本协议的目标是使用可访问和简单的长期培养技术,描述血管化人类皮肤等价物的生成和体积分析。尽可能描述步骤的理由,使研究人员能够根据他们的研究需求定制。
人类皮肤等价物 (HSEs) 是组织工程构造,可模拟人的皮肤表皮和皮肤成分。这些模型已用于研究皮肤发育、伤口愈合和嫁接技术。许多HES仍然缺乏血管学,并通过文化后组织学剖面进行进一步分析,从而限制了对结构的体积评估。这里介绍的是一个简单的协议,利用可访问的材料产生血管化的人类皮肤等价物(VHSE):进一步描述的是这些构造的体积成像和定量技术。简言之,VHSE构建在12个良好的培养基插入物中,其中皮肤和表皮细胞被植入大鼠尾胶原蛋白I型凝胶中。皮肤室由成纤维细胞和内皮细胞组成,分散在整个胶原蛋白凝胶中。表皮隔间由在空气-液体接口分化的角蛋白细胞(皮肤上皮细胞)组成。重要的是,这些方法是可根据研究人员的需求定制的,结果证明VHSE生成具有两种不同的成纤维细胞类型:人皮肤成纤维细胞(hDF)和人类肺成纤维细胞(IMR90s)。VHSE 的开发、通过共焦显微镜进行成像,并在 4 周和 8 周的时间点使用计算软件进行体积分析。描述了用于体积检查的修复、污渍、图像和清除 VHSEs 的优化过程。这种全面的模型、成像和分析技术很容易根据具有或没有 HSE 经验的各个实验室的具体研究需求进行定制。
人的皮肤执行许多重要的生物功能,包括作为免疫/机械屏障,调节体温,参与水的保留和感官作用1,2,3,4。从解剖学上讲,皮肤是人体中最大的器官,由三个主要层(表皮、真皮和皮下层)组成,除了表皮细胞外,还具有复杂的支离、血管、腺体和免疫/神经系统成分系统。表皮本身由四层细胞组成,这些细胞不断更新,以保持屏障功能和原生皮肤(即汗和皮脂腺、指甲)3的其他结构。皮肤生理学在免疫功能、伤口愈合、癌症生物学等领域非常重要,导致研究人员使用从体外单一培养到体内动物模型等多种模型。动物模型提供了研究皮肤生理学的全部复杂性的能力,然而,与人类相比,老鼠等常用的动物模型具有显著的生理差异。这些限制,以及动物模型成本的增加,导致许多研究人员专注于开发体外模型,更密切地反映人类皮肤的生理1,6。其中,一种更简单的模型类型是人类表皮等价物(HEE;也称为半厚皮肤模型),它只由细胞基质上的表皮角质细胞组成,但捕获内在中看到的表皮分化和分层。在此基础上,包含皮肤和表皮成分(角蛋白细胞和成纤维细胞)的模型通常被称为人类皮肤等价物(HSE)、全厚皮肤模型或有机皮肤构造(OSC)。简言之,这些模型是通过封装凝胶基质内的皮肤细胞和在顶部播种表皮细胞而生成的。然后,通过专门的介质和空气曝光7实现表皮分化和分层。皮肤等价物最常通过使用胶原蛋白I型(大鼠尾巴或牛皮起源)1,8制成的皮肤凝胶的自组装技术产生,但类似的模型已经纳入了其他基质成分,如纤维素9,10,成纤维细胞 衍生11,12,尸体去表皮膜13,14,15,16,商业可用的凝胶和其他1,12,13,17,18,19。目前,有皮肤等价物商业可用(如先前审查的1,2)。然而,这些主要用于治疗目的,不能很容易地针对特定的研究问题定制。
在伤口愈合、移植、毒理学及皮肤病/发展研究中,已应用HES,包括11、12、13、16、8、20、21、22、23。虽然与2D培养24相比,3D培养更全面地模型人体组织的功能,但包含更准确地反映体内群体的不同细胞类型,使得对复杂组织24、25、26中的细胞-细胞协调性的研究得以进行。大多数HSE只包括皮肤成纤维细胞和表皮角蛋白细胞27,虽然体内皮肤环境包括许多其他细胞类型。最近的研究已经开始包括更多的细胞群:这些细胞包括血管内皮细胞10、28、29、30、31、32、33、34、皮下组织35、36、神经成分19、21、干细胞27,37,38,免疫细胞10,39,40,41,42,和其他疾病/癌症特异性模型16,40,43,44,45,46,47。其中特别重要的是血管:虽然一些HES包括血管细胞,但总体而言,它们仍然缺乏与整个皮肤10、29、延长体外稳定性28和适当血管密度的连接性的综合毛细管元素。此外,HSE 模型通常通过文化后组织学剖析进行评估,从而限制了对 HSES 三维结构的分析。三维分析可对血管密度48、49以及表皮厚度和分化的区域变化进行体积评估。
虽然 HSE 是最常见的有机模型之一,但在生成这些构造方面面临许多技术挑战,包括识别适当的细胞外矩阵和细胞密度、介质配方、适当的空气液体接口程序以及后培养分析。此外,虽然 HEE 和 HSE 模型已发布协议,但不存在包含皮肤血管和体积成像而非病理分析的详细协议。这项工作提出了一个可访问的协议,从主要商业细胞系血管化人类皮肤等价物(VHSE)的文化。此协议的编写易于定制,允许直截了当地适应不同的细胞类型和研究需求。为了方便性、可用性和成本,使用简单的产品和生成技术优先于使用市售产品。此外,还描述了直接的体积成像和定量方法,以便评估 VHSE 的三维结构。将此程序转化为一个强大且易于访问的协议,使非专家研究人员能够将这些重要模型应用于个性化医学、血管组织工程、移植开发和药物评估。
该协议为 VHSEs 的生成及其三维分析演示了一种简单且可重复的方法。重要的是,这种方法依赖于很少的专业技术或设备件,使其为一系列实验室访问。此外,细胞类型可以替换为协议中的有限更改,使研究人员能够根据其特定需求调整此协议。
适当的胶原蛋白凝胶是建立皮肤培养的具有挑战性的步骤。特别是在不纯化的情况下使用粗制剂时,微量污染物会影响凝胶过程。为了帮助确保一致性,应使用与 VHSE 生成相同的胶原蛋白库存进行一组实验。此外,凝胶最好发生在 7-7.4 的 pH 度下,微量污染物可能会改变 pH。在使用任何胶原蛋白库存之前,应按照所需的浓度进行练习性乙酰凝胶,并在凝胶凝胶之前测量pH。在开始皮肤成分播种之前完成这种胶原蛋白质量检查,在建立完整的实验之前,将找出适当的凝胶和胶原蛋白均质的问题。而不是将细胞胶原蛋白直接播种到培养物插入上,而是将一些胶原蛋白播种到评估整个 pH 级并验证 7-7.4 pH 的 pH 的 pH 片上。凝胶可以通过将胶原蛋白凝胶溶液的液滴涂在盖片或组织培养塑料井板上进行评估(建议使用井板来模拟培养物插入的封闭侧面)。凝胶时间过后,胶原蛋白应为固体,即当板倾斜时不应流动。在相对比显微镜下,胶原蛋白应看起来均匀而清晰。胶原蛋白播种偶尔产生的气泡是正常的,但透明凝胶中不透明胶原蛋白的大无定形斑点表明,由于混合不足、pH值错误和/或在混合过程中未能保持胶原蛋白冷却,可能会出现问题。
细胞播种量和介质可以调整。在上述协议中,封装的细胞量已优化为 12 井插入 7.5 x 104成纤维细胞和 7.5 x10 5内皮细胞每 mL 胶原蛋白与 1.7 x 105角蛋白细胞种子在皮肤结构之上。细胞密度已优化为这个VHSE协议的基础上,初步研究和以前的研究3D血管网络生成的各种胶原蛋白浓度48和HSE一代22,80,81。在类似的系统中,已公布的内皮细胞密度为1.0×106细胞/mL胶原蛋白48:纤维细胞浓度通常范围从胶原蛋白22、28、82到1 x 105细胞/mL的胶原蛋白8、58、83、84、85:角蛋白细胞浓度范围从0.5 x 105 [细胞/厘米2]80到 1 x 105 [细胞/厘米2]8.细胞密度可以针对特定的细胞和研究问题进行优化。具有收缩细胞(如成纤维细胞)的三维培养物可收缩,导致生存能力降低,培养损失86,87。应完成初步实验,以测试皮肤室的收缩(这可能发生在更多的皮肤细胞,更多的收缩皮肤细胞,更长的浸入培养,或较软的矩阵),并测试表皮表面覆盖。此外,如果发生过度皮肤收缩或需要不同比例的角蛋白细胞覆盖,也可以定制浸入中的天数和减少血清含量的速度。例如,如果在皮肤浸入期间或角膜细胞建立表面单层时注意到收缩,则通过血清锥化过程移动更快,并将 VHSE 提升到 ALI 可以帮助防止额外的收缩。同样,如果角蛋白细胞覆盖不理想,更改 VHSE 在没有血清的情况下被淹没的天数可能有助于增加表皮单层覆盖,并减轻血清被排除在外后的收缩。必须针对特定的培养和研究目标优化细胞密度的变化或上述其他建议。
为了在空气液体接口 (ALI) 期间建立表皮的适当分层,必须定期检查和保持每口井中的流体水平,以便在整个培养长度中保持每个构造的ALI和适当的水化。应每天检查和跟踪媒体级别,直到建立一致的 ALI 级别。表皮层应看起来水合,而不是干燥,但结构上不应有介质池。在 ALI 期间,构造将发展出不透明的白色/黄色,这是正常的。表皮层可能发育不均匀。通常,VHSEs 由于胶原蛋白播种或皮肤收缩而倾斜。观察结构中间较高的表皮部分(24口井大小)和12口井大小的VHSE周边的山脊地层也是正常的。结构 13 的收缩可能会更改这些地形地层,并且/或根本不可能观察到。
VHSEs 的染色和成像为 VHSEs 引入了机械操作。计划和限制对每种文化的操纵是非常重要的。当需要操作时,在从插入膜中去除 VHSE 时,在向构造表面添加染色或洗涤溶液时,以及在成像准备过程中在存储/成像井中拆卸和更换 VHSE 时,保持温和的运动。具体来说,表皮成分的顶层可能是脆弱的,有从基底表皮层脱落的风险。表皮的顶层是脆弱的,即使在原生组织4中也会经历脱毛,但要准确分析表皮结构,必须尽量减少损伤或损失。如果表皮层从构造中取出,则可以单独成像。表皮的基底层很可能仍然附着在真皮上,而部分皮层可能分离。对于表皮的可视化,核污渍有助于观察这一点,因为密集的原子核是表皮中下层的特征。
协议中已经讨论了 VHSE 修复后的对焦成像,但也可以通过直立光学相干断层扫描(OCT)88、89、90、91、92、93来对整个文化中的 VHSE 进行成像。VHSE 足够稳定,能够承受不孵化或加湿的成像至少两个小时,不会产生明显效果。由于 OCT 标签为无和非侵入性,因此可以跟踪成熟期间的表皮厚度。其他非侵入性成像模式也可能被采用。
由于 VHSE 中较深的激光衰减,合并的皮肤和表皮结构的体积成像可能具有挑战性。这可以通过成像结构在两个方向,从表皮侧(图1)和皮肤侧(图2),使皮肤血管结构和表皮的良好分辨率减轻。此外,可以清除样品,允许以最小的衰减度对整个结构进行体积图像。然而,尝试了几种清除方法,所描述的甲醇/甲基水杨酸盐方法产生了最佳效果。有兴趣优化其他结算方法的研究人员针对这些评论49,61,62。如果清除,建议在清除前对样品进行完全成像,因为该方法可能会损坏氟磷和/或结构。此外,成像应在清除后尽快完成,因为荧光可能在几天内消失。
为了简单和无障碍,该协议利用了在以前的文献11,80中发现的最简单的媒体混合。虽然使用简单的媒体混合有很多优点,但这种选择的局限性也得到了认可。其他组研究了特定介质成分对表皮和皮肤健康的影响,发现其他介质添加剂94,如外部自由脂肪酸/脂质,增强表皮的地层角膜,改善皮肤屏障功能。虽然我们的免疫荧光标记显示表皮的适当分化和分层,但根据正在进行的研究,可能需要额外的介质优化。此外,在评估此处介绍的 VHSE 时,没有对表皮 BM 进行广泛分析。BM 的完整性是皮肤等价物的重要标志:各组对BM标记95的文化持续时间及其对BM标记的影响进行了研究,并分析了成纤维细胞的存在,并增加了生长因子对BM表达14的影响。需要注意的是,使用此协议时应评估和优化 BM 组件的分析。
在此协议中,描述了 VHSE 生成的程序,在 ALI 的 8 周后演示结果。VHSE 文化在 ALI 的培养时间长达 12 周,没有明显变化或生存能力丧失,而且它们可能存活的时间更长。重要的是,此协议很容易适应常见的细胞类型,用IMR90肺成纤维细胞替换皮肤成纤维细胞就证明了这一点。根据研究人员的需求和可用资源,可以调整细胞类型和培养物上的介质混合,尽管更不同的细胞类型可能需要媒体优化。总之,这些程序旨在为皮肤生物学和疾病研究提供VHSEs文化的清晰性。为了最大限度地提高可访问性,该协议使用通用设备、细胞线和试剂开发了这种简单而坚固的,作为一种最低限度的有效方法,可以根据研究的具体需求进一步定制。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢吉姆·莱因瓦尔德博士59 和艾伦·范登·博加德博士20, 感谢他们慷慨的N/TERT细胞系的礼物。这项工作得到了美国心脏协会(19IPLOI34760636)的支持。
1 N NaOH | Fisher Chemical | S318-100 | (Dilute from Lab stock) |
4% Paraformaldehyde | ACROS Organics | #41678-5000, Lot # B0143461 | Made up using solid Paraformaldehyde in PBS, pH adjusted to 6.9 |
Autoclaved forceps | Fine Science Tools | #11295-00 | Dumont #5 forceps |
CaCl2 | Fisher bioreagents | Cat # BP510-250, Lot # 190231 | Rnase, Dnase, Protease-Free |
Cell line, Endothelial: Microvascular Endothelial Cell (HMEC1) | ATCC | CRL-3243 | SV40 Immortalized microvascular endothelial cell. Note that 750,000 cells/mL of collagen were used. |
Cell line, Fibroblasts: dermal Human fibroblast, adult | ATCC | PCS-201-012 | Primary dermal cells. Note that 75,000 cells/mL of collagen were used. |
Cell line, Fibroblasts: human lung firbroblast (IMR90) | ATCC | CCL-186 | Primary embryonic cells. Note that 75,000 cells/mL of collagen were used. |
Cell line, Keratinocyte: N/TERT-1 | Immortalized via hTERT expression. N/TERT-1 was made using a retroviral vector conferring hygromycin resistance. Cell line established by Dickson et al. 2000. Can be replaced with ATCC PCS-200-010 or PCS-200-011. Note that 170,000 cells were used per construct; N/TERT1 cells must be used from plates that are 30% confluent- two 30% confluent 90 mm tissue culture dishes give more than enough cells.The authors thank Dr. Jim Rheinwald and Dr. Ellen H. van den Bogaard for their generous gift of N/TERT cell lines. | ||
Centrifuge | Thermo Scientific; Sorvall Legend X1R | (standard lab equipment) | |
Computational Software | MATLAB | MATLAB 2020a | MathWorks, Natick, MA. |
Confocal Microscope | Leica TCS SPEII confocal | Laser scanning confocal. Can be replaced with other confocals or deconvolution microscopy. | |
Cover Glass (22 x 22) | Fisher Scientific | 12-545F | 0.13-0.17 mm No.1 Thickness |
Cyanoacrylate super glue or silicone grease | Glue Masters | #THI0102 | Glue Masters, THICK, Instant Glue, Cyanoacrylate; super glue is preferred |
DMEM media base | Corning; Mediatech, Inc | REF # 10-013-CM; Lot # 26119007 | DMEM, 1X (Dulbecco's Modification of Eagle's Medium) with 4.5 g/L glucose, L-glutamine & sodium pyruvate |
DMEM/F-12 50/50 | Corning; Mediatech, Inc | REF # 10-090-CV; Lot # 21119006 | DMEM/F-12 50/50, 1X (Dulbecco's Mod. Of Eagle's Medium/Ham's F12 50/50 Mix) with L-glutamine |
Ethanol | Decon Labs | #V1101 | (standard lab reagent) |
Fetal Bovine Serum | Fisher Scientific | Cat # FB12999102, Lot # AE29451050 | Research Grade Fetal Bovine Serum, Triple 0.1 um sterile filtered |
Fine tip forceps | Fine Science Tools | #11295-00 | Dumont #5 forceps |
Human Epidermal Growth Factor (EGF) | Peprotech | Cat # AF-100-15-1MG, Lot # 0318AFC05 D0218 | Made up in 0.1% BSA in PBS |
Hydrocortisone | Alpha Easar | Lot # 5002F2A | made up in DMSO |
Insulin (human) | Peprotech | Lot # 9352621 | |
Inverted Light/Phase Contrast Microscope | VWR | 76317-470 | (standard lab equipment) |
Isoproterenol | Alfa Aesar | #AAJ6178806 | DL-Isoproterenol hydrochloride, 98% |
Keratinocyte-SFM (1x) media base | Gibco; Life Technologies Corporation | REF #: 10724-011; Lot # 2085518 | Keratinocyte-SFM (1X); serum free medium |
L-Ascorbic Acid | Fisher Chemical | Cat # A61-100, Lot # 181977, CAS # 50-81-7 | Crystalline. L-Ascorbic acid can also be purchased as a salt |
L-glutamine (solid) | Fisher Bioreagents | CAT # BP379-100, LOT # 172183, CAS # 56-85-9 | L-Glutamine, white crystals or Crystalline powder |
MCDB 131 media base | Gen Depot | CM034-050, Lot # 03062021 | MCDB 131 Medium Base, No L-Glutamine, sterile filtered |
Metal punches | Sona Enterprises (SE) | 791LP, 12PC | Hollow Leather Punch Set, High Carbon Steel, Hardness: 48HRC; (various sizes including): 1/8", 5/32", 3/16", 7/32", 1/4", 9/32", 5/16", 3/4", 7/16", 1/2", 5/8:, 3/4". This punch set is helpful, but x-acto knife can work as well. Size of metal punch that works well for 12 well transwell VHSE is 3/8" or 1/2". |
Methanol | Fisher Chemical | CAS # 67-56-1 | (optional). For clearing dehydration step. |
Methyl Salicylate | Fisher Chemical | O3695-500; Lot # 164535; CAS # 119-36-8 | (optional). For clearing. |
Microtubes, 1.7 mL | Genesee Scientific Corporation; Olympus Plastics | Cat # 24-282; Lot # 19467 | 1.7 ml Microtubes, Clear; Boilproof, Polypropulene, Certified Rnase, Dnase, DNA, PCR inhibitor and endotoxin-Free |
PBS, 10x Culture grade or autoclaved | APEX Bioresearch Products | Cat # 20-134, Lot # 202237 | PBS Buffer, 10x Dry Pack; add contents of pack into container and add water to 1 liter to produce 10x concentrated. |
PBS, 1x Culture grade, (-) Calcium, (-) magnesium | Genesee Scientific Corporation | Ref # 25-508; Lot # 07171015 | |
PBS, 1x non-Culture grade | APEX Bioresearch Products | Cat # 20-134, Lot # 202237 | PBS Buffer, 10x Dry Pack; add contents of pack into container and add water to 1 liter to produce 10x concentrated. Dilute to 1x with water. |
Penicillin/Streptomycin | Gibco; Life Technologies Corporation | Ref # 15140-122, Lot # 2199839 | Pen Strep (10,000 Units/mL Penicillin; 10,000 ug/mL Streptomycin) |
Petri Dish, glass, small | Corning | PYREX 316060 | (optional). To be used as a clearing container |
Petri Dishes, 100 mm | Fisher Scientific | FB0875713 | Use for making up PDMS. |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | GMID 02065622, Batch # H04719H035 | Sylgard 184 Silicone Elastomer Base, Dow Corning, Midland, MI) |
Dow Corning | GMID 02065622, Batch # H047JC4003 | DOWSIL 184, Silicone Elastomer Curing Agent | |
note: PDMS is usually sold as a kit that includes both the base and curing agent components. | |||
Positive Displacement Pipettes (1000 & 250 uL) | Gilson | 1000 uL: HM05136, M1000. 250 uL: T12269L | M1000 pipette capacity (100-1000 uL); M250 pipette capacity to 250 uL |
Positive Displacement Tips/Pistons (1000 & 250 uL) | Gilson | 1000 uL: CAT # F148180, BATCH # B01292902S; 250 uL: CAT # F148114, BATCH # B05549718S | Sterilized capillaries and pistons |
Round tipped scoopula | (optional; standard lab equipment) For manipulation of VHSEs prior to imaging | ||
Supplements for Keratinocyte-SFM media | Gibco; Life Technologies Corporation | Ref # 37000-015, Lot # 2154180 | Contains EGF Human Recombinant (Cat # 10450-013), Bovine Pituitary Extract (Cat # 13028-014) |
Tissue Culture Plate Inserts, 12 well size, 3 µm pore size | Corning; Costar | REF # 3462 – Clear; Lot # 14919057 | Transwell; 12 mm Diameter Inserts, 3.0 um pore size, tissue culture treated, polyester membrane, polystyrene plates, |
Tissue Culture Plates, 12 well size | Greiner Bio-one; CellStar | Cat # 665 180; Lot # E18103QT | 12 well cell culture plate; sterile, with lid; products are sterile, free of detectable Dnase, Rnase, human DNA and pyrogens. Contents non-cytotoxic |
Tissue Culture Plates, 60.8cm^2 growth area | Genesee Scientific Corporation | Cat # 25-202; Lot No: 191218-177B | Tissue culture dishes; treated, growth area 60.8 cm^2; sterile, Dnase, Rnase, Pyrogen Free; virgin polystyrene |
Triton x 100 | Ricca Chemical Company | Cat # 8698.5-16, Lot # 4708R34 | Wetting agent |
Trypsin 0.25% | Corning; Mediatech, Inc | Ref # 25-053-CI | 0.25% Trypsin, 2.21 mM EDTA, 1x [-] sodium bicarbonate |
Type 1 Collagen isolated from Rat tail | Pel-Freez Biologicals | 56054-1 | Sprauge-Dawley rat tails can be purchased frozen from Pel-Freez or other suppliers. Collagen can be isolated from the tail tendons. Isolation Protocol references [Cross et al.,2010; Rajan et al.,2007; Bornstein, 1958] .Alternatively, high concentration rat-tail collagen can be purchased from suppliers including Corning (Catalog Number: 354249) |
Vaccum chamber, benchtop | Bel-Art | F42010-0000 | (standard lab equipment) |
Handheld Precision knife | X-Acto | X3311 | (X-Acto knife optional if purchased steel punches) |