هنا نظهر تقنية محسنة لتقييم إصلاح الجروح باستخدام الجلد البشري السابق vivo جنبا إلى جنب مع نهج تلطيخ جبل كامل. توفر هذه المنهجية منصة ما قبل السريرية لتقييم علاجات الجروح المحتملة.
الجروح المزمنة غير التئام، والتي تؤثر في المقام الأول على كبار السن والسكري، هي مجال كبير من الاحتياجات السريرية التي لم تلب. لسوء الحظ، علاجات الجروح المزمنة الحالية غير كافية، في حين أن النماذج المتاحة قبل السريرية لا تتنبأ بشكل جيد بالفعالية السريرية للعلاجات الجديدة. هنا نصف إنتاجية عالية، نموذج ما قبل السريرية لتقييم جوانب متعددة من استجابة إصلاح الجلد البشري. تم إنشاء جروح سمك جزئي في الجلد الجسم الحي السابق الإنسان ومثقفة عبر مسار زمني الشفاء. تم جمع خزعات جرح الجلد في مثبت لإجراء تلطيخ الجبل بأكمله. تم حجب العينات الثابتة واحتضانها في الأجسام المضادة الأولية ، مع تحقيق الكشف عن طريق الأجسام المضادة الثانوية المقترنة بالفلورسنت. كانت الجروح ملطخة وصورة عن طريق المجهر الكونفوجكال قبل حساب نسبة إغلاق الجرح (إعادة الظهارة) في كل خزعة. تطبيق هذا البروتوكول، ونحن نكشف عن أن 2 مم الجروح الإستئصالية التي تم إنشاؤها في الجلد المانحة صحية يتم إعادة ظهارة تماما من قبل اليوم 4-5 بعد الجرح. بل على العكس من ذلك، فإن معدلات إغلاق الجروح الجلدية السكرية تنخفض بشكل كبير، مصحوبة بإصلاح الحواجز المضطربة. الجمع بين جرح الجلد البشري مع نهج جديد تلطيخ جبل كامل يسمح لطريقة سريعة وقابلة للاستنساخ لقياس إصلاح الجرح في الجسم الحي السابق. يوفر هذا البروتوكول بشكل جماعي منصة بشرية قيمة لتقييم فعالية علاجات الجروح المحتملة، وتحويل الاختبار قبل السريري والتحقق من الصحة.
الجروح المزمنة غير التئام، والتي هي منتشرة للغاية في كبار السن والسكري، هي منطقة لا يقدرها أحد بشكل رئيسي من الحاجة السريرية غير الملباة. هذه الجروح تشكل عبئا جسديا ونفسيا كبيرا على المرضى وتكلف مقدمي الرعاية الصحية المليارات كل عام لعلاج1. على الرغم من تحسن فهم بيولوجيا الجروح والتقدم في التكنولوجيا ، لا يزال ما يصل إلى 40٪ من الجروح المزمنة يفشل في التئام بعد أفضل رعاية قياسية2. وهكذا، 14-26٪ من المرضى الذين يعانون من قرحة القدم السكري تتطلب في وقت لاحق بتر3،في حين أن معدل وفيات ما بعد البتر لمدة 5 سنوات يبلغ حوالي 70٪4. ونتيجة لذلك، هناك حاجة ملحة لتطوير علاجات جديدة فعالة لتحسين نوعية حياة المرضى مع الحد من عبء الرعاية الصحية الكبير الذي تفرضه الجروح التئام الفقراء. لا تزال النماذج السابقة للسريرية التنبؤية السيئة تشكل عقبة كبيرة أمام تطوير علاجات جديدة فعالة.
إصلاح الجرح هو عملية ديناميكية ومتعددة الأوجه تنطوي على مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا، ومستويات لا تحصى من الاتصالات وبيئة الأنسجة التي يتم تشكيلها زمنيا. ويدعم شفاء الجلد من قبل أربع مراحل إعادة تحديد رئيسية: التهاب الكبد، التهاب، والانتشار، وإعادة عرض مصفوفة. هذه المراحل تعمل في نهاية المطاف لمنع فقدان الدم والعدوى، وإغلاق سطح الجرح (عملية يطلق عليها إعادة الظهارة) وإعادة الجلد إلى حالة غيرمصابة 5. ترتبط الجروح المزمنة بعوامل مختلفة واضطرابات واسعة النطاق لعملياتالتئام 6، مما يزيد من تعقيد تحديد الأهداف العلاجية. ومع ذلك ، تم تطوير مجموعة واسعة من النماذج لتوضيح كل من الدوافع الجزيئية والخلوية لأمراض الجروح واختبار نهج علاجية جديدة7.
نموذج إصلاح الجرح الأكثر استخداما هو الجرح الحاد في الماوس. الفئران هي قابلة للسحب للغاية للدراسات الميكانيكية وتوفير نماذج التحقق من صحة الشيخوخة والسكري8. على الرغم من أوجه التشابه العامة التي تظهر بين الماوس والشفاء البشري ، لا تزال الاختلافات بين الأنواع في بنية الجلد وديناميكيات الشفاء قائمة. وهذا يعني أن معظم البحوث الجرح مورين لا تترجم بسهولة إلى العيادة9. وبالتالي، كان هناك دفع نحو الإنسان في المختبر وأنظمة الجسم الحي السابق مع قابلية عالية للتطبيق وقابلية الترجمة10،11.
هنا نقدم بروتوكول متعمق لأداء الجروح استئصال سمك جزئي في الجلد البشري في الجسم الحي السابق. كما نحدد نهجنا الكامل للتلطيخ كطريقة قابلة للاستنساخ للغاية لتقييم شفاء الجلد البشري في الجسم الحي السابق. نحن نظهر مسار إصلاح البشرة (إعادة الظهارة) وتشكيل الحاجز اللاحق ، وتقييم معدل إغلاق الجروح في الجلد البشري الصحي مقابل السكري. وأخيرا، فإننا نظهر كيف يمكن تكييف تلطيخ كامل جبل للاستخدام مع مجموعة من الأجسام المضادة لتقييم جوانب مختلفة من الاستجابة الشفاء.
في هذا البروتوكول التجريبي، نقوم بوصف طريقة محسنة لتقييم إغلاق الجرح في جلد الجسم الحي الخارجي البشري باستخدام تلطيخ الأنسجة الكاملة التركيب. هذا هو مورد مهم للسماح بإجراء تقييم نقدي لعلاجات الجروح المحتملة، وتوفير فهم أفضل للاستجابة لإصلاح الجرح البشري. لقد نشرنا تقييم الشفاء في الجروح الجلد في الجسم الحي السابق12,13, ولكن في هذه التقارير لم يستخدم نهج تلطيخ جبل كامل لقياس إغلاق الجروح. تلطيخ كامل جبل أسهل بكثير ويتطلب خبرة تقنية أقل من علم الأنسجة القياسية، والذي ينطوي على البارافين أو أكتوبر تضمين وتقسم العينات. كما يقلل إجراء التركيب الكامل من التباين التجريبي، مما يسمح بتحديد كمي للجرح بأكمله وليس مجرد مقطع عرضي واحد في موضع محدد داخل الأنسجة (انظر الشكل 4B للحصول على توضيح مقارن). ونحن نؤيد تماما أهمية تحديد كميا الشفاء من كامل بنية الجرح غير متناظرة، كما هو موضح بوضوح من قبل ريا ودونوالد للجروح الحادة مورين14. أظهر هؤلاء المؤلفون أهمية القسمة المتسلسلة في الجروح الطاردة في الجسم الحي للقياسات القابلة للاستنساخ والدقيقة لمورفولوجيا الجروح. ويمكن تطبيق الأقسام المتسلسلة على الجروح البشرية في الجسم الحي؛ ومع ذلك ، من أجل التحديد الكمي الدقيق لإغلاق الجرح وإعادة الظهارة ، يجب أن يكون تلطيخ التركيب الكامل عالي الإنتاجية هو الطريقة المفضلة. نلاحظ أن هذا البروتوكول تلطيخ كامل جبل ينبغي أيضا أن تكون متوافقة مع المعالجة اللاحقة (الشمع أو أكتوبر) للتحليل النسيجي التقليدي.
تلطيخ كامل جبل لا يخلو من العيوب. في حين أنه يوفر أعلى استنساخ في تجارب التئام الجروح، فإنه لا يتطلب استخدام المزيد من الأنسجة للتحليل من التقنيات النسيجية القياسية. قد تكون هذه مشكلة حيث يكون الوصول إلى الأنسجة محدودا ، خاصة عندما تحتاج الأجسام المضادة المتعددة إلى تقييم. وهناك نهج بديل هو استخدام طريقة الجرح شقي حيث عرض الجرح موحدة نسبيا ويتم تقليل التباين (كما هو مبين في الماوس والجروح البشرية15،16). ومع ذلك ، تظل الجروح الإستئصالية أكثر قابلية للتطبيق على معظم أنواع الجروح المرضية17.
في هذه الدراسة، تم إنشاء 2 مم جروح سمك جزئي داخل مركز 6 ملم الجلد explants. قد يكون الأمثل لهذه الطريقة للجرح استئصالي بديل وأحجام explant في أعماق الجلد المختلفة18. بالإضافة إلى ذلك، فإن القوة المطلوبة لتوليد الجروح تختلف بين المتبرعين، حيث تتطلب البشرة المسنة قوة أقل للخزعة. ونحن أيضا تجنب استخدام الجلد عرض علامات التمدد البارزة أو غيرها من التعديلات الهيكلية. لقد قمنا بالتحقق من صحة مجموعة من الأجسام المضادة للنظر في جوانب مختلفة من استجابة الشفاء في الجسم الحي السابق. ويمكن أيضا استخدام هذا البروتوكول مع الأجسام المضادة الأخرى ذات الصلة بالبشرة، حيث يجب تحسين تركيزات الأجسام المضادة وأوقات الحضانة. ومع ذلك، نعتقد أن بروتوكولنا هو الأنسب للقياس الكمي المطلق للإغلاق الكلي للجروح، يليه التقييم المكاني لبروتينات محددة ذات أهمية. في حين أن التركيب الكامل يوفر دقة منخفضة من تحديد المواقع المناعية مقابل التحليل النسيجي القياسي لأقسام الأنسجة ، فإنه يوفر معلومات ثلاثية الأبعاد إضافية مفقودة من الأنسجة ثنائية الأبعاد القياسية.
تحذير واحد من تقييم الشفاء في الجلد السابق في الجسم الحي مقابل في نماذج الجسم الحي هو أنه يفتقر إلى استجابة الجهازية. جانب مهم من إصلاح الجرح هو التهاب وتحبيب الأنسجة اللاحقة ، والذي يسببه تدفق الخلايا الالتهابية والخلايا البطانية من الأوعيةالدموية 19. على الرغم من هذا القيد، لا يزال الجلد الحي السابق يوفر خلاصة أفضل للشفاء السريري من فحوصات الجروح القائمة على الخلايا. في المختبر التجارب بشكل عام تنطوي على نوع وحيد من الخلايا أو الثقافات المشتركة التي تزرع على البلاستيك زراعة الأنسجة، في حين أن الجلد السابق فيفو يوفر بيئة أصلية لاستكشاف سلوك الخلية. وفي الآونة الأخيرة، ظهر عدد من أنظمة مكافئة للبشرة، حيث تزرع البشرة في بيئة مختبرية من مصفوفة اصطناعية وخلايا جلدية معزولة20و21. على الرغم من أن هذه النماذج تحاكي الجلد البشري أفضل من معظم النهج في المختبر، فإنها لا تزال لا تحاكي تماما بيئة الأنسجة الأصلية وعموما هشة جدا لإصابة استنساخ. بالإضافة إلى ذلك، نحن (وآخرون) قد أظهرت أن ex vivo أنسجة الجلد البشري يحتفظ الخلايا المناعية المقيمة، والتي لا شك في أن تسهم في إصلاح22،23. وينبغي أن يركز العمل في المستقبل الآن على توسيع نطاق صلاحية ونموذج الجسم الحي السابق للتغلب على الشفاء في المراحل المتأخرة24. أحد الخيارات هو زيادة تقدم تقنيات الجهاز على رقاقة الواعدة القادرة على إطالة صلاحية الأنسجة والحفاظ على بنية الجلد الأصلية لمدة تصل إلى أسبوعين في الثقافة25. كما بدأت نماذج الجسم الحي السابق للنظر في أهمية استجابة التهاب الجلد من خلال دمج الخلايا المناعية بنجاح ، مثل العدلات ، في الأنسجة المضيفة26 أو حقن الأنسجة المضيفة بالأجسام المضادة للحصول على رد فعل مناعي27. ونتوقع أن تمهد هذه النتائج الطريق لتطوير أساليب أكثر دقة وقابلية للترجمة في المستقبل.
فائدة رئيسية لاستخدام الجلد السابق في الجسم الحي لقياس إغلاق الجرح هو القدرة على مقارنة معدلات الشفاء في صحية (على سبيل المثال، غير السكري) مقابل المرضية (على سبيل المثال، السكري أو المسنين) الأنسجة. هنا أظهرنا أن إعادة الظهارة وتشكيل الحاجز تضعف في الواقع في السكري مقابل الجروح الجسم الحي السابق صحية. في الواقع ، يوفر هذا طريقا للتقييم قبل السريري للإصلاح المرضي ، حيث تعد الشيخوخة والسكري عوامل خطر رئيسية لتطوير الجروح المزمنة1. في حين توجد نماذج مرضية في المختبر ، مثل الخلايا المعزولة عن الأنسجة القديمة والسكرية ، أو الخلايا المستزرعة في الجلوكوز العالي لمحاكاة فرط السكر في الدم28،29، يمكن لهذه الخلايا أن تفقد بسرعة النمط الظاهري بمجرد إزالتها من البيئة الدقيقة في الجسم الحي. عنصر مهم من بيئة الشفاء المرضية extrinsic هو مصفوفة الجلد ، والتي يتم تغييرها في كل من الشيخوخة والسكري30. في الواقع ، هذه المصفوفة المضطربة تؤثر على سلوك الخلايا الليفية المقيمة والسذاجة31،32. وبالتالي، لا يمكن التقليل من أهمية دراسة الخلايا في بيئة الأنسجة المضيفة.
باختصار، يوفر بروتوكولنا منصة مهمة لقياس إعادة ظهارة الجرح البشري، واستكشاف العوامل التنظيمية واختبار صحة وفعالية العلاجات المحتملة12و13. في حين أن الاختبارات قبل السريرية لا تزال تتطلب في نهج الجسم الحي، واستراتيجية مشتركة باستخدام الأنسجة البشرية في الجسم الحي السابق والجرح في الجسم الحي مورين ينبغي صقل المسار قبل السريرية، والحد من استخدام الحيوانات مع زيادة قابلية الترجمة عبر الأنواع.
The authors have nothing to disclose.
نود أن نشكر السيد باولو ماتيوسي والسيد جورج سميث لتوفير الأنسجة المريضة. كما أننا ممتنون للآنسة أمبر روز ستافورد لمساعدتها في جمع الأنسجة ونداء ديزي لتوفير مرافق المختبر.
50 mL Falcon Tubes | Falcon | 352070 | For skin washing |
1.5 ml TubeOne Microcentrifuge Tubes, Natural (Sterile) | Starlab | S1615-5510 | For whole-mount staining |
48-Well CytoOne Plate, TC-Treated | Starlab | CC7682-7548 | For whole-mount staining |
Acetic Acid Glacial | Fisher Chemical | A/0400/PB15 | Part of fixative |
Alkyltrimethylammonium Bromide | Sigma-Aldrich | M7635 | Part of fixative |
Anti-Alpha Smooth Muscle Actin Antibody [1A4] | Abcam | ab7817 | Stains blood vessels |
Anti-Collagen I Antibody | Abcam | ab34710 | Stains collagen |
Anti-Cytokeratin 14 Antibody [LL002] | Abcam | ab7800 | Stains epidermis |
CD1A Antibody (CTB6) | Santa Cruz Biotechnology | sc-5265 | Stains Langerhans cells |
DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole, dihydrochloride) | Thermo Fisher Scientific | 62247 | Counterstain for cell nuclei |
Falcon 60mm Petri dishes | Falcon | 353004 | Human ex vivo culture |
Fibronectin Antibody (EP5) | Santa Cruz Biotechnology | sc-8422 | Stains fibronectin |
Formaldehyde, Extra Pure, Solution 37-41%, SLR | Fisher Chemical | F/1501/PB17 | Part of fixative |
Gauze Swabs | Medisave | CS1650 | To clean skin |
Gibco™ Antibiotic-Antimycotic Solution | Thermo Fisher Scientific | 15240062 | Human ex vivo culture |
Gibco DMEM, high glucose, no glutamine | Thermo Fisher Scientific | 11960044 | Human ex vivo culture |
Gibco Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 10500064 | Human ex vivo culture |
Gibco HBSS, no calcium, no magnesium | Thermo Fisher Scientific | 14170088 | Human ex vivo culture |
Gibco L-Glutamine (200 mM) | Thermo Fisher Scientific | 25030081 | Human ex vivo culture |
Hydrogen Peroxide | Sigma-Aldrich | H1009-100ML | For immunoperoxidase staining |
ImageJ Software | National Institutes of Health | N/A | For image analysis |
Invitrogen IgG (H+L) Cross-Adsorbed Goat anti-Mouse, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A11001 | Secondary antibody used depends on required fluorochromes and primary antibody |
Invitrogen IgG (H+L) Cross-Adsorbed Goat anti-Rabbit, Alexa Fluor 594 | Thermo Fisher Scientific | A11012 | Secondary antibody used depends on required fluorochromes and primary antibody |
Invitrogen LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity Kit, for mammalian cells | Thermo Fisher Scientific | L3224 | For viability assessment of tissue |
Iris Forceps, 10 cm, Curved, 1×2 teeth | World Precision Instruments | 15917 | To create wounds |
Iris Scissors, 11 cm, Curved, SuperCut, Tungsten Carbide | World Precision Instruments | 501264 | To create wounds |
Iris Scissors, 11 cm, Straight, SuperCut, Tungsten Carbide | World Precision Instruments | 501263 | To remove adipose tissue |
Keratin 1 Polyclonal Antibody, Purified | Biolegend | 905201 | Stains epidermis |
Keratin 14 Polyclonal Antibody, Purified | Biolegend | 905301 | Stains epidermis |
LSM 710 Confocal Laser Scanning Microscope | Carl Zeiss | Discontinued | For fluorescent imaging |
Merck Millipore Absorbent pads | Merck Millipore | AP10045S0 | Human ex vivo culture |
Merck Millipore Nylon Hydrophilic Membrane Filters | Merck Millipore | HNWP04700 | Human ex vivo culture |
Normal Goat Serum Solution | Vector Laboratories | S-1000-20 | Animal serum used depends on secondary antibody |
Phosphate Buffer Solution | Sigma-Aldrich | P3619 | For wash buffer |
Sodium Azide | Sigma-Aldrich | S2002 | For blocking buffer |
Sodium Chloride | Fisher Bioreagents | BP358-212 | Part of fixative |
Sterilisation Pouches | Medisave | SH3710 | To sterilise instruments |
Stiefel 2mm biopsy punches | Medisave | BI0500 | For partial thickness wound |
Stiefel 6mm biopsy punches | Medisave | BI2000 | For outer explant |
Thermo Scientific Sterilin Standard 90mm Petri Dishes | Thermo Fisher Scientific | 101VR20 | To prepare skin |
Triton X-100 | Fisher Chemical | T/3751/08 | For wash buffer |
VECTASTAIN Elite ABC-HRP Kit, Peroxidase (Rabbit IgG) | Vector Laboratories | PK-6101 | For immunoperoxidase staining; HRP kit used depends on primary antibody |
Vector NovaRED Substrate Kit, Peroxidase (HRP) | Vector Laboratories | SK-4800 | For immunoperoxidase staining |
Wireless Digital Microscope | Jiusion | N/A | For brightfield imaging |