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Method Article
Hier beschreiben wir eine Methode zur Transplantation und Identifizierung von menschlichen Zellsphäroiden in Hühnerembryonen. Dieses Xenotransplantat-Modell nutzt die embryonale Mikroumgebung als Quelle für instruktive Signale, um Zellmigration, Differenzierung und Tropismus zu testen, und eignet sich besonders für die Untersuchung von primären und/oder heterogenen Zellpopulationen.
Xenotransplantate sind wertvolle Methoden, um das Verhalten menschlicher Zellen in vivo zu untersuchen. Insbesondere die embryonale Umgebung liefert Hinweise auf Zellmigration, Differenzierung und Morphogenese, mit einzigartigen instruktiven Signalen und Keimblattidentität, die in adulten Xenotransplantatmodellen oft fehlen. Darüber hinaus können embryonale Modelle nicht zwischen Selbst- und Nicht-Selbstgewebe unterscheiden, wodurch das Risiko einer Abstoßung des Transplantats und die Notwendigkeit einer Immunsuppression des Wirts eliminiert werden. In diesem Artikel wird eine Methodik zur Transplantation von Sphäroiden menschlicher Zellen in Hühnerembryonen vorgestellt, die zugänglich und manipulierbar sind und sich bei 37 °C entwickeln.
Sphäroide ermöglichen die Auswahl einer bestimmten Region des Embryos für die Transplantation. Nach der Transplantation werden die Zellen in das Wirtsgewebe integriert, so dass ihre Migration, ihr Wachstum und ihre Differenzierung verfolgt werden können. Dieses Modell ist flexibel genug, um die Nutzung verschiedener adhärenter Populationen zu ermöglichen, einschließlich heterogener primärer Zellpopulationen und Krebszellen. Um die Notwendigkeit einer vorherigen Zellmarkierung zu umgehen, wird auch ein Protokoll zur Identifizierung von Spenderzellen durch Hybridisierung von humanspezifischen Alu-Sonden beschrieben, was besonders bei der Untersuchung heterogener Zellpopulationen wichtig ist. Darüber hinaus können DNA-Sonden leicht angepasst werden, um andere Spenderarten zu identifizieren. Dieses Protokoll beschreibt die allgemeinen Methoden zur Präparation von Sphäroiden, zur Transplantation in Hühnerembryonen, zur Fixierung und Verarbeitung von Gewebe für die Paraffinsektion und schließlich zur Identifizierung der menschlichen Zellen durch DNA-in-situ-Hybridisierung . Vorgeschlagene Kontrollen, Beispiele für die Interpretation von Ergebnissen und verschiedene Zellverhaltensweisen, die getestet werden können, werden zusätzlich zu den Einschränkungen dieser Methode diskutiert.
Xenotransplantate sind nützliche Werkzeuge, um das Verhalten menschlicher Zellen in vivo zu untersuchen. Diese Modelle haben unschätzbare Informationen für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Themen geliefert, wie z.B. die Biologie menschlicher Stammzellen1, die Beobachtung zellulärer Ereignisse in Echtzeit2 und die Untersuchung der Tumorangiogenese und Metastasierung3. Darüber hinaus wurden verschiedene Aspekte der Krebsbiologie, einschließlich der Tumorgenese von patientenspezifischen Xenotransplantaten, untersucht 4,5. Jedes dieser Xenotransplantatmodelle hat seine Vor- und Nachteile und ist daher besser für spezifische wissenschaftliche Fragestellungen geeignet. Hühnerembryonen sind ein beliebtes Modell der Entwicklungsbiologie, da es sich um ein zugängliches Amniotenmodell handelt, das chirurgischen Manipulationen zugänglich ist. Heterologe Transplantate haben es den Forschern ermöglicht, präzise Schicksalskartenzu erstellen 6 oder zu untersuchen, ob ein Merkmal zellautonom oder von der Umwelt angewiesen ist 7,8. Eine ähnliche Logik ermöglicht es, den Hühnerembryo als Xenotransplantatmodell zu verwenden, um das Verhalten menschlicher Zellen zu untersuchen.
Die embryonale Umgebung orchestriert aktiv die Morphogenese des Gewebes mit Migrations- und Differenzierungssignalen sowie Zell-Zell-Interaktionen. Im Vergleich zu adulten Xenotransplantatmodellen bietet der Embryo somit ein lehrreicheres Milieu, um das Verhalten transplantierter Zellen zu testen, z. B. durch Nachahmung von Signalen, die in adulten Stammzellnischen vorhanden sind (z. B. BMPs, WNTs, NOTCH und SHH9). Darüber hinaus ermöglicht das Fehlen eines adaptiven Immunsystems während der frühen Entwicklung die Durchführung von Xenotransplantaten ohne das Risiko einer Immunantwort oder einer Abstoßung des Spendergewebes10. Frühere Studien haben zu diesem Zweck Xenotransplantate von menschlichen Zellen in Hühnerembryonen untersucht. Das neurogene Potential menschlicher Stammzellen wurde nach Injektion in das Neuralrohr oder die Blutgefäße11 zusätzlich zur Integration embryonaler Stammzellen12 und induzierter pluripotenter Stammzellen13 in den Embryo untersucht. Menschliche Melanomzellen wurden auch anhand der embryonalen Umgebung des Kükens untersucht, was Zusammenhänge zwischen ihrer Tumorgenese und dem Verhalten von Neuralleistenzellenaufdeckte 14 sowie die Reprogrammierung der Tumorzellen mit den Informationen aus dem Embryo15. In diesem Artikel wird ein Protokoll beschrieben, das sich besonders für die Untersuchung des Verhaltens von primären und heterogenen Zellpopulationen des Menschen eignet.
In den letzten Jahrzehnten wurde die stromale Komponente verschiedener Gewebe als autologe Quelle von Vorläufer-/Stammzellen und auf ihre proangiogenen und immunregulatorischen Eigenschaften untersucht, die früher als "mesenchymale Stammzellen" bekannt waren16,17,18. Die erste dieser Zellpopulationen, die charakterisiert wurde, war die Knochenmark-Stroma-/Stammzellpopulation (BMSCs), die in vivo ein osteo-, adipo- und in geringerem Maße chondrogenes Potenzial aufweisen 19,20. Aus Fett gewonnene Stromazellen (ADSCs) sind eine heterogene Population, die durch enzymatische Verdauung der Lipoaspirat- oder Dermolipektomieproben gewonnen wird, gefolgt von der Isolierung der stroma-vaskulären Fraktion (SVF) und schließlich der Expansion in Kultur21. In Kultur sind diese Zellen phänotypisch gekennzeichnet durch Marker, die mit anderen mesenchymalen Populationen geteilt werden, wie CD90, CD73, CD105 und CD44, einzigartige Marker wie CD36 und das Fehlen von hämatopoetischen (CD45) oder endothelialen (CD31) Markern22. Darüber hinaus haben ADSCs in vitro ein osteo-, adipo- und chondrogenes Potenzial, und die Anzahl der Stamm-/Vorläuferzellen in dieser Population kann durch den Fibroblastoid colony-forming unit (CFU-F) Assay22 bestimmt werden. In vivo wurde berichtet, dass Zellen mit dem ADSC-Phänotyp in stromalen23 und/oder perivaskulären24 Kompartimenten existieren. Es wird immer deutlicher, dass trotz der gemeinsamen Marker nach der In-vitro-Kultur das Stromakompartiment verschiedener Gewebe die intrinsischen Eigenschaften eines bestimmten Organs widerspiegelt, und diese Zellpopulationen haben je nach Herkunft unterschiedliche Eigenschaften 17,25,26,27. Da diese Zellen aufgrund ihrer Adhäsion an eine Zellkulturschale isoliert werden, können sie außerdem aus Zellen aus verschiedenen Keimblättern zusammengesetzt sein28. Daher kann der Einsatz einer Xenotransplantat-Methode zur unvoreingenommenen Untersuchung des Differenzierungspotenzials und des Tropismus von Stromazellen wertvolle Informationen über diese Zellpopulationen liefern, um die Entwicklung zukünftiger Zelltherapien zu leiten.
Bei dem hier beschriebenen Protokoll (Abbildung 1) handelt es sich um eine Xenotransplantat-Methode, die sich die geringen Kosten und die einfache Manipulation von Hühnerembryonen zunutze macht. Es wurde zuvor verwendet, um das Verhalten von humanen ADSC29, Hautfibroblasten29, aus Menstruationsblut gewonnenen Stromazellen30 und Glioblastomzellen31 zu untersuchen. Dieses Verfahren wird die Transplantation von Zellen als Sphäroide32 umfassen, die aus jeder Population adhärenter Zellen hergestellt werden können (Abbildung 2). Chirurgische Verfahren und die Herstellung von kundenspezifischen chirurgischen Materialien - den Mikroskalpellen und Glaskapillaren - werden ebenfalls beschrieben (Abbildung 3). Humane Zellen werden in histologischen Schnitten durch Hybridisierung humanspezifischer Alu-Sonden nachgewiesen (Abbildung 4), wodurch eine vorherige Markierung der transplantierten Zellen überflüssig wird. Die repräsentativen Ergebnisse beschreiben das Verhalten von humanen ADSC-Transplantaten, die sowohl in der somitischen Region auf Ebene der Flügelknospen (Abbildung 5, Abbildung 6 und Abbildung 7) als auch im ersten Pharynxbogen (Abbildung 8) transplantiert wurden, sowie von humanen primären Glioblastom-Sphäroiden, die in das Prosencephalon transplantiert wurden (Abbildung 8). Die Zellmigration, Differenzierung und Interaktion mit embryonalem Hühnergewebe werden beschrieben, sowie vorgeschlagene Assays zur weiteren Untersuchung des Zellverhaltens durch Co-Färbung oder Färbung benachbarter Schnitte.
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Alle in vivo-Verfahren , die in dieser Studie angewandt wurden, entsprachen allen einschlägigen Versuchsrichtlinien für Tierversuche und Forschung gemäß den brasilianischen Leitlinien zur Verwendung von Versuchstieren (L11794). Die Protokolle, die für den Umgang mit Hühnerembryonen verwendet werden, wurden alle von der Ethikkommission für die Verwendung von Tieren in wissenschaftlichen Versuchen (Zentrum für Gesundheitswissenschaften der Bundesuniversität von Rio de Janeiro) genehmigt. Die Verwendung menschlicher Zellen wurde von der Ethikkommission des Universitätskrankenhauses Clementino Fraga Filho genehmigt (Nummern 043/09 und 088/04). Es wurden spezifische pathogenfreie (LSF) Eier von Weißem Leghornhuhn (Gallus gallus) verwendet.
1. Präparation von Zellsphäroiden
HINWEIS: Zellsphäroide können mit einer Vielzahl von Zelltypen hergestellt werden, solange sie adhärent sind. Für dieses Protokoll wurden humane aus Fettgewebe gewonnene Stromazellen (ADSCs) isoliert, wie zuvor beschrieben;21,27 wird verwendet (Abbildung 2A). Die Zellen wurden durch Verdauung von Fettgewebsfragmenten oder Lipoaspiraten mit Kollagenase IA für 1 h bei 37 °C unter Rühren gewonnen, gefolgt von einer Plattierung bei 1-2 × 104 Zellen/cm2 und einer Inkubation über Nacht. Nicht adhärente Zellen wurden verworfen und die adhärenten Zellen wurden für 3-6 Passagen expandiert. Die ADSCs waren homogen für die Expression der Oberflächenantigene CD105, CD90, CD13 und CD44 und negativ für die hämatopoetischen Antigene CD45, CD14, CD34, CD3 und CD1927. Während das hier beschriebene Verfahren leicht mit minimalem Material durchgeführt werden kann, das über das hinausgeht, was routinemäßig für die Zellkultur verwendet wird, sollten die optimale Aggregationszeit und die Notwendigkeit einer partiellen Dissoziation empirisch bestimmt werden. Alternative Verfahren zur Herstellung von Zellsphäroiden können verwendet werden, wie z. B. das Hanging-Drop-Verfahren33 oder mit Agarose beschichtete Vertiefungen34; Weitere Informationen finden Sie in der Diskussion. Alle Eingriffe sollten auf einer Reinbank mit aseptischen Techniken durchgeführt werden.
2. Transplantation von Sphäroiden in Hühnerembryonen
3. Gewebedissektion, Fixierung, Verarbeitung und Vorbereitung histologischer Schnitte
4. Synthese von Digoxigenin-markierten Alu-Sonden durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
5. Schnitt in situ Hybridisierung mit Alu-Sonden
6. Bilderfassung
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Identifizierung von Alu-positiven ADSCs in histologischen Schnitten
Alu-Sequenzen sind repetitive Elemente, die ~10% des menschlichen Genoms ausmachen und daher hervorragende Ziele für die artspezifische Identifizierung menschlicher Zellen darstellen43. Die In-situ-Hybridisierung mit DNA-Sonden kann verwendet werden, um genomische Elemente in histologischen Schnitten zu identifizier...
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Das hier beschriebene Protokoll (Abbildung 1) stellt eine praktikable Option für das Screening des Verhaltens von Primärpopulationen menschlicher Zellen in vivo dar, wobei Hühnerembryonen als Modell verwendet werden. Diese Arbeit beschreibt die Bildung von Zellsphäroiden (Abbildung 2), die Transplantation des Sphäroids in den Hühnerembryo (Abbildung 3), die Verarbeitung von Proben und...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Diese Arbeit wurde unterstützt von der Universidade Federal de Rio de Janeiro (UFRJ für J.B.), dem Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq für J.B.) und der Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ für J.B.). Wir danken T. Jaffredo (CNRS, Paris, Frankreich) für die Untersuchung Runx2 (Cbfa1). Der HNK1-Antikörper wurde von der Developmental Studies Hybridoma Bank gewonnen, die unter der Schirmherrschaft des NICHD entwickelt und von der University of Iowa, Department of Biological Sciences, Iowa City, IA 52242 USA, gepflegt wird. Wir danken V. Moura-Neto für die Gewährung des Zugangs zum Mikrotom und R. Lent für die Gewährung des Zugangs zum Mikroskop. Wir danken E. Steck für die Hilfe bei der Synthese von Alu-Sonden .
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Animals | |||
Gallus gallus eggs | Granja Tolomei | SPF-free | White leghorn chicken |
Reagents | |||
Alcian Blue 8GX | Sigma-aldrich | A5268 | |
AluFw primers | Sigma-aldrich | OLIGO | 5’-CGA GGC GGG TGG ATC ATG AGG T-3’ |
AluRev primers | Sigma-aldrich | OLIGO | 5’-TTT TTT GAG ACG GAG TCT CGC-3’ |
Aluminum sulphate | Sigma-aldrich | 368458 | For Nuclear fast red solution preparation |
Anti-Digoxigenin-AP, Fab fragments | Roche | 11093274910 | Antibody Registry ID: AB_514497 |
Anti-Human Natural Killer 1 antibody (HNK1, CD57) | Developmental Studies Hybridoma Bank | 3H5 | Antibody Registry ID: AB_2314644 |
Anti-mouse, goat IgM-HRP | Santa Cruz Biotechnology | sc-2973 | Antibody Registry ID: AB_650513 |
Anti-mouse, goat IgG (H+L)-HRP | Novex | G-21040 | Antibody Registry ID: AB_2536527 |
Anti-Smooth Muscle Actin/ACTA2 antibody | Dako | M085129 | Antibody Registry ID: AB_2811108 |
Aquatex | Merck | 1085620050 | Aqueous mounting agent |
5-Bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate p-toluidine salt (BCIP) | Sigma-aldrich | B8503-100MG | |
Blocking Reagent | Roche | 11096176001 | |
Citric acid | VETEC | 238 | For SSC buffer preparation |
Collagenase type IA | Sigma-aldrich | SCR103 | |
dCTP, dGTP, dATP, dTTP set | Roche | 11969064001 | |
Denhardt solution 50X | Invitrogen | 750018 | For hybridization buffer preparation |
Dextran sulphate sodium salt | Thermo Scientific | 15885118 | For hybridization buffer preparation |
DIG RNA Labeling Mix | Roche | 11277073910 | Contains Dig-11-dUTP |
DMEM low-glucose | Sigma-aldrich | D5523 | |
3,3′-Diaminobenzidine tetrahydrochloride (DAB) | Sigma-aldrich | D5905-50TAB | |
N,N-Dimethylformamide (DMF) | Sigma-aldrich | 227056 | For NBT and BCIP solution preparation |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-aldrich | E6758 | For trypsin solution preparation |
Entellan new | Merck | 107961 | Non-aqueous mounting medium |
Ethanol | Proquímios | N/A | |
Fetal bovine serum | ThermoFisher | 12657029 | Inactivate at 56 °C before use |
Formaldehyde 37% solution | Proquímios | N/A | |
Formamide | Vetec | V900064 | |
Glacial acetic acid | Proquímios | N/A | |
India ink | Pelikan | 221143 | |
L-glutamine solution (200 mM) | Gibco | 25030-149 | |
Magnesium chloride | Merck | 8147330100 | For NTM buffer preparation |
Maleic acid | Sigma-aldrich | M0375-500G | For MAB buffer preparation |
Methanol | Proquímios | ||
Normal Goat Serum | Sigma-aldrich | NS02L | Inactivate at 56 °C before use |
4-Nitro blue tetrazolium chloride (NBT) | Roche | 11585029001 | |
Nuclear fast red | Sigma-aldrich | 60700 | |
Paraplast Plus | Sigma-aldrich | P3558 | |
Penicillin G sodium salt | Sigma-aldrich | P3032 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-aldrich | P3813 | |
Phosphomolybdic acid | Merck | 100532 | |
Proteinase K | Gibco BRL | 25530-015 | |
Salmon sperm DNA | Invitrogen | 15632011 | For hybridization buffer preparation |
Sodium chloride | Sigma-aldrich | S9888 | For SSC, MAB and NTM buffer preparation |
Streptomycin Sulfate | Sigma-aldrich | S6501 | |
Taq Polymerase kit | Cenbiot Enzimas | N/A | |
Tris-HCl | Sigma-aldrich | T5941 | |
Trypsin | Sigma-aldrich | T4799 | |
Tween 20 | Sigma-aldrich | P1379 | |
Xylene | Proquímios | N/A | |
Microscope and equipments | |||
Axioplan upright microscope | Carl Zeiss Microscopy | N/A | |
Axiovision software | Carl Zeiss Microscopy | N/A | |
Cell incubator | ThermoForma | 3110 | |
Egg incubator- 50 eggs | GP | ||
Gooseneck lamp | Biocam | N/A | For egg manipulation |
Fiji software; Cell Counter plugin | ImageJ | https://imagej.net/software/fiji/ | |
Laminar flow hood | TROX | 1385 | |
Nanodrop Lite | Thermo Scientific | ND-LITE-PR | |
Rotary microtome | Leica Biosystems | RM2125 RTS | For sectioning |
Stereomicroscope | Labomed | Luxeo 4D | For egg manipulation |
Sterilization oven | REALIS | 7261690 | For sterelization of surgical materials |
Consumables | |||
0.2 mL (PCR) polypropylene centrifuge tubes | Eppendorf | 30124707 | |
15 mL polypropylene conical centrifuge tubes | Corning | CLS430791 | |
1.5 mL polypropylene centrifuge tubes | Axygen | MCT-150-C | |
2 mL polypropylene centrifuge tubes | Axygen | MCT-200-C | |
50 mL polypropylene conical centrifuge tubes | Corning | CLS430829 | |
Barrier (Filter) Tips, 200 μL size | Invitrogen | AM12655 | For egg manipulation |
Excavated Glass Block (Staining Block) with Cover Glass | Hecht Karl | 42020010 | |
Embedding cassettes | Simport | M480 | Used as a paraffin block holder |
Glass coverslides, 24 x 40 mm | Kasvi | K5-2440 | |
Glass Pasteur pipettes 230 mm | NORMAX | 5426023 | For preparation of glass capillaries |
Microtome blades | Leica Biosystems | HIGH-PROFILE-DISPOSABLE-BLADES-818 | For sectioning |
Parafilm M | Parafilm | P7793 | |
Plastic Petri dish, 30 mm | Kasvi | K13-0035 | For egg manipulation |
Plastic Petri dish, 60 mm | Prolab | 0303-8 | For cell spheroids preparation. Should not be treated for cell adhesion. |
Silanized glass slides (Starfrost) | Knittel Glass | 198 | For sectioning |
Syringe 1 mL , Needles 26 G (0.45 x 13 mm) | Descarpack | 32972 | For egg manipulation (albumen aspiration) |
Surgical tools | |||
Aspirator tube | Drummond | 2-000-000 | For egg manipulation |
Dissection scissors | Fine Science Tools | 14061-11 | For egg manipulation |
Microforceps (tweezers) | Fine Science Tools | 00108-11 | For egg manipulation and preparation of glass capillaries |
Needle holder (adjustable dissection needle chuck) | Fisherbrand | 8955 | For egg manipulation |
Oil whetstone, 10.000 grit | N/A | N/A | For sharpening needles |
Pair of small paint brushes | N/A | N/A | For handling paraffin sections. Any brand may be used. |
Sewing needles | N/A | N/A | For sharpening into microscalpels. Any brand may be used. |
Sterile disposable scalpel No. 23 | Swann-Norton | 110 | For sectioning |
Surgical scalpel handle | Swann-Norton | 914 | For sectioning |
Wecker iris scissors, sharp/sharp | Surtex | SS-641-11 | For egg manipulation |
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