶质细胞共培养 (通常500-1500 Ω cm2)7,16, 21,22,49,57,70,71

为了建立具有高细胞限制的单分子膜, 经验表明, 周必须从内皮培养物中消除16。猪脑周一般生长在理事会层以下, 并不会导致内皮层的空洞, 如观察到大鼠脑内皮细胞的培养72,73。然而, 周在理事会的文化中, 往往会影响内皮细胞的形态学, 这看起来更广泛和不规则细胞寄宿16。由于脑内皮细胞表达更高水平的外排转运体 (p-糖蛋白) 比其他细胞类型的微血管, 污染细胞的数量可以减少嘌呤治疗74。此外, 使用血浆源性血清 (pds) 而不是胎儿或新生小牛血清有利于内皮细胞的生长, 因为 PDS 有较低的浓度的生长因子, 如血小板衍生生长因子和血管内皮生长因素, 这是显示增加 BBB 通透性和刺激血管生成14,75,76,77。通过引入分离的毛细管片段的初始培养, 并结合嘌呤治疗 (4 µg/毫升) 和 PDS 的使用, 我们成功地大大减少了净化后残留的污染细胞的数量, 因此我们可以在渗透膜上建立致密的内皮细胞膜。为了保证培养皿和渗透膜表面的内皮细胞的最佳附着, 人们观察到, IV 型胶原 (从人胎盘) 和纤维连接蛋白的涂层混合物大大增加了增殖因此, 在传统的方法中, 仅使用 i 型胶原蛋白 i78, 从而有利于产量和组合混合物。

细胞分化与高 TEER体外血脑屏障模型的建立

pBECs 在 MC 通常保留许多 BBB 关键特征在隔离以后, 因此与星形胶质细胞共培养不是必要的诱导功能紧的连接点和达到高 TEER 值16,57。努力优化内皮细胞分化为 BBB 表型的条件包括使用含血清培养基辅以 8-CPT 阵营, 氢化可的松7 (增加细胞内 cAMP 水平13) 和RO 20-1724 (维护细胞内阵营水平), 根据早先调查结果74,79一起成功地提高了屏障的严密性和增加了 TEER, 也可能帮助恢复了更在体内像基因表达式配置文件80。然而, 使用氢化可的松来收紧内皮层可能会改变内皮细胞对某些刺激的反应, 为了使用该模型来调查炎症过程中对化疗和细胞因子的反应,可能需要避免使用氢化可的松。

从比较研究与 mc, mc 与 ACM 和星形胶质细胞 co-cultures 在参与实验室和其他地方, 它已经证明星贡献能改善内皮血脑屏障特征和增加障碍紧紧21,40,42,49,79,81,82,83. 为了在 pBECs 中达到如此高的血脑屏障表型, 我们建立了一个与星形胶质细胞, 并发现猪和大鼠主要的星形胶质细胞都是有益的, 也在其他实验室中观察到22。在星形胶质细胞净的建立过程中, 经验表明星形星的纯度和年龄会影响血管内皮屏障的致密度, w随着时间的推移, 星形胶质细胞的最佳年龄为2-8 周, 这与一观察到的变化有关。在建立该研究计划的前一天, 对星形胶质细胞的培养基改变是为了去除有害的代谢物, 并允许有足够的时间让星形胶质细胞释放刺激和影响屏障发育的信号因素。在渗透膜插入系统中大块内皮细胞和星形胶质细胞膜时, 必须特别注意屏障模型的处理。在中度变化时, 必须仔细地进行介质的吸入和添加以及插入物的运动, 以便最大限度地减少内皮屏障的破坏。

重现性和可靠性

当使用原细胞建立体外模型时, 一个巨大的挑战是在不同的文化间实现高重复性。这种标准化可以通过选择方法, 使用高质量的工具和试剂, 以及在显微切割方面的经验来实现。高重现性与低批次变异为被提出的方法是高度依赖于严密的坚持到被描述的规程。

为了在 TEER 测量期间实现批次和小瓶之间的良好重现性, 可以使用具有刚性微型电极的组织电阻测量室或上皮表, 而不是灵活的筷子电极, 从而减少观察到的 TEER 值的变异性。除了实现高 TEER 值 (图 4) 外, 所给模型的可靠性还通过相应的低小溶质渗透性 (图 4) 和 pBECs 的免疫细胞化学特性 (图5).

应用方法和模型的局限性

在过去的几十年中, 转基因和微型猪的使用有所增加, 但与啮齿类动物模型的数据相比,体内数据的数量仍然有限, 因此可能对比较体外猪的数据构成挑战使用在体内结果。然而, 由于猪的生物学比许多已经建立的实验动物更能反映人类生物学, 而转基因猪模型用于研究阿尔茨海默氏病等神经系统疾病, 现在已经建立了84, 可用性在体内数据预计会随着时间的推移而变得不那么成问题。

当前渗透膜系统模型的一个局限性 BBB 是无法模拟血液流动的微血管。在体内, 剪切应力已被证明影响内皮细胞生理学的许多方面, 如分裂, 分化, 迁移和凋亡85,86, 并影响重要的 BBB 特征, 如连接蛋白的表达, 以及转运体的诱导和极化61,85,87。为了介绍这种情况, 新开发的微流控系统可以被认为是88,89,90

一个有用的方法来纠正搅拌水层 (水边界层) 的影响, 从体外渗透率数据是得出预测的 ' 内在渗透性 '在体内, 使用基于软件的方法21。该软件还可用于详细的渗透率数据分析21

方法的未来应用和方向

由于神经血管单元的组成部分已被证明在诱导和维持脑屏障功能方面发挥重要作用, 而目前的体外模型尚未能够完全模仿体内条件、重要成分和可能仍然缺少交互。目前在开发所提出的模型, 包括建立三培养模型的星形胶质细胞和周, 和实验结合不同物种的细胞。到目前为止, 还没有观察到周的加入, 以显著增加屏障的 TEER 水平。然而, 体的猪模型已经被观察到与三重培养相媲美, 使用猪脑内皮细胞, 大鼠星形胶质, 和大鼠周的屏障严密性和标志蛋白的表现特征的大脑内皮细胞22。为了建立一个基于人类细胞的模型, 未来的发展,在体外BBB 模型的药物发现和分娩可能依赖于衍生的人多能干细胞和成体干细胞和/或祖细胞21

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Disclosures

作者报告没有利益冲突。

Acknowledgments

作者想承认伊丽莎白. 海伦娜 Bruun, 萨拉. 克里斯汀和 Kristiansen 的技术援助, 以及 Lundbeck 基金会授予号码 R155-2013-14113。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Fibronectin Sigma-Aldrich F1141
Collagen IV Sigma-Aldrich C5533
Poly-L-lysine Sigma-Aldrich P1524
DMEM/F-12 Lonza BE12-719F
DMEM/Low Glucose Sigma-Aldrich D6046
Penicillin/Streptomycin Gibco Invitrogen 15140
Plasma derived serum (PDS) First Link UK Ltd. 60-00-89
Fetal bovine serum (FBS) Gibco Invitrogen 10-270-106
Trypsin/EDTA Gibco Invitrogen 15090-046
Heparin Sigma-Aldrich H3393
Puromycin Sigma-Aldrich P8833
Hydrocortisone Sigma-Aldrich H4001
8-CPT-cAMP Biolog C010
RO 20-1724 Sigma-Aldrich B8279
Gentamicin Sulfate Lonza 17-518Z
DMSO Sigma-Aldrich 34896
PBS Sigma-Aldrich D8537
EtOH VWR 20,824,296 Mix the 70 % solution from the 96 % EtOH
DNAse 1 Sigma-Aldrich D4513
Collagenase CLS2 Sigma-Aldrich C6885
ddH2O Made with Elga System
T75 flasks Thermo Scientific 156499
Costar Transwell inserts (Cell permeable membrane inserts) Costar CLS3401 12-well plate, 12 mm diameter, 0.4 μm polycarbonate membrane
15 ml centrifuge tubes Cellstar 188271
50 ml centrifuge tubes Cellstar 227261
Petri dishes Thermo Scientific 150350
Cryo vials Thermo Scientific 377224
500 ml bottle Thermo Scientific 159910/159920
Scalpels Swann-Morten REF0211 Type 24
Tissue homogenizer Sigma D9188
140 μm filters MERCK NY4H04700
40 μm filters Corning 431750
EndOhm chamber system World Precision Instruments ENDOHM-12 EndOhm chamber for 12mm Culture Cups
EVOM2 electrode system World Precision Instruments 300523+STX100C TEER measurement system with rigid STX-100C electrode pair
Long needle Sigma Attach to a syringe
Fine-tip curved forceps KLS Martin 12-409-12-07
Broad tip forceps VWR 82027-390
Filter holder MERCK Milipore Swinnex-47
50 ml syringe Braun 4617509F
10 ml syringe Terumo SSt20ESI
Anti-Occludin antibody Abcam ab31721 1:100
Anti-p120 Catenin antibody BD Transduction laboratories 610133 1:200
Anti-ZO-1 antibody Invitrogen 61-7300 1:200
Anti-Claudin 5 antibody Sigma-Aldrich SAB4502981 1:100
Donkey anti rabbit IgG conjugated with Alexa Flour 568 Thermo Scientific A10042 1:500
Donkey anti mouse IgG conjugated with Alexa Flour 488 Thermo Scientific A21202 1:500
Sucrose Perkin Elmer NEC100X250UC 0.15µl/ml final working conc
Lucifer Yellow Sigma L0144 10 µg/ml final working conc

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References

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