CN104312975B - 一种胶质瘤干细胞的体外三维培养模型及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于细胞生物学领域，具体涉及一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型及应用。所述体外三维培养模型的制备按照如下步骤进行：将三维胶原支架置于DMEM培养基中浸泡6‑24小时后取出，去除三维胶原支架上黏附的多余的DMEM得预处理三维胶原支架，将预处理三维胶原支架置于细胞培养板中，将成球的胶质瘤干细胞种植于预处理三维胶原支架中，于37℃静置2‑6小时后，加入内皮培养基，37℃培养2‑4天，即得到用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型。该体外三维培养模型各种操作过程均在室温下进行，可在原位进行各种染色，包括免疫组化、免疫荧光染色；可进行电镜检测；可直接消化后进行RT‑PCR及Western Blot检测。

Description

一种胶质瘤干细胞的体外三维培养模型及应用

技术领域

本发明属于细胞生物学领域，具体涉及一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型及应用。

背景技术

肿瘤的生长和远隔病灶的形成有赖于血液供应，经典的血管生成理论认为，当实体肿瘤长至1-2mm³时，需诱导生成新的血管来获取血供，否则肿瘤就会停止生长。随着对肿瘤生物学研究的不断深入，近些年人们还发现肿瘤细胞还可以通过自身变形、围绕形成管腔，以一种独立于内皮细胞依赖性血管的血管拟态(vasculogenic mimicry，VM)方式构筑肿瘤微循环。自1999年Maniotis等报道了恶性黑色素瘤中存在一种肿瘤新的微循环模式血管生成拟态(vasculogenic mimicry,VM)后，人们在卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、肺癌、胃癌、肝细胞癌和胶质瘤等肿瘤中证实了VM的存在。神经胶质瘤是颅内最常见的原发肿瘤，已研究证实了胶质瘤中也存在血管生成拟态现象，而且与胶质瘤患者预后相关。胶质瘤干细胞在胶质瘤血管生成拟态现象中可能起着主要的作用。

血管生成拟态与传统肿瘤血管生成途径不同，它不依赖机体血管内皮细胞的增生，因此，在研究血管拟态形成的细胞和分子机制时，要求体外培养的细胞通过自身变形形成管样结构。但是在体外二维培养过程中，当细胞密度达到一定数量时，细胞突起间极易相互连接，从而形成所谓的“管样结构”，但该结构并非由细胞形成的管样结构，不能真实反映体内血管拟态的结构。因此，需寻找一种细胞培养模型可以模拟体内血管拟态的结构。

目前常用的研究血管新生的体外模型是Matrigel胶三维培养模型。但Matrigel胶实质是一种基质胶，仅为细胞培养提供基质，而非真正意义的三维培养体系。此外，由于Matrigel胶自身的原因，在研究过程中发现其存在以下缺点：(1)Matrigel胶在常温处于胶冻样，操作必须在4℃以下的低温环境中进行，这会对细胞造成损伤；(2)由于细胞在二维培养的某些细胞表型与三维培养不同，因此在研究VM时想要找到一种可以进行原位检测的细胞培养模型，但Matrigel胶不易溶解、本底易于着色等原因，不能在该培养模型原位进行检测。目前，Matrigel胶仅用来验证细胞是否在一定的处理条件下可以形成管样结构，这在很大程度上限制了体外血管拟态的研究进展。因此，在肿瘤体外血管拟态研究中，亟需建立一种适合研究血管拟态的体外三维培养模型。

发明内容

目前应用在制备3D细胞培养的主要材质包括天然有机物和无机大分子聚合物，天然有机物有胶原、壳聚糖、葡萄糖氨基聚糖类、藻酸盐、丝心蛋白、琼脂糖、淀粉；无机大分子聚合物有PGA(聚乙醇酸)、PLA(聚乳酸)、PLC(聚己内酯)、POE(聚原酸酯)及其多相聚合支架如PLGA等。本申请的发明人在研究过程中预料不到的发现，采用三维胶原支架为胶质瘤干细胞的细胞培养支架，在体外培养可得到一个新的、有效的体外三维培养模型，制备过程中各种操作过程均在室温下进行，该体外三维培养模型可排除在Matrigel胶上由于细胞突起连接形成的管样结构，可在原位进行各种染色，包括免疫组化、免疫荧光染色；可进行电镜检测；可直接消化后进行RT-PCR及Western Blot检测，使用方便快捷，为体外血管拟态的研究提供了一种重要的工具，基于上述发现，从而完成了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，具体的，所述体外三维培养模型的制备按照如下步骤进行：

将三维胶原支架置于DMEM培养基中浸泡6-24小时后取出，去除三维胶原支架上黏附的多余的DMEM预处理三维胶原支架，将预处理三维胶原支架置于细胞培养板中，将成球的胶质瘤干细胞种植于预处理三维胶原支架中，于37℃静置2-6小时后，加入内皮培养基，37℃培养2-4天，即得到用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型。所述内皮培养基的配制为EBM培养基(Lonza，CC-3156)，2％胎牛血清(Gibco，10099-133)，青霉素(penicillin，100U/ml)，链霉素(streptomycin，100U/ml)。

优选的，在上述的方法中，将成球的胶质瘤干细胞种植于预处理三维胶原支架中，于37℃静置4小时。

优选的，在上述的方法中，加入内皮培养基，37℃培养3天。

优选的，所述三维胶原支架的材料为Ⅳ型胶原，孔径直径为300-500μm。

优选的，所述成球的胶质瘤干细胞的制备方法为：胶质瘤细胞(U87细胞株或原代胶质瘤细胞091214)用含10％胎牛血清(Gibco，10099-133)的DMEM培养基(Gbico)培养2-3天后将培养基吸弃，加入PBS(购自北京中杉金桥生物技术有限公司)清洗后吸弃，重复PBS清洗2-3次，然后加入10ml干细胞培养基进行培养，此后每天采用半换液方式添加新的干细胞培养基，培养5-7天即可成球，得到成球的胶质瘤干细胞。所述胶质瘤干细胞培养基配方为DMEM/F12(Invitrogen，CA，USA)，bFGF(10ng/ml，PeproTech，NJ，USA)，EGF(10ng/ml，PeproTech，NJ，USA)，B27(1：50，Invitrogen，CA，USA)，penicillin(100U/ml)，streptomycin(100U/ml)。

进一步，所述胶质瘤细胞为U87细胞株或原代胶质瘤细胞091214。

优选的，所述胶质瘤细胞为绿色荧光蛋白标记的胶质瘤细胞。

本发明还提供了三维胶原支架在制备用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型中的应用，所述三维胶原支架的材料为Ⅳ型胶原，孔径直径为300-500μm。

有益效果：本发明采用三维胶原支架为胶质瘤干细胞的细胞培养支架，在体外培养可得到一个新的、有效的用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，制备过程中各种操作过程均在室温下进行；得到的该体外三维培养模型与现有的Matrigel胶培养模型相比，三维胶原支架培养细胞过程操作简单，各种操作过程均在室温下进行，细胞在三维胶原支架上形成的管样结构更为可信，可排除在Matrigel胶上由于细胞突起连接形成的管样结构。三维胶原支架培养细胞形成VM可在原位进行各种染色，包括免疫组化、免疫荧光染色；可进行电镜检测；可直接消化后进行RT-PCR及Western Blot检测，使用方便快捷。

附图说明

图1胶质瘤干细胞在三维胶原支架和培养皿中二维培养的结果图(A：三维胶原支架；B：扫描电镜显示三维胶原支架的超微结构；C、E：U87和原代胶质瘤细胞091214的细胞球在干细胞培养基中形成干细胞细胞球；D、F：扫描电镜显示胶质瘤干细胞在三维胶原支架中生长)。

图2胶质瘤干细胞在三维胶原支架中的分化现象(A和B为扫描电镜显示胶质瘤干细胞在与三维胶原支架接触处出现分化现象(箭头所示)；C为RT-PCR显示干细胞在三维胶原支架中干性基因表达下调)。

图3胶质瘤干细胞在不同三维培养条件下的生长方式(A为采用Matrigel胶培养；B为采用三维胶原支架培养)。

图4胶质瘤干细胞在三维胶原支架中形成管样结构的HE染色、免疫荧光染色及电镜扫描观察结果。

图5胶质瘤干细胞在三维胶原支架中形成管样结构的Western Blot检测结果。

具体实施方式

所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明实施例中，DMEM培养基(Gibco)，10％胎牛血清(Gibco，10099-133)。

胶质瘤干细胞培养基配方为DMEM/F12(Invitrogen，CA，USA)，bFGF(10ng/ml，PeproTech，NJ，USA)，EGF(10ng/ml，PeproTech，NJ，USA)，B27(1：50，Invitrogen，CA，USA)，penicillin(100U/ml)，streptomycin(100U/ml)。

三维胶原支架的材料由Ⅳ型胶原组成，孔径直径为300-500μm，三维胶原支架在扫描电镜下呈网孔状的三维结构(如图1A和图1B)。

PBS购自北京中杉金桥生物技术有限公司。

所述胶质瘤细胞为U87细胞株和原代胶质瘤细胞091214。U87细胞株来自ATCC，VA，USA。原代胶质瘤细胞(091214)来自第三军医大学第三附属医院神经外科住院病人胶质瘤切除标本。

实施例1GFP-U87及GFP-091214成球实验

在100mm培养皿内，将用绿色荧光标记的U87(GFP-U87)用含10％胎牛血清(Gibco，10099-133)的DMEM培养基培养3天后，将培养皿内的培养基吸弃，加入5ml PBS清洗后吸弃，重复2次；加入10ml干细胞培养基，以后每天采用半换液方式添加新的干细胞培养基，5-7天即可成球，得到成球的GFP-U87，用于传代和实验用。

按照上述方法培养绿色荧光标记的原代胶质瘤细胞091214(GFP-091214)得到成球的GFP-091214，用于传代和实验用。

实施例2胶质瘤干细胞的体外三维培养模型的建立

将三维胶原支架用DMEM浸泡过夜，取出用滤纸将支架上黏附的多余的DMEM吸除，将支架放置于六孔板内，将实施例1中成球的GFP-U87和GFP-091214细胞分别种植于胶原支架，37℃孵箱内静置4小时后，加入5ml干细胞培养基培养3天，同时以实施例1培养皿内培养的GFP-U87和GFP-091214细胞球作为对照，扫描电镜观察结果显示，胶质瘤干细胞在胶原支架内呈三维立体方式生长，如图1D和图1F所示，培养皿内培养的GFP-U87和GFP-091214细胞球的结构如图1C和图1E所示。

采用RT-PCR检测干性基因的表达情况，结果显示，与二维培养(实施例1的方法)相比三维胶原支架培养的干细胞的干性基因OCT4，SOX2及Nanog表达下调，如图2C；电镜结果显示与胶原支架接触处的细胞出现了明显的分化，如图2A和图2B。

实施例3三维胶原支架与Matrigel胶培养模型的比较

将三维胶原支架用DMEM浸泡过夜，取出用滤纸将支架上黏附的多余的DMEM吸除，将支架放置于六孔板内，将实施例1中形成的GFP-091214细胞球分别接种在三维胶原支架和Matrigel胶上，37℃孵箱内静置4小时后，内皮培养基培养3天后，激光共聚焦显微镜显示胶质瘤干细胞在Matrigel胶和三维支架均可见管样结构形成。在三维胶原支架中可见由细胞形成三维管样结构，而在Matrigel胶形成的管样结构主要由细胞突起形成，结果如图3所示。

实施例4利用三维胶原支架培养胶质瘤干细胞形成的管样结构细胞表达血管拟态相关蛋白的检测

将三维胶原支架用DMEM浸泡过夜，取出用滤纸将支架上黏附的多余的DMEM吸除，将支架放置于六孔板内，将实施例1中制备的成球的GFP-U87和GFP-091214细胞分别种植于三维胶原支架，37℃孵箱内静置4小时后，用内皮培养基培养3天后；用镊子取出后放入10％福尔马林固定20min，将上述支架制成10μm的冰冻切片后，进行HE染色及免疫荧光染色，如图4所示，发现细胞在三维胶原支架形成管样结构，且这些细胞高表达血管拟态相关蛋白，取出支架放入2％戊二醛固定并送电镜室制片，扫描电镜观察发现，细胞在支架内可形成管样结构，HE染色显示，胶质瘤干细胞在内皮细胞培养下，在胶原支架中形成管样结构。免疫荧光染色显示形成管样结构的细胞高表达血管拟态相关蛋白VE-Cadherin，Laminin，同时保持胶质瘤细胞标记物GFAP。扫描电镜(SEM)显示管样结构是由瘤细胞构成的。将支架直接放入蛋白提取液中，进行WesternBlot检测，进一步证实，细胞高表达CD133，VE-Cadherin，Laminin，VEGFR2，如图5所示。

从实施例2-4可以看出，与Matrigel胶相比，三维胶原支架培养细胞过程操作简单，各种操作过程均在室温下进行，细胞在三维胶原支架上形成的管样结构更为可信，可排除在Matrigel胶上由于细胞突起连接形成的管样结构。三维胶原支架培养细胞形成VM可在原位进行各种染色，包括免疫组化、免疫荧光染色；可进行电镜检测；可直接消化后进行RT-PCR及Western Blot检测。与现有的培养模型相比，具有显著的进步性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，其特征在于，所述体外三维培养模型的制备按照如下步骤进行：

将三维胶原支架置于DMEM培养基中浸泡6-24小时后取出，去除三维胶原支架上黏附的多余的DMEM得预处理三维胶原支架，将预处理三维胶原支架置于细胞培养板中，将成球的胶质瘤干细胞种植于预处理三维胶原支架中，于37℃静置2-6小时后，加入内皮培养基，37℃培养2-4天后，即得到用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型,所述胶质瘤干细胞来源于细胞株为U87和091214；所述内皮培养基为添加有2％胎牛血清、青霉素100U/ml和链霉素100U/ml的EBM培养基；所述三维胶原支架的材料为Ⅳ型胶原，孔径直径为300-500μm。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，其特征在于，所述成球的胶质瘤干细胞的制备方法为：胶质瘤细胞用含10％胎牛血清的DMEM培养基培养2-3天后将培养基吸弃，加入PBS清洗后吸弃，重复PBS清洗2-3次，然后加入10ml胶质瘤干细胞培养基进行培养，此后每天采用半换液方式添加新的胶质瘤干细胞培养基培养5-7天即可成球，得到成球的胶质瘤干细胞。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，其特征在于，所述胶质瘤细胞为胶质瘤细胞株U87或原代胶质瘤细胞091214。

4.根据权利要求3所述的一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，其特征在于，所述胶质瘤细胞为绿色荧光蛋白标记的胶质瘤细胞。

5.根据权利要求1所述的一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，其特征在于，将成球的胶质瘤干细胞种植于预处理三维胶原支架中，于37℃静置4小时。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究胶质瘤干细胞血管拟态的体外三维培养模型，其特征在于，加入内皮培养基，37℃培养3天。