Method Article
Протокол производства и культивирования прецизионно нарезанных срезов печени (PCLS) для исследования печени мышей. В статье основное внимание уделяется ключевым аспектам протокола, который требует только стандартного лабораторного оборудования с доступом к вибратому и позволяет выживать PCLS в течение как минимум 4 дней.
Этот протокол представляет собой простую систему для создания и культивирования прецизионно нарезанных ломтиков печени (PCLS). PCLS содержит все клетки в неповрежденной среде и, следовательно, напоминает мини-модель целого органа. Они позволяют изучать живые ткани, воспроизводя их сложные фенотипы. Этот протокол позволяет проводить подготовку срезов из печени мышей с помощью вибратома и стандартного лабораторного оборудования. Протоколы производства и культивирования PCLS не стандартизированы и могут сильно различаться в зависимости от интересующей ткани, типа используемого вибратома и потребности в кислороде. Их может быть трудно воспроизвести в некоторых лабораториях, которые имеют доступ только к базовому вибратому и обычным средствам для культивирования тканей. Мы составили протокол, в котором особое внимание уделяется важности некоторых ключевых шагов в рамках уже имеющихся протоколов. Таким образом, этот протокол подчеркивает важность метода встраивания, ориентацию разреза, динамическую систему по сравнению со статической, а также актуальность минимального объема культуры. Этот протокол может быть разработан и воспроизведен простым способом в большинстве лабораторий, имеющих доступ к базовому срезу тканей. В совокупности и в соответствии с этим протоколом PCLS может оставаться в живых не менее 4 дней. PCLS является простой, экономичной и воспроизводимой моделью для изучения патофизиологического и терапевтического скрининга таких органов, как печень.
Прецизионно вырезанные срезы тканей (ПКТ) представляют собой тонкие срезы органов. Они позволяют сохранить архитектуру органа, реплицирующегося мини-органом, сохраняя при этом трехмерный аспект соседних клеток и внеклеточного матрикса. Это привлекательная модель благодаря легкому доступу, экономичности и менее трудоемким характеристикам при сохранении архитектуры ткани.
ПКТ заполняет пробел между исследованиями клеток in vitro и исследованиями in vivo на животных, преодолевая большинство недостатков обеих моделей. ПКТС был получен из различных органов, таких как печень1, кишечник 2,3, толстая кишка2, мозг 4,5, легкие 6,7,8, почки 9,10, селезенка11,12, сердце13,14, а также опухоли15,16. Они также могут происходить от различных животных, таких как мышь1, крыса17,18, а также свинья19 и человеческие хирургические отходы 15,20,21. Несмотря на то, что ПКТ требуют использования животных, что подразумевает этические проблемы, орган одного животного может генерировать несколько ПХТ, тем самым сокращая количество животных в соответствии с руководящими принципами NC3Rs (Сокращение, Замена, Уточнение)22 при одновременном ограничении межиндивидуальных вариаций.
Разработка усовершенствованных тканевых слайсеров, например, вибротомов23, позволила перейти от нарезанных вручную срезов, характеризующихся неоднородной толщиной и низкой приживаемостью, к воспроизводимым более тонким срезам с лучшей сохраненной структурной целостностью.
Тем не менее, протоколы подготовки и культивирования прецизионно нарезанных ломтиков печени (PCLS) значительно различаются в литературе и не стандартизированы, особенно в отношении таких важных параметров, как оборудование для нарезки, содержание среды и условия культивирования. Протоколы также могут заметно различаться в зависимости от ткани происхождения. Некоторые из протоколов потребуют насыщения кислородом буфера или культуры с помощью некоторых сложных биореакторных систем24. Обычно они сосредоточены на различных технических аспектах или предназначены для разных тканей и часто могут быть дорогостоящими и сложными для воспроизведения в обычной лаборатории экономически эффективным способом.
В данном протоколе сведены воедино некоторые ключевые моменты, такие как метод встраивания, направление разрезания, использование трансвеллов25, динамическая система культивирования26 и важность минимального объема культуры. Некоторые из этих этапов ранее были оптимизированы независимо или в другом контексте, например, фиброз27 или ответ опухоли28. Этот протокол также подчеркивает важность встраивания с использованием определенных типов срезов и ориентации резки, которые являются сложными параметрами для освоения и часто игнорируются в литературе. Этот простой метод позволяет получать PCLS, поддерживаемый в культуре в течение как минимум 4 дней с простой настройкой и использованием стандартного лабораторного оборудования с доступом к рудиментарному тканевому срезу.
Мыши дикого типа CD57Bl/6J были приобретены у Charles River Laboratories. Мыши имели свободный доступ к пище и воде, содержались в индивидуально вентилируемых клетках с контролируемой температурой и влажностью и с 12-часовым световым циклом. Животных в возрасте 3 недель приносили в жертву, а печень быстро заготавливали без перфузии. Все работы с животными были одобрены после местной этической экспертизы Советом по благополучию животных и этической экспертизе Университетского колледжа Лондона и выполнены в соответствии с лицензией проекта Министерства внутренних дел PP9223137 и в соответствии с Законом о научных процедурах Министерства внутренних дел (животные) (1986 г.) и руководящими принципами ARRIVE. Были предприняты все усилия для ограничения вреда животным в соответствии со стандартной практикой Отдела биологических служб Университетского колледжа Лондона.
1. Подготовьтесь к эксперименту
2. Забор печени и подготовка (15 мин)
3. Заделка долей печени (по 25 мин для каждой доли печени)
4. Получение ломтиков печени (40 мин на долю)
5. Инкубация срезов печени
6. Анализ выживаемости клеток
7. Гистологическое окрашивание
При заборе перфузия животного намеренно не проводится, чтобы обеспечить быструю обработку органа и предотвратить его повреждение. Печень быстро извлекается после разреза и сразу же помещается в ледяной буфер для защиты органов, например, буферКребса 24,29. Несмотря нато, что срезание свежей ткани печени без встраивания было описано ранее1, встраивание печени в легкоплавкую агарозу30 (рис. 1) в сочетании с органозащитным буфером обеспечит оптимальные условия разрезания вибратома, уменьшая повреждение тканей и увеличивая воспроизводимость толщины среза. Толщина ткани имеет решающее значение, так как тонкие срезы позволяют большему количеству слоев клеток получать доступ к питательным веществам икислороду31 и снижают гибель клеток. Однако слишком тонкие участки становится трудно однородно резать. И наоборот, ломтики толщиной более 400 мкм будут иметь меньшую скорость проникновения питательных веществ. Секции инкубировали на границе раздела жидкость-воздух с помощью вставки (рис. 1) и инкубировали с 5% CO2 и 21%O2 при 37 °C на шейкере. Секции должны быть инкубированы в питательной среде в течение 3 ч после сбора, после чего происходит быстрая гибельклеток32.
Для определения жизнеспособности PCLS жизнеспособность клеток оценивали с помощью анализа 4,5-диметилтиазол-2-ил)-5-(3-карбоксиметофенил)-2-(4-сульфоффенил)-2H-тетразолия (MTS), для снижения MTS которого требуются NAD(P)H-зависимые дегидрогеназы, т.е. метаболически активные клетки. Значения MTS нормализованы до соответствующей массы среза. Для оптимизации жизнеспособности PCLS минимальный объем питательной среды был необходим для поддержания жизнеспособности после 24 ч инкубации. Объем 0,7 мл в 24-луночных планшетах показал значительное снижение жизнеспособности при анализе ТМС (p = 0,02) по сравнению с 1,5 мл в 12-луночных планшетах и 2,6 мл в 6-луночных планшетах (рис. 2А). Эти объемы были выбраны таким образом, чтобы можно было немного покрыть секции, но они могут нуждаться в корректировке в зависимости от типа используемых вставок и пластин. Как и другие33, 12-луночные планшеты используются в качестве наилучшего компромисса для оптимальной выживаемости в меньшем объеме питательной среды.
Встряхивание имеет важное значение и повышает жизнеспособность PCLS на 50% через 24 ч после инкубации по сравнению со статической культурой (рис. 2B). Встряхивание создает критически важную границу раздела воздух-жидкость, оптимизированную с помощью трансвеллов, обеспечивая доступ питательных веществ и кислорода к обеим сторонам секции. Поглощение кислорода и питательных веществ также увеличивается за счет постоянного потока, создаваемого встряхивающим движением, которое также проходит через трансвелловую мембрану.
Анализ MTS оценивали с 1 ч инкубации до 6 суток инкубации. Жизнеспособность клеток оставалась постоянной с 0-го по 4-й день после инкубации, прежде чем наблюдалось значительное снижение (p = 0,05) на 6-й день (рис. 2C). Морфология PCLS, оцененная с помощью окрашивания гематоксилином и эозином (H&E), не показала изменений желчных протоков и архитектуры в течение 5 дней после инкубации (рис. 3A-D). По сравнению с 0-м днем (Рисунок 3A), PCLS не показал гистологической разницы на 1-й день (Рисунок 3B) и на 2-й день (Рисунок 3C) после инкубации, с ядерной гиперхромазией, легким воспалительным инфильтратом, вакуолизацией в пользу умеренного процесса гибели клеток на 5-й день после инкубации (Рисунок 3D). В совокупности этот протокол культивирования PCLS обеспечивает жизнеспособность в течение как минимум 4 дней, что согласуется с исследованиями с использованием срезов в аналогичных условиях31.
Рисунок 1: Схема, обобщающая протокол для генерации PCLS. Эта цифра была изменена с34. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Оптимизированный протокол культивирования PCLS показывает удовлетворительную жизнеспособность в течение 5 дней. (A) Влияние размера лунки на пролиферацию клеток (n=3). (B) Влияние тряски на пролиферацию клеток (n=6 на условие). (C) MTS Анализ пролиферации клеток из срезов печени от d0 до d6 дней инкубации (n=5 за время). Наружная условная единица, нормализованная для среза свежего веса. На графике показано среднее значение ± SD. Непарный двуххвостый t-критерий Стьюдента, ns=не значимый, *p<0.05, **p<0.01. Эта цифра была изменена с34. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Результаты гистологии. (А-Г) Репрезентативные изображения гистологии ПЦЛ печени после окрашивания H&E. Масштабная линейка = 100 мкМ. Эта цифра была изменена с34. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Мы демонстрируем, что производство и культивирование PCLS может быть легко достигнуто при обеспечении периода полувыведения не менее 4 дней. Этот протокол кратко излагает пять важнейших этапов: метод встраивания, если используется этот тип вибратома, ориентация резки, динамическая система культуры, минимальный объем культуры и использование вставок.
Протоколы производства и культивирования PCLS широко доступны. Тем не менее, им не хватает стандартизации; Они могут быть сосредоточены на схожих и конкретных пунктах протокола, но их может быть трудно воспроизвести простым способом или в большинстве лабораторий, имеющих доступ к базовому вибратому. Типы вибротомов или тканевых слайсеров широки. Они будут различаться по стоимости и техническим характеристикам, например, иметь встроенную систему охлаждения или нет, но их общей особенностью является система резки с помощью качающегося лезвия бритвы. Основное отличие в отношении среза тканей заключается в требовании к заделке. По очевидным причинам и из-за влияния встраивания на жизнеспособность, в идеале его следует избегать. Одним из примеров ссылочного среза, не требующего внедрения, является срезКрумдика 35. Этот тип слайсера позволяет резать ткань в охлажденном буфере с использованием сердцевины, получая срезы равномерного размера, избегая при этом зарастания. Тем не менее, такие устройства, как правило, более дорогие, чем более простые вибротомы, и менее часто используются или доступны в большинстве лабораторий. Вибротомы, подобные тому, который используется в этом протоколе, как правило, уже доступны для разрезания химически фиксированных тканей, но потребуют встраивания долей печени. Некоторые показали, что разрезание срезов печени может быть достигнуто без встраивания и с использованием аналогичноговибратома 1; Однако, по нашему опыту, это оказалось трудно воспроизвести. Кроме того, при использовании этого типа вибратома срезание печени без поддерживающего 3D агарозного геля приводит к повреждению срезов и неравномерной толщине и, следовательно, увеличивает гибель клеток. Этот протокол предполагает разрезание доли печени поперечно, а не сагиттально. Этап резки является сложной техникой для освоения, и, насколько нам известно, ориентация резки является важной деталью, на которой никогда не акцентируется внимание. Ориентация лопасти во время резки может значительно облегчить процесс резки при одновременном снижении давления на печень. Использование гидрогеля также можно рассматривать как улучшенную пользу36.
Следующим важным критерием является необходимость больших объемов культуры для повышения жизнеспособности. Уже было предложено использовать более высокие объемы, чтобы обеспечить больше питательных веществ и разбавить более токсичные продукты желчных кислот37. Добавление динамической системы с встряхиванием и в сочетании с использованием Transwells улучшает доступ питательных веществ и, возможно, кислорода к обеим сторонам секции за счет создания постоянного потока 18,38,39. Использование трансвелла и преимущество динамической системы уже были доказаны в различных контекстах, таких как реакция на срез печени опухоли человека28 и для моделирования фиброза26,27. Данный протокол подтверждает их преимущество в более широком физиологическом аспекте.
Среда Е Вильямса обычно выбирается в качестве стандартной среды для клеточных культур для PCLS 40,41. Было описано, что среда с добавками глюкозы и сыворотки обладает потенциальной пользой для сохранения жизнеспособности и функциональности срезов42. Концентрация глюкозы в средах обычно колеблется от 4 нМ до 36 нМ43,44, но не было найдено единого мнения о влиянии более высокой концентрации глюкозы на жизнеспособность или окислительную реакцию. Утверждается, что добавление инсулина или дексаметазона35 улучшает долгосрочную жизнеспособность, но консенсус не был достигнут, поскольку добавление таких добавок потенциально может вызвать вторичную резистентность к инсулину с последующим эффектом нажизнеспособность.
Предыдущие данные показывают, что срезы толще 200 мкм становятся трудно однородно разрезаемыми и могут проявлять окислительный стресс, в то время как срезы толще 400 мкм демонстрируют низкую скорость проникновения питательных веществ 18,19,46. Кроме того, исходя из внешнего вида PCLS, влияния на текстуру и простоты резки, предпочтение отдается толщине 250 мкм. Проникновение питательных веществ или терапевтического агента во внутренние клеточные слои PCLS также значительно улучшается при использовании трансвеллов как части динамической системы 18,32. В отличие от использования слайсера Крумдика, преимущество которого заключается в получении ломтиков одинакового размера за счет интеграции системы нарезки стержня, протокол может быть адаптирован путем изменения размера ломтиков в равных размерах после нарезки. Тем не менее, в эксперименте следует учитывать изменчивость размера, массы или содержания белка и ее влияние на среду культивирования и, следовательно, на жизнеспособность и биомаркеры. По этой причине показания анализа MTA при использовании этого протокола нормализуются в соответствии с весом каждого среза. Также может наблюдаться неоднородность толщины, но, к сожалению, она, скорее всего, будет наблюдаться при использовании всех типов слайсеров. Пользователь мог бы рассмотреть возможность отбрасывания наименее однородных срезов, оценив их аспект, но это все равно считается ненадежным вариантом и остается недостатком PCTS. Основным ограничением, связанным с этой моделью, остается относительная краткосрочная жизнеспособность, но она попадает в уже опубликованный таймфрейм24,31. Доступность кислорода может быть увеличена для повышения такой жизнеспособности. Некоторые ранее опубликованные протоколы требовали концентрации сложных питательных сред и кислорода выше 80%, повышая метаболизм и обеспечивая более длительную жизнеспособность 1,24,35,38. Также трудно напрямую сравнивать уровни кислорода, используемые для насыщения кислородом PCLS, и уровни кислорода, используемые для культивирования клеточных линий. Данные о влиянии кислорода на физиологию PCLS очень ограничены18,47, и более высокая концентрация кислорода, вероятно, существенно изменит патофизиологию и фенотип, образуя токсичные активные формы кислорода48.
В заключение следует отметить, что PCLS с коротким сроком службы могут производиться с ограниченным использованием оборудования и использоваться в качестве надежной модели ex vivo . Тканевая архитектура имеет решающее значение в физиологии печени, и PCLS, позволяющая сохранить ее, является еще одним примером того, почему эту модель следует рассматривать в более широком смысле. Таким образом, прецизионно нарезанные ломтики должны стать более признанным инструментом в научных исследованиях.
Не существует конкурирующих интересов, подлежащих раскрытию.
Авторы благодарят Мирабелу Бандоль, Саманту Ричардс, Луизу Фишер, Ребекку Таунс и сотрудников Биологической службы Университетского колледжа Лондона за помощь в разведении и поддержании колоний животных. Эта работа была поддержана финансированием Совета по медицинским исследованиям Соединенного Королевства Стипендия клинициста-ученого MR/T008024/1 (JB) и Центра биомедицинских исследований (JB) больницы NIHR Great Ormond Street. Выраженные мнения принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением NHS или NIHR.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3 cm petri dish | Any | any suitable for cell culture | |
6, 12, 24 well culture plate | Any | any suitable for cell culture | |
Cyanoacrylate super glue | Any | ||
D-Glucose | Gibco | A24940 | |
Eosin | Merck | HT110316 | |
Ethanol | Any | ||
Fetal Bovine serum | ThermoFisher | 26400044 | |
Gentamycin | Gibco | 15750060 | |
Hematoxylin | Merck | 51275 | |
HEPES | Gibco | H0887 | |
inserts 8um, for 12 well plates | Strastedt | 83.3931.800 | |
inserts 8um, for 24 well plates | Strastedt | 83.3932.800 | |
inserts 8um, for 6 well plates | Strastedt | 83.3930.800 | |
KREBS | Merck | K3753 | |
Laminar Flow Hood | Hepa air filtration | ||
Low melting agarose | ThermoFisher | 16520050 | |
MTS tetrazolium reagent | Abcam | ab197010 | |
multi-well plate reader | Any | ||
PBS tablets | ThermoFisher | P4417 | |
Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
Scalpel blade | Any | ||
Surgical forceps | Any | with a flat square-tip | |
Surgical scissors | Any | ||
Vibratome | Leica | VT1000 S | |
William’s Medium E with GlutaMAX (WME) | ThermoFisher | W4125 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены