CN103898055B - 不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，其特征在于，具体步骤包括：改变单体丙烯酰胺和交联剂的比例，制备系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶，并在其表面包被一层I型胶原蛋白，形成不同基底硬度体外细胞培养平台。本发明较好地在体外模拟和再现接近体内真实的胞外基质硬度环境，解决基质硬度变化参与肿瘤发生进展机制研究缺少理想细胞培养平台问题。
Description
技术领域
本发明涉及细胞培养技术领域，具体涉及模拟体内组织硬度的体外细胞培养平台的制备方法及其在研究肝肿瘤细胞生物学中的应用。
背景技术
细胞培养是生物工程、生物制药、生物资源持续利用及医学研究的基础，完善的细胞培养技术体系是医学研发、生产及应用转化的关键保证之一。机体细胞在正常生长、分化过程中所处周围环境不同，细胞的一些生物学特性也会相应随之改变，细胞外基质硬度是细胞微环境的一个重要的物理参数，其变化能改变锚着细胞所处的机械力学环境，可使细胞形态特征、粘着斑装配、细胞骨架状态有很大变化，这些变化可影响、参与体内多种病理生理过程，包括组织发育、纤维化病变、肿瘤转移等。
肝炎-肝纤维化/硬化-肝癌被认为是肝癌发生过程中三部曲，临床大量资料显示，80％的肝癌患者有肝纤维化或肝硬化背景，且伴肝硬化背景的肝癌患者中位生存期下降，肝脏硬度增加可促进肝癌的进展。Masuzaki R等利用Fibroscan对一批慢性丙肝患者的肝脏硬度进行检测，发现肝脏硬度可作为肝癌发生的独立危险因素，说明肝脏基质硬度增加与肝癌发生发展密切关联(参见Masuzaki R，Tateishi R，Yoshida H，et al.Prospective risk assessment forhepatocellular carcinoma development in patients with chronic hepatitisC by transient elastography.Hepatology.2009 Jun；49(6)：1954-1961)。此外，Osada等对206例肝癌标本进行分析，发现患者肝纤维化程度越重，肝癌标本增殖细胞核抗原标记指数(PCNALI)表达越高，肝癌肝内转移率也越高，提示肝基质硬度与肝癌增殖及侵袭转移间也存在非常重要的关系(参见Osada S，Kanematsu M，Imai H，et al.Hepatic fibrosis influences the growth ofhepatocellular carcinoma.Hepatogastroenterology.2008，55(81)：184-187)。Kornek等将肝癌细胞注入诱导的肝纤维化小鼠肝脏，发现有纤维化背景的肝脏促进肿瘤发生与发展，且肿瘤组织血管内皮生长因子(VEGF)-A，血管内皮生长因子(VEGF)-A受体，侵袭转移相关基因基质金属蛋白酶2/9(MMP2/9)表达均增加(参见Kornek M，Raskopf E，Tolba R，et al.Accelerated orthotopichepatocellular carcinomasgrowth is linked to increased expression ofpro-angiogenic and prometastatic factors in murine liver fibrosis.LiverInt.2008，28(4)：509-518)。其他研究亦表明，细胞外基质硬度增加，使癌细胞承受更多外源性压力，破坏细胞表面力学平衡，通过FAK，ERK，PI3K等信号通路对肝癌细胞增殖起到调控作用，且对肝癌细胞抗药性、休眠、干细胞样特征等产生系列影响(参见Huang S，Ingber DE.Cell tension，matrix mechanics，andcancer development[J].Cancer Cell.2005，8(3)：175-176.和Schrader J，Gordon-Walker TT，Aucott RL，van Deemter M，Quaas A，Walsh S，Benten D，Forbes SJ，Wells RG，Iredale JP.Matrix stiffness modulates proliferation，chemotherapeutic response，and dormancy in hepatocellular carcinomacells[J].Hepatology.2011 Apr；53(4)：1192-1205)。上述资料均有力证明，肝脏硬度改变参与了肝癌发生、侵袭转移的调节。
然而，由于目前缺乏反映基质硬度变化的较好体外研究平台，致使基质硬度变化影响肿瘤侵袭、转移等生物学特征改变的分子机制探讨进展缓慢，建立起与体内细胞外基质硬度相类似生物环境的体外培养体系显得十分迫切且必要，当前生物医学研究中常用于细胞培养的容器包括培养瓶、培养板、培养池、培养皿等，这些器皿的底部硬度高达106-9pa且均无法调节，远超出肝硬化末期肝组织硬度范围，较难模拟肝癌细胞所处的硬度环境，而极端硬度刺激也会导致细胞生物学行为演变，并与体内实际病理生理状态相距甚远，导致研究结果与体内真实的细胞生物学行为存在巨大偏离。
聚丙烯酰胺凝胶是一种由丙烯酰胺单体和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，在催化剂TEMED和氧化剂过硫酸铵作用下聚合形成凝胶，可通过改变丙烯酰胺单体及N，N’-亚甲基双丙烯酰胺单体的浓度比，形成不同交联凝胶孔径的三维网络聚合物(呈现为凝胶弹性硬度的差异)。由于形成的聚丙烯酰胺凝胶亲水性强、透气性和生物兼容性良好及弹性硬度可调，可模拟体内组织硬度变化范围，为研究细胞外基质硬度改变如何影响细胞生物学行为，提供了较好的细胞基底平台。
肝脏胞外基质硬度增加原因主要为肝内结缔组织异常增生，其特征是胞外基质生成降解失衡导致基质蛋白过度沉积。而I型胶原是肝脏胞外基质中一种高丰度基质蛋白，也是肝硬度增加病理改变过程中胞外基质过度沉积的主要蛋白之一(参见Rojkind M，Rojkind MH，Cordero-Hernandez J.In vivocollagensynthesis and depositioninfibrotic and regenerating rat livers[J].ColRelat Res 1983；3：335-347)。
本发明将I型胶原包被于硬度可调的聚丙烯酰胺凝胶，既巧妙地解决了硬度的可调来模拟组织硬度改变问题，又为细胞生长提供了良好的生物基质界面，可较好地获得接近体内真实的胞外基质硬度环境，为寻找硬度改变调节肝癌细胞恶性生物学特征的系列证据，阐明该力学特征参与肝癌发生发展分子机制提供了一种新型体外研究平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，以聚丙烯酰胺凝胶交联度的差异呈现的硬度变化来模拟组织硬度，以基质蛋白I型胶原蛋白包被提供生物基质界面，两者有机结合形成具有不同基底硬度的体外细胞培养平台，用于解析基质硬度物理力学特征变化对肿瘤细胞生物学特征的影响，包括细胞形态、侵袭关联基因表达，EMT等恶性指标特征，探讨基质硬度参与肿瘤发生发展的实验依据并阐明其可能的分子机制，为进一步临床干预提供理论和实验基础。
为了达到上述目的，本发明提供了一种不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，其特征在于，具体步骤包括：改变单体丙烯酰胺和交联剂的比例，制备系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶，并在其表面包被一层I型胶原蛋白，形成不同基底硬度体外细胞培养平台。
优选地，所述的制备系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶的具体步骤为：
第一步：取两块玻璃板，清洗干净，晾干，灭菌；将两块玻璃板固定，之间形成0.5-1.5mm的无菌间隙；将单体丙烯酰胺、交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、氧化剂过硫酸铵、催化剂四甲基乙二胺、缓冲液以及水混合，制备无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液；将无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液注入玻璃板之间的无菌间隙中，将玻璃板以及其中的无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液移入35-40℃孵育箱中，静置2-4小时，形成厚度为0.5-1.5mm的聚丙烯酰胺凝胶；
第二步：改变无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液中单体丙烯酰胺和交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的比例，重复进行第一步，形成系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶。
更优选地，制备无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液时，单体丙烯酰胺的用量为10vol％，交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的用量为0.01vol％-0.50vol％。
优选地，所述的在聚丙烯酰胺凝胶表面包被一层I型胶原蛋白的具体步骤为：将聚丙烯酰胺凝胶分割成适宜大小，放置于六孔板或培养皿中，在凝胶表面滴加I型胶原蛋白，并用无菌TIP头将液滴摊平，常温静置1-2小时，向六孔板或培养皿中加入1％乙醇胺溶液，以浸过凝胶表面为宜，0-10℃静置10-60分钟，弃去乙醇胺，加入无血清培养基，0-10℃静置过夜，备用。
更优选地，将聚丙烯酰胺凝胶分割成1.5cm×1.5cm或6cm×5cm大小，当分割成1.5cm×1.5cm大小时，滴加50μL浓度为0.1mg/ml的I型胶原蛋白，当分割成6cm×5cm大小时，滴加300μL浓度为0.1mg/ml的I型胶原蛋白。
优选地，所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法的具体步骤还包括：运用质构仪对不同基底硬度体外细胞培养平台的硬度进行检测。
更优选地，所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法的具体步骤还包括：依据不同肝脏硬度背景Baffulo大鼠肝癌模型硬度检测结果，获得正常肝脏、肝纤维化肝脏、肝硬化肝脏的硬度范围，在上述系列不同基底硬度体外细胞培养平台中，选取与病理状态下肝脏硬度值接近的特定硬度细胞培养平台，模拟肝癌细胞在不同病理生理状态下所处的硬度环境。
本发明原理如下：肝脏基质力学硬度/弹性特征显著影响肝癌细胞的恶性生物学行为，成为肝癌发生发展的重要危险预测因素，但由于目前缺乏反映基质硬度变化的较好体外研究平台，致使基质硬度变化影响肿瘤侵袭、转移等生物学特征改变的分子机制探讨较难开展。本发明巧妙地借助聚丙烯酰胺凝胶硬度的可调性(丙烯酰胺及N，N’-亚甲基双丙烯酰胺浓度比不同而形成不同交联凝胶孔径，呈现凝胶弹性硬度差异)，及I型胶原基质蛋白包被的生物界面，制成具有不同基底硬度的体外细胞培养平台。该细胞培养平台可较好地获得接近体内真实的胞外基质硬度环境，成为模拟和再现临床肝基质硬度改变肝癌细胞生物学研究的一种较理想的新型体外细胞培养平台。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种新型的细胞培养平台，与传统细胞培养容器相比，本发明以聚丙烯酰胺凝胶交联度的差异呈现的硬度变化来模拟组织硬度，以基质蛋白I型胶原蛋白包被提供生物基质界面，模拟细胞所处的不同生理病理硬度环境，解决基质硬度变化参与肝癌发生进展机制研究缺少理想细胞培养平台问题。提供了模拟临床硬度背景变化的体外研究体系。
2、本发明与同样模拟细胞外基质硬度变化的matrigel、胶原凝胶相比成本低、批次间质量差异小，可广泛应用于细胞培养、生物工程及医药领域抗肿瘤药物的高通量筛选，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1a为制备聚丙烯酰胺凝胶的装置图
图1b为所形成的细胞培养平台示意图；
图2为不同硬度聚丙烯酰胺凝胶配方；
图3为利用质构仪测得不同硬度聚丙烯酰胺凝胶的硬度值；
图4为人肝癌细胞MHCC97H和Hep3B细胞在基底硬度分别为6kPa(模拟正常肝脏硬度)、10kPa(模拟肝纤维化肝脏硬度)、16kPa(模拟肝硬化肝脏硬度)细胞培养平台中培养24和48小时细胞形态变化图；
图5a为人肝癌细胞MHCC97H细胞在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因MMP2表达变化图。
图5b为人肝癌细胞MHCC97H在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因MMP9表达变化图。
图5c为人肝癌细胞MHCC97H在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因CD44表达变化图。
图5d为人肝癌细胞MHCC97H在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因SPP1表达变化图。
图5e为人肝癌细胞Hep3B在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因MMP2表达变化图。
图5f为人肝癌细胞Hep3B在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因MMP9表达变化图。
图5g为人肝癌细胞Hep3B在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因CD44表达变化图。
图5h为人肝癌细胞Hep3B在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中培养24和48小时后侵袭关联基因SPP1表达变化图。
图6为人肝癌细胞MHCC97H和Hep3B细胞在基底硬度分别为6kPa、10kPa、16kPa细胞培养平台中经过TGF-β1干预24小时后上皮间质转化(EMT)相关指标(N-cadherin、E-cadherin、β-catenin)变化图。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例1、不同基底硬度细胞培养平台的构建：
一种不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，具体步骤为：
1、取两块玻璃板(约10cm×8cm大小)，清洗干净，晾干，酒精灯烧灼灭菌，紫外线照射20分钟；
2、如图1a所示，将两块玻璃板1利用玻璃板夹2和载物台4固定，之间形成1mm无菌间隙3；
3、将单体丙烯酰胺、交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、氧化剂过硫酸铵、催化剂四甲基乙二胺、HEPES缓冲液以及水混合均匀，经氧化剂过硫酸铵(APS)及催化剂四甲基乙二胺(TEMED)共同作用，制备无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液3ml。将无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液注入玻璃板之间的无菌间隙中。
4、将玻璃板以及其中的无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液轻轻移入37℃孵育箱中，静置3小时，形成厚度为1mm的聚丙烯酰胺凝胶；改变步骤3中无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液中单体丙烯酰胺和交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的比例，重复进行上述步骤，形成不同基底硬度聚丙烯酰胺凝胶。
5、在无菌环境中，将不同基底硬度聚丙烯酰胺凝胶分割成1.5cm×1.5cm大小，如图1b所示，轻轻将分割好的聚丙烯酰胺凝胶5放置于六孔板6中；
6、在凝胶表面滴加50μL浓度为0.1mg/ml的I型胶原蛋白，并用无菌TIP头轻轻将液滴摊平，常温静置1.5小时；
7、向培养皿中加入1％乙醇胺溶液(溶于50mMHEPES缓冲液)，以浸过凝胶表面为宜，4℃静置30分钟；
8、弃去乙醇胺，加入无血清培养基，4℃过夜，备用，得到不同基底硬度体外细胞培养平台。步骤3中聚丙烯酰胺凝胶溶液配方如图2中所示。所得的聚丙烯酰胺凝胶的硬度如图3所示。
实施例2、利用不同基底硬度细胞培养平台培养肝癌细胞并观察细胞形态变化
(1)依据不同肝脏硬度背景Baffulo大鼠肝癌模型硬度检测结果，获得正常肝脏、肝纤维化肝脏、肝硬化肝脏的硬度范围，分别为4.9-6.3kPa、8.9-10.2kPa和15.1-17.4kPa。在上述系列不同基底硬度体外细胞培养平台中，在实施例1制备的系列不同基底硬度体外细胞培养平台中选取与病理状态下肝脏硬度值接近的硬度为6kPa、10kPa和16kPa的细胞培养平台(配方见图2中框中所示)，模拟肝癌细胞在不同病理生理状态下所处的硬度环境。
(2)将DMEM培养基(Gibco，C11995500BT)与FBS(Biowest，South AmericaOrigin)和青链霉素(Gibco，USA)混合，得到含10％FBS和1％青链霉素的DMEM培养液，取人肝癌细胞系MHCC97H(按照下述论文所述方法建立：Li Y，Tian B，YangJ，Zhao L，Wu X，Ye SL，Liu YK，Tang ZY.Stepwisemetastatic human hepatocellular carcinoma cell model system withmultiple metastatic potentials established through consecutive invivoselection and studies on metastatic characteristics[J].J Cancer ResClinOncol2004，130：460-468.)，用上述的含10％FBS和1％青链霉素的DMEM培养液进行培养；将MEM培养基(Gibco，GNM41500-T)与FBS(Biowest，SouthAmerica Origin)和青链霉素(Gibco，USA)混合，得到含12％FBS和1％青链霉素的MEM培养液，取人肝癌细胞Hep3B(购自ATCC，ATCC NO.HB-8064)，用含12％FBS和1％青链霉素的MEM培养液进行培养；细胞生长至90％密度，用0.25％胰酶消化收集细胞。
(3)将收集的肝癌细胞MHCC97H用含10％FBS和1％青链霉素的DMEM培养液制成MHCC97H细胞混悬液(3×106细胞/ml培养液)，将收集的肝癌细胞Hep3B用含12％FBS和1％青链霉素的MEM培养液制成Hep3B细胞混悬液(3×106细胞/ml培养液)；吸取0.1ml细胞混悬液，分别轻轻滴加在硬度为6kPa、10kPa和16kPa的细胞培养平台上；常温静置2小时；向六孔板的每个孔中再加入3ml上述培养液，之后放于37℃体积分数为5％的CO2培养箱中培养；24或48小时后，倒置显微镜观察细胞形态变化。如图4所示，细胞在硬度为6kPa、10kPa和16kPa的细胞培养平台上均能生长、增殖，并呈现不同的细胞形态，在硬度为6kPa的细胞培养平台上，细胞铺展面积小，细胞相对较圆，随着基底硬度的增加而细胞伸展面积逐渐增大，细胞呈类纤维状。提示不同基底硬度的细胞培养平台可以对细胞进行培养。
实施例3、不同基底硬度影响细胞侵袭关联基因的表达
收集实施例2培养的肝癌细胞，检测细胞侵袭关联基因(MMP2、MMP9、CD44、SPP1)的表达。如图5a-5h所示，随着基底硬度增加，细胞侵袭关联基因的表达增加，与之前报道的肝脏基质硬度增加促进肝癌侵袭转移相一致。
实施例4、不同基底硬度对肝癌细胞EMT发生的影响
基于实施例2细胞培养过程，待细胞培养24小时后，利用TGF-β1(5ng/ml)干预细胞24小时，收集细胞，检测TGF-β1干预前后，不同基底硬度环境下肝癌细胞EMT相关指标(N-cadherin、E-cadherin、β-catenin)的变化。结果如图6所示，TGF-β1干预前，随着基底硬度增加，肝癌细胞EMT相关指标(N-cadherin、E-cadherin、β-catenin)略有变化，说明其可部分诱导肝癌EMT的发生，TGF-β1干预刺激后，肝癌细胞EMT相关指标(N-cadherin、E-cadherin、β-catenin)发生变化明显，EMT变化更为完全。提示基质硬度可参与肝癌EMT的调控。实施例3、4均说明该细胞培养平台适用于胞外基质硬度变化对肝癌细胞生物学特征影响的体外研究。
Claims (4)
1.一种不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，其特征在于，具体步骤包括：改变单体丙烯酰胺和交联剂的比例，制备系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶，并在其表面包被一层I型胶原蛋白，形成不同基底硬度体外细胞培养平台；其中，所述的制备系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶的具体步骤为：第一步：取两块玻璃板，清洗干净，晾干，灭菌；将两块玻璃板固定，之间形成0.5-1.5mm的无菌间隙；将单体丙烯酰胺、交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、氧化剂过硫酸铵、催化剂四甲基乙二胺、缓冲液以及水混合，制备无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液，单体丙烯酰胺的用量为10vol%，交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的用量为0.01vol%-0.50vol%；将无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液注入玻璃板之间的无菌间隙中，将玻璃板以及其中的无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液移入35-40℃孵育箱中，静置2-4小时，形成厚度为0.5-1.5mm的聚丙烯酰胺凝胶；第二步：改变无菌聚丙烯酰胺凝胶溶液中单体丙烯酰胺和交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的比例，重复进行第一步，形成系列不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶；所述的在聚丙烯酰胺凝胶表面包被一层I型胶原蛋白的具体步骤为：将聚丙烯酰胺凝胶分割成适宜大小，放置于六孔板或培养皿中，在凝胶表面滴加I型胶原蛋白，并用无菌TIP头将液滴摊平，常温静置1-2小时，向六孔板或培养皿中加入1%乙醇胺溶液，以浸过凝胶表面为宜，0-10℃静置10-60分钟，弃去乙醇胺，加入无血清培养基，0-10℃静置过夜，备用。
2.如权利要求1所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，其特征在于，将聚丙烯酰胺凝胶分割成1.5cm×1.5cm或6cm×5cm大小，当分割成1.5cm×1.5cm大小时，滴加50μL浓度为0.1mg/ml的I型胶原蛋白，当分割成6cm×5cm大小时，滴加300μL浓度为0.1mg/ml的I型胶原蛋白。
3.如权利要求1所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，其特征在于，所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法的具体步骤还包括：运用质构仪对不同基底硬度体外细胞培养平台的硬度进行检测。
4.如权利要求3所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法，其特征在于，所述的不同基底硬度体外细胞培养平台的建立方法的具体步骤还包括：依据不同肝脏硬度背景Baffulo大鼠肝癌模型硬度检测结果，获得正常肝脏、肝纤维化肝脏、肝硬化肝脏的硬度范围，在上述系列不同基底硬度体外细胞培养平台中，选取与病理状态下肝脏硬度值接近的特定硬度细胞培养平台，模拟肝癌细胞在不同病理生理状态下所处的硬度环境。
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Application publication date: 20140702 Assignee: SHANGHAI USEN BIOLOGICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Zhongshan Hospital, Fudan University Contract record no.: X2020980005880 Denomination of invention: Establishment of cell culture platform with different substrate hardness in vitro Granted publication date: 20170111 License type: Exclusive License Record date: 20200909 |
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